Что такое «Бозон Хиггса»

4 июля 2012 года в результате исследования на Большом адронном коллайдере была обнаружена частица массой около 125-126 ГэВ/c².
У ученых были веские основания предполагать, что найденная частица и вляпается бозоном Хиггса. В марте 2013 года ЦЕРН подтвердил это.

Вы наверняка слушали словосочетание «Бозон Хиггса» и о том, что его открытие важно для нашего понимания Вселенной. Но все ли из нас знают, ЧТО такое этот «бозон»? Чтобы мы могли разобраться в этом, Лекс Кравецкий и Анатолий Вассерман приготовили для нас доходчивое объяснение.

В квантовом мире всё — и вещество, и взаимодействие частиц вещества — состояния полей. Причём разных: даже если за всей природой стоит некое единое поле, то всё равно оно проявляет себя так, что его можно разложить на несколько разных полей.

Квант каждого поля — это наименьшая возможная его порция. На более мелкие порции поле уже нельзя поделить, хотя некоторые поля в разных условиях делятся на порции разного размера.

Среди полей, отвечающих за взаимодействия, есть известные всем гравитационное и электромагнитное, а также менее известные широкой публике «сильное» и «слабое».

Сильное взаимодействие, в частности, удерживает протоны и нейтроны внутри ядра. Положительно заряжённые протоны отталкиваются друг от друга электромагнитным взаимодействием, поэтому, если бы не было «сильного взаимодействия», они бы разлетелись из ядра. Сильное взаимодействие на очень малых расстояниях оказывается сильнее электромагнитного и тем самым его компенсирует.

Слабое взаимодействие, в частности, обеспечивает бета-распад: реакции, например, распада нейтрона на протон, электрон и антинейтрино, или протона на нейтрон, позитрон (зеркальную — с положительным зарядом — копию электрона) и нейтрино.

«Частицей» в квантовой физике называется некая порция одного или нескольких полей, переносящая одновременное изменение их состояния. Например, фотон переносит электромагнитное взаимодействие, то есть изменение состояний электрического и магнитного полей. В определённых обстоятельствах эти поля выглядят независимыми, и установление их единства потребовало нескольких десятилетий работы экспериментаторов и теоретиков. Это стало основой разработки электрогенераторов, моторов, радиотехники. Ещё через век была разработана теория, объединяющая электромагнитное взаимодействие со слабым: их переносят разные, но во многом сходные кванты. Практические применения этой теории пока ясны лишь в самых общих чертах.

Квантам поля соответствуют «элементарные частицы». То есть те, которые невозможно расщепить. Таковы, например, фотон и электрон.

«Составные частицы», как понятно из их названия, состоят из элементарных. Например, составные частицы протон и нейтрон состоят из элементарных частиц — кварков.

Частицы слабого взаимодействия ведут себя так, будто бы у них есть инертная масса: чтобы их разгонять — то есть придавать им ускорение, — нужно прикладывать силу.

Частицы же сильного и электромагнитного взаимодействия ведут себя так, будто у них нет инертной массы.

Физик-теоретик Хиггс показал, что должно существовать поле, взаимодействующее с частицами слабого взаимодействия, но не с частицами сильного и электромагнитного. Взаимодействие с этим полем и мешает разгонять частицы — придаёт им инертную массу.

Элементарным частицам присуща характеристика, соответствующая в макромире вращению (её называют «спин» — веретено). В естественных для квантовой механики единицах спин может быть целым — такие частицы называют бозонами, в честь Бозе, вместе с Эйнштейном разработавшего статистику их поведения, — или полуцелым — фермионы, чью статистику разработали Ферми и Дирак (хотя некоторые важнейшие особенности этой статистики указал Паули).

Свойства бозона Хиггса — частицы, переносящей взаимодействие с полем Хиггса — теоретически рассчитаны весьма приблизительно. Его экспериментальное обнаружение позволило значительно уточнить их. Это в свою очередь ограничило спектр возможных вариантов теории, способной описать с точки зрения квантовой физики одновременно сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие. Значит, дальнейшая разработка такой теории пойдёт уже легче, и основанная на ней практика приблизится.

 

Авторы: Лекс Кравецкий, Анатолий Вассерман