Открытие бозона Хиггса и что за этим стоит

В 2013 году был открыт бозон Хиггса. О важности открытия, роли этой частицы и о большом адронном коллайдере рассказал в рамках лектория фонда «Эволюция» академик Валерий Рубаков, специалист в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии. 

Современное состояние физики элементарных частиц

В мире утверждена Стандартная модель, в которую входит три сектора частиц. Первый состоит из электрона, электронного нейтрино, кварков, и более тяжелых аналогов. Второй сектор — частицы, обеспечивающие взаимодействие (например, электромагнитное) им соответствует фотон, гравитон и другие. Третий сектор связан с бозоном Хиггса, который до последнего времени был единственным недостающим звеном в Стандартной модели.

Так что же такое бозон Хиггса? 

Прежде всего, это новая элементарная частица, которая позволяет нам начать изучать хиггсовский механизм. Все элементарные частицы имеют внутреннее вращение, угловой момент — спин, у бозона Хиггса он равен нулю. Известные до сих пор бозоны отвечают за взаимодействия: фотоны – за электромагнитное, глюоны – между кварками в протоне.

Откуда к нему такой интерес? 

В Стандартной модели существует поле Энглера – Браута – Хиггса. Бозон Хиггса — квант этого поля, чья главная задача — обеспечить массы всем элементарным частицам, это и его особое свойство. Открытие этого бозона привело нас к представлению о том, какой механизм обеспечивает массы всем нашим элементарным частицам.

Как его открыли и почему это было так сложно? 

Открыли его во время изучения очень редких процессов распада бозона Хиггса на два фотона и распада на 4 частицы. Мы помним, что E=mc², это означает, что для рождения новой тяжелой частицы нужно иметь достаточно большие запасы энергии, которые позволяли бы работать на очень маленьких расстояниях и с большим количеством пучков-столкновений. К самым значимым проблемам относятся не только редкость рождения бозона Хиггса, его нестабильность, короткое время жизни, но и невозможность измерить его трек.

Что же такое Большой адронный коллайдер? 

Это сооружение с длиной кольца 27 км с 1 600 сверхпроводящими магнитами, удерживающими и поворачивающими протоны в этом кольце. Имеются детекторы, предназначенные для исследований при сверхвысоких энергиях, поиска и открытия бозона Хиггса. Это АТЛАС и CMS, в которых и происходят столкновения протонов, при этом детектируются все заряженные частицы и фотоны.

Зачем нужен бозон Хиггса?

Бозон Хиггса — квант нового поля, последний недостающий элемент современной теории. В теории микромира есть симметрии, запрещающие элементарным частицам иметь массы, а это новое поле обеспечивает их существование. При этом каждой симметрии, которая может восприниматься как закон запрета, с соответствующим ему безмассовый фотоном, относится свой закон сохранения и наоборот. Симметрийные запреты и законы сохранения не работают, если у вас есть поле, нарушающее эти симметрии (магнитное поле внутри магнита относительно пространственных вращений). 

Будут ли новые открытия?

К сожалению, в ближайшее время не придется обсуждать новые открытия экспериментаторов, хотя ученые-теоретики прилагают все усилия. Большая трудность в этом деле связана и с нехваткой мощности БАКа, который будет финансироваться  до 2035 года. Что будет дальше — пока неизвестно.

Материал опубликован в газете «Мегабайт»