В течение десятилетий физики искали доказательства существования бозона Хиггса как «последней недостающей части» Стандартной модели. «Хайтек» рассказывает о главных открытиях, связанных с божественной частицей.
Десять лет назад, 4 июля 2012 года, коллаборация ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) объявила об обнуржении новой частицы с характеристиками, согласующимися с характеристиками бозона Хиггса, предсказанными Стандартной моделью физики элементарных частиц. Открытие стало важной вехой в истории науки и привлекло внимание всего мира.
Годом позже Франсуа Энглер и Питер Хиггс получили Нобелевскую премию по физике за предсказание, сделанное десятилетиями ранее вместе с покойным Робертом Браутом, нового фундаментального поля, известного как поле Хиггса. Оно пронизывает Вселенную, проявляет себя как бозон Хиггса и придает массу элементарным частицам.
Как нашли бозон?
Открытие бозона Хиггса — результат международного сотрудничества команд ATLAS и CMS (компактный мюонный соленоид) в ЦЕРН. В поисках «божественной частицы» приняли участие более 5500 инженеров, техников, физиков-элементаристов, студентов и других экспертов из 54 стран. Сотрудники более 240 научных институтов со всего мира участвовали в поисках бозона Хиггса на БАК, что сделало его одним из крупнейших научных проектов в истории.
По данным ЦЕРН, все полученные до сих пор результаты на коллайдере основаны всего на 5% от общего объема данных, которые коллайдер предоставит за время своего существования. Он уже подтвердил ряд теорий и предсказаний Стандартной модели физики, а также раскрыл новую информацию.
Главные открытия
Спустя 10 лет после открытия ученые рассказали о наиболее значительных достижениях исследования бозона Хиггса:
— Эксперименты показали, что новая частица не имеет собственного углового момента или квантового спина, как предсказывает Стандартная модель.
— Исследователи наблюдали, как 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. Наблюдения подтвердили существование взаимодействия или силы, называемой взаимодействием Юкавы, которая является частью Стандартной модели и передается бозоном Хиггса. Эти взаимодействия играют важную роль в объяснении ядерных сил, удерживающих вместе протоны и нейтроны.
— Масса бозона Хиггса составила 125 млрд электронвольт (ГэВ). Хотя масса бозона Хиггса не предсказывается Стандартной моделью, вместе с массой самой тяжелой из известных элементарных частиц, топ-кварка и другими параметрами она может определять стабильность вакуума во Вселенной и объяснять, почему она не схлопывается.
— 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».
Необычные отклонения
Согласно ЦЕРН, в ходе экспериментов ученые выявили несколько «интригующих намеков на отклонения от Стандартной модели», которые «требуют дальнейшего изучения». Также ученые с «беспрецедентными подробностями» изучили кварк-глюонную плазму, которая наполняла Вселенную в момент ее зарождения. Также продолжаются исследования по поиску новых частиц помимо тех, которые предсказывает Стандартная модель.
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».
Новые вопросы
Исследования «божественной частицы» продолжаются, и БАК постоянно предоставляет ценные данные, связанные с полями и бозоном Хиггса. Физикам еще предстоит найти ответы на многие вопросы, например:
— Придает ли поле Хиггса массу более легким фермионам, или может действовать другой механизм?
— Является ли бозон Хиггса элементарной или сложной частицей?
— Может ли он взаимодействовать с темной материей и раскрывать природа этой загадочной формы материи?
— Что порождает массу бозона Хиггса и его взаимодействие с самим собой?
— Есть ли у него частицы-близнецы или родственники?
Что дальше?
Хотя ученые получили много информации о частице за последние 10 лет, остается много неизвестного. Тем временем исследователи из ЦЕРН строят планы по созданию нового коллайдера — Future Circular Collider. Он будет еще больше, чем БАК — 100 км против 27 км. После того, как FCC заработает, он сможет выделять огромное количество бозонов Хиггса, что позволит ученым составить карту того, как эти частицы взаимодействуют с другим веществом.
Исследования (1, 2, 3), посвященные 10-летнему исследованию бозона Хиггса, опубликованы в журнале Nature.
Читать далее:
Черная дыра в Галактике подтвердила правоту Эйнштейна. Главное
Космос разрушает кости и меняет их структуру: ученые не знают, как люди полетят на Марс
Астрономы нашли планеты, которые отличаются от Земли, но пригодны для жизни