На этой неделе состоялся новый запуск Большого адронного коллайдера. Главной своей целью женевские физики называют изучение бозона Хиггса, "последней недостающей части" Стандартной модели. Открытая в 2012 году, она получила название "частицы Бога", так как может пролить свет на природу Вселенной. Обнаружение бозона Хиггса стало одним из главных событий в истории науки 2010-х. Значит ли это, что мы, наконец, нашли все ответы на вопросы о мироздании? Отнюдь. Но приблизились на полшага.
Особенности современной физики в том, что понять ее способны только сами современные физики. Если мы, простые смертные, попытаемся туда влезть, бозон Хиггса нас сожжет, как бог Зевс — пожелавшую увидеть его Семелу. Одним словом, тот еще тренажер для мозгов. Но давайте попытаемся объяснить все простыми словами.
Из школьного курса физики мы знаем, что материя стоит из молекул, молекулы — из еще более мелких частиц, атомов, атомы в свою очередь делятся на ядро и вращающиеся вокруг него электроны, ядро атома также распадается на нейтрон и протон. Сюрприз: в школе наши мозги поберегли и рассказали нам не все.
Нейтрон и протон, из которого состоит ядро атома — это элементарные частицы, они неделимы. Проблема в том, что науке известно огромное количество других элементарных частиц, помимо знакомых нам протона и нейтрона — это нейтрино, фотон, гравитон, глюон, античастицы, кварки... Одним словом, их очень много, и все это — "кирпичики", из которых кто-то строил наше мироздание (ну, или оно строилось само по себе — вопрос дискуссионный). Вселенная также наполнена квантовыми полями и кишит появляющимися и исчезающими в них элементарными частицами. Все эти наши маленькие друзья и образуют Стандартную модель.
Есть среди элементарных частиц и бозоны. Что это такое, спросите вы? Бозоны — это частицы, которые переносят взаимодействие других частиц. Например, притяжение или отталкивание частиц – это результат обмена бозонами между ними. Вселенная устроена очень кропотливо. У всех частиц, кроме W и Z бозонов нет инертной массы. Значит, что-то должно им эту массу давать, как они обеспечивают взаимодействия. Эту массу дает им бозон Хиггса, а значит, без него не было бы ничего. От слова — совсем ничего. Самая краеугольная из всех краеугольных частиц? Физики полагают, что да.
Частицы вроде протонов, нейтронов и кварков получают массу через взаимодействие с невидимым полем Хиггса. Некоторые частицы проходят через это поле и не получают массы, другие "застревают" в нем и накапливают энергию. За это поле Хиггса отвечает, конечно же, бозон Хиггса.
Если разгадать все тайны "божественной частицы", мы узнаем очень много. Это станет ключом к невероятным открытиям. В частности, прольет свет на темную материю.
Что еще за "темная материя"?
Немного фактов, чтобы осознать наше ничтожество. Обычная материя, из которой состоят планеты, звезды, пыль, газ, а также ты, читатель, воспринимающий эти буквы на экране, составляет всего 4% Вселенной. 22% — это темная материя. 74% — это темная энергия. Без паники, но 96% Вселенной отсутствует! Бозон Хиггса поможет нам прорваться в области этой тьмы.
Как нашли "частицу Бога"?
Научное издание "Хайтек" рассказало, как открывали бозон Хиггса (дальше мы попросту перескажем их материал). Случилось это ровно десять лет назад, 4 июля 2012 года. Коллаборация ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) заявила, что обнаружила частицу, которая обладает всеми характеристиками "божественной частицы".
Несколько интересных фактов: в поисках "божественной частицы" принимали участие более 5500 инженеров, техников, физиков-элементаристов, студентов и других экспертов из 54 стран. Всего в охоте на бозон Хиггса было задействовано 240 сотрудников научных институтов мира. Это была одна из самых впечатляющих кампаний в истории науки.
Что нам известно о бозоне Хиггса спустя 10 лет после открытия
Сравнительно немного, что и заставило запускать Большой адронный коллайдер снова. Вот несколько фактов. Сложных, но и жизнь наша не проста:
— У бозона Хиггса нет собственного углового момента или квантового спина, как предсказывает Стандартная модель.
— Бозоны Хиггса образуются из пар W- или Z-бозонов и распадаются на них, подтверждая, что эти частицы приобретают свою массу за счет взаимодействия с полем Хиггса, как и предсказывает Стандартная модель.
— Эксперименты также показали, что верхний кварк, нижний кварк и тау-лептон (наиболее тяжелые фермионы) получают свою массу за счет взаимодействия с полем Хиггса, что также предсказала Стандартная модель.
— Масса бозона Хиггса составила 125 млрд электронвольт (ГэВ).
— К 2022 году обнаружено более 60 составных частиц (тех, которые состоят из более чем двух элементарных частиц), предсказанных Стандартной моделью, включая экзотические "тетракварки" и "пентакварки".
Отклонения — это хорошо?
Физики в ЦЕРН говорят, что эксперименты с бозоном Хиггса выявили несколько "интригующих намеков на отклонения от Стандартной модели", которые "требуют дальнейшего изучения". Что это значит? Хиггс их пока знает. Предполагают, что есть другие частицы, которые лежат за пределами Стандартной модели. Также предполагают, что бозон Хиггса может распадаться на частицы темной материи, и это будет прорыв за грань наших представлений о мире. По словам представителя CMS Луки Мальджери, "сам бозон Хиггса может указывать на новые явления, в том числе те, которые ответственны за темную материю во Вселенной".
Есть хоть свет в конце туннеля?
Вопросов больше, чем ответов, а новые ответы порождают новые вопросы. Исследователи из ЦЕРН строят планы по созданию нового коллайдера — Future Circular Collider, который сможет выделять огромное количество бозонов Хиггса. И если теология нам так и не помогла найти Бога, кто знает, может быть поможет физика?
