Что такое бозон Хиггса?

Чтобы понять, что такое бозон Хиггса, нам нужно сначала поговорить о поле Хиггса. Это поле придает определенным фундаментальным частицам их массу, а также отделяет друг от друга две из четырех фундаментальных сил природы.

Существование поля было впервые теоретически описано в начале 1960-х годов, когда физики рассмотрели последствия гипотетического поля, которое объяснило бы, как электромагнетизм и слабое взаимодействие разделились, и почему некоторые несущие силу частицы имеют массу (например, W и Z бозоны), а другие (например, фотоны) — нет.

Британский физик Питер Хиггс был одним из многих исследователей, работавших над этой моделью. Его имя с тех пор стало синонимом поля, его частицы и механизма действия.

Что же тогда такое бозон Хиггса?

Как и все квантовые поля, поле Хиггса порождает свой собственный вид фундаментальной частицы — бозон Хиггса. Это относительно тяжелый, незаряженный, крайне нестабильный бозон (несущая силу частица с нулевым спином), который существует мгновение, прежде чем распадется на несколько других частиц.

В 2012 году именно такая частица была обнаружена двумя детекторами Большого адронного коллайдера, что официально привело к включению бозона Хиггса в Стандартную модель и представило убедительные доказательства механизма Хиггса.

Что дает частицам их массу?

В повседневной жизни мы воспринимаем массу как сопротивление движению. Вещи с большой массой трудно сдвинуть с места; когда они находятся в движении, их трудно остановить.

Формулировка специальной теории относительности Альберта Эйнштейна дает нам другой способ взглянуть на массу — это выражение энергии объекта.

В неподвижном состоянии объект имеет массу, равную его энергии, деленной на квадрат скорости света — поворот в известной формуле E = mc². Заставьте объект двигаться, особенно со скоростью, близкой к скорости света, и он получит энергию, которая действует как масса.

Атомы получают большую часть своей массы от энергичного гудения частиц, называемых кварками, летающих внутри их ядер, связанных друг с другом сильной силой.

Но даже сами по себе кварки обладают массой. Как и окружающие их электроны. Поскольку внутри них ничего не «гудит», необходима какая-то активность, чтобы учесть энергию, которая равнялась бы их массе в состоянии покоя.

Более того, в середине 20 века физики обнаружили, что предыдущие модели, описывающие калибровочные бозоны, не соответствовали наблюдениям; частицы ближнего действия, такие как бозоны W и Z слабого взаимодействия, были в 80 раз массивнее целого протона, в то время как дальнодействующий фотон электромагнитного поля вообще не имел массы.

Физики отчаянно пытались найти причину этих различий в весе, и почему эти два поля были такими разными.

Как поле Хиггса дает фундаментальным частицам их массу?

При безумно высоких температурах в моменты после Большого взрыва поля электромагнетизма и слабого ядерного взаимодействия были бы практически идентичны друг другу.

По мере того, как Вселенная расширяется и охлаждается, эти два поля станут различными: одно работает с тяжелыми бозонами, действующими на коротком расстоянии ядра, другое — с бозонами, достаточно легкими, чтобы преодолевать огромные участки космоса.

Подобные объяснения этого раскола — и разницы в массах — исходили от нескольких групп физиков по всему миру. История признает предложение, сделанное Хиггсом и его коллегами Франсуа Энглером и Робертом Браутом в 1964 году, основанное на новом типе квантового поля, которое было активным повсюду, даже в пустом пространстве.

Наличие поля с ненулевым значением в каждом уголке Вселенной нарушило бы фундаментальный баланс в квантовой механике, который теоретически должен генерировать частицы, уже исключенные экспериментами.

Но Хиггс, Энглерт и Браут показали, что если бы это гипотетическое поле было связано с полем, ответственным за слабое взаимодействие, неизвестная частица, которую никто не видел, была бы поглощена, оставив после себя несколько тяжелых W- и Z-бозонов и относительно тяжелые спиновые бозоны.

Вскоре стало ясно, что этот же процесс будет работать практически для любого квантового поля; Поле Хиггса объясняет массы ряда других фундаментальных частиц, таких как кварки и электроны.

Текст и изображения могут быть изменены, удалены или добавлены по решению редакции, чтобы информация оставалась актуальной.