4 июля мы отмечаем десятую годовщину открытия бозона Хиггса, недостающей части Стандартной модели физики элементарных частиц.
Ключевые выводы
- Бозон Хиггса был открыт 4 июля 2012 года. Это монументальное достижение было подтверждено Нобелевской премией 2013 года.
- Бозон является недостающей частью Стандартной модели, основной теории, лежащей в основе физики элементарных частиц.
- За последнее десятилетие мы узнали кое-что новое о бозоне Хиггса, но наше понимание этой частицы все еще находится в зачаточном состоянии. Следующее десятилетие принесет нам взрослую жизнь, за которой последует целая жизнь открытий.
В США 4 июля означает праздник - пикники и фейерверки, а среди более склонных к истории даже уважительное воспоминание о первом официальном шаге нации к независимости почти два с половиной века назад. Для физиков элементарных частиц 4 июля имеет другое значение: это день рождения бозона Хиггса.
Ровно десять лет назад исследователи объявили об открытии бозона Хиггса, который в народе часто называют «частицей Бога», по названию одноименной книги Леона Ледермана. Бозон является наблюдаемым следствием поля Хиггса, энергетического поля, охватывающего Вселенную и придающего массу мельчайшим известным строительным блокам природы. Теория, описывающая эти строительные блоки, называется Стандартной моделью, а бозон Хиггса был последним наблюдаемым компонентом теории.
Недостающая часть Стандартной модели
Стандартная модель - наиболее успешная теория, предложенная для описания природы физического мира. Используя всего двенадцать частиц и несколько взаимодействий, ученые могут объяснить результаты всех экспериментов по изучению природы материи и энергии в субатомном мире.
Привычный мир пиццы и щенков, торнадо и закатов не требует полной мощности Стандартной модели; вместо этого требуется только подмножество. Наш мир состоит из атомов, каждый из которых состоит из еще меньших протонов, нейтронов и электронов. Физикам известны еще более мелкие субатомные частицы, называемые кварками, находящиеся внутри протонов и нейтронов. В сочетании с двумя различными типами ядерных сил и электромагнетизма исследователи понимают, почему солнце горит, а самолеты летают.
Стандартная модель чуть не умерла
Стандартная модель была разработана в 1960-х и 1970-х годах и казалась очень многообещающей. Однако у него был, казалось бы, фатальный недостаток. Это работало только в том случае, если все строительные блоки природы имели нулевую массу, и, даже когда модель разрабатывалась, было известно, что это не так. В конце концов, масса электрона была измерена и известна уже несколько десятилетий, а электрон является одной из двенадцати частиц стандартной модели.
Это предсказание могло стать похоронным звоном теории, но оно было спасено в 1964 году, когда три разные группы физиков предложили то, что стало известно как поле Хиггса, названное в честь Питера Хиггса, который был один из физиков, участвовавших в разработке теории. Поле Хиггса является дополнением к Стандартной модели - на самом деле пластырем, - которое сохранило объяснительную силу модели, но также придало массу мельчайшим строительным блокам природы. Однако все здание Стандартной модели опиралось на открытие бозона Хиггса. Нет бозона Хиггса (или чего-то подобного), и вся теоретическая концепция оказалась под угрозой.
Охота с высокими ставками
Итак, охота началась. И это было нелегко. Почти полвека ушло только на то, чтобы разработать технологию, способную производить бозоны Хиггса. Наконец, летом 2012 года исследователям это удалось. (Раскрытие информации: я являюсь одним из соавторов двух статей, описывающих открытие бозона.) Как мы это сделали?
Ученые взяли два пучка высокоэнергетических протонов и разогнали их почти до скорости света с помощью Большого адронного коллайдера (БАК), самого мощного в мире ускорителя частиц. Лучи столкнулись в центре двух огромных детекторов, каждый размером с офисное здание средних размеров. Используя физику, воплощенную в знаменитом уравнении Эйнштейна, E=mc2, энергия столкновения была преобразована в бозоны Хиггса.
Бозон Хиггса не был обнаружен напрямую, так как он слишком быстро распадается, поэтому исследователи искали продукты его распада. После значительных усилий и перекрестной проверки данных было официально объявлено об открытии бозона Хиггса. Стандартная модель физики элементарных частиц была подтверждена, и это грандиозное достижение было признано Нобелевской премией по физике 2013 года Питеру Хиггсу и Франсуа Энглерту, двум создателям теории Хиггса.
Что мы узнали с тех пор?
Однако первоначальные данные, опубликованные десять лет назад, были предварительными и отрывочными, и многие вопросы все еще не решены, включая возможность открытия дополнительных вариантов бозонов Хиггса. Итак, какие улучшения принесли прошедшие годы?
Начнем с того, что теперь исследователи совершенно уверены, что бозон Хиггса, предсказанный еще в 1964 году, и частица, открытая в 2012 году, - одно и то же. Кроме того, вероятно, нет никаких дополнительных вариантов. Ученые изучили свойства распада бозона и обнаружили, что он распадается по-разному, как и ожидалось. Короче говоря, теория Хиггса кажется правильной.
С другой стороны, теория Хиггса - это просто дополнение к версии Стандартной модели с безмассовыми частицами. Оно не вытекает из основополагающих принципов. Это означает, что мы действительно не понимаем его на удовлетворительном уровне. Чтобы достичь такого уровня понимания, необходимы дополнительные исследования.
Что мы продолжим изучать
В течение следующих двух десятилетий или около того ученые будут продолжать использовать БАК. БАК начал работу в 2011 году, а открытие бозона Хиггса произошло в 2012 году. С тех пор исследователи собрали в 20 раз больше данных, поэтому они еще больше уверены, что нашли «тот самый» бозон Хиггса. В течение следующих нескольких лет ученые снова удвоят данные. Затем, через пару лет обновлений, БАК возобновит работу и предоставит в 20 раз больше данных, чем было записано в настоящее время. Другими словами, сегодняшние данные представляют собой всего пять процентов от того, что ожидается в окончательном подсчете, с соответствующим улучшением нашего понимания.
Однако, чтобы по-настоящему разобраться в основах теории бозона Хиггса, ученым необходимо создать еще один ускоритель, который будет сталкивать электроны и электроны антиматерии. Такой ускоритель был бы гораздо более точным, чем очень мощный, но неуклюжий БАК. Если бы передовые исследования открывали дверь, БАК был бы кувалдой, а следующий ускоритель был бы ключом.
Строительство нового ускорителя еще не началось. (Окончательное решение о его строительстве принято не было.) Но, если он будет одобрен, он не начнет работу до 2040-х годов. Этот новый ускоритель сможет улучшить измерения настолько, чтобы снизить неопределенность в десять раз, а часто и больше. Он сможет точно измерить время жизни бозона Хиггса и даже исследовать, как поле Хиггса придает массу самому бозону Хиггса. Подобные измерения помогут пролить свет на фундаментальное происхождение поля Хиггса.
Прошедшее десятилетие было детством экспериментальной физики Хиггса. В следующем десятилетии наше понимание бозона Хиггса полностью достигнет зрелости, а за ним последует целая жизнь открытий.