Хигс бозон — частицата и полето, даващи маса в Стандартния модел

Хигс бозон и поле: как частицата дава маса, откриването в ЦЕРН и ролята на Големия адронен колайдер — ясен и достъпен преглед на Стандартния модел.

Хигс бозонът (или частицата на Хигс) е частица от Стандартния модел на физиката. Идеята за такава частица е предложена през 1960-те години от Питър Хигс и независимо от други учени като Робърт Броут и Франсоа Енґлер. На 4 юли 2012 г. експериментите ATLAS и CMS в ЦЕРН обявяват откриването на нова частица с характеристики, съвместими с предсказания хигсоподобен бозон; през 2013 г. последваха допълнителни анализи, които потвърждават, че свойствата ѝ са близки до очакваните за частица от Стандартния модел.

Какво представлява полето на Хигс и защо е важно

Полето на Хигс е фундаментално поле с решаващо значение за теорията на физиката на елементарните частиици. За разлика от други известни полета, като например електромагнитното поле, полето на Хигс има ненулева стойност почти навсякъде във вакуума — тоест в „празното“ пространство вакуумната стойност (вакуумна очаквана стойност) не е нула. Тази особеност води до явлението, познато като спонтанно нарушение на електрослабата симетрия, което обяснява защо носителите на слабото взаимодействие (W и Z бозоните) са масивни, а фотонът остава масов (без маса).

Взаимодействието между фермионите (като електроните и кварките) и полето на Хигс — чрез т.нар. юкавови връзки — също дава маса на тези частици. Количеството маса, което получава дадена частица, зависи от силата на нейната връзка с полето на Хигс: силната връзка → по-голяма маса, слаба връзка → по-малка маса.

Свойства на Хигс бозона

Хигс бозонът, открит при ЦЕРН, има маса около 125 GeV/c2 (приблизително 133 пъти масата на протона). Той е скаларен бозон (спин 0) — това го отличава от повечето други измерими частици. Частицата има много късо време на живот (порядък 10−22–10−21 s) и бързо се разпада в други, по-леки частици. Най-честите канали на разпад в експериментите са в двойки b кваркове, W или Z бозони (включително виртуални W*/Z*), както и в двойка фотони (γγ), който канал е особено чист за детекторите, въпреки че има по-малка честота.

Как се открива Хигс бозонът

Хигс бозонът се създава в условия на много висока енергия, затова главната цел при изграждането на Големия адронен колайдер беше да се произведат достатъчно енергични сблъсъци. LHC ускорява два снопа частици до почти светлинна скорост (движещи се в противоположни посоки) и ги кара да се сблъскат.

При всеки сблъсък се образува множество вторични частици, които се регистрират от детекторите. Вероятността при един отделен сблъсък да се произведе Хигс бозон е изключително малка — поради това са необходими огромен брой сблъсъци (LHC разбива трилиони частици) и мощни суперкомпютри за анализ на получените данни. В практиката доминиращият механизъм за производство в LHC е сливането на два глуона (gluon–gluon fusion), но съществуват и други процеси като векторно бозонно сливане и асоциирано производство с W/Z или върхови кварки.

Как полето на Хигс „дава“ маса — опростено обяснение

Обяснението в основни линии е следното: частиците, които взаимодействат със стойностите на полето на Хигс, изпитват съпротивление при движение през това поле, което се проявява като ефективна маса. В един по-интуитивен смисъл, преди взаимодействието с полето частицата е по-бърза (има повече кинетична енергия); при взаимодействие тя „забавя“ движението си — загубата на кинетична енергия се вижда като енергия, свързана с масата. Тази връзка между енергия и маса описва и уравнението на Айнщайн E=mc2: масата е форма на съхранена енергия. По този начин масата не се „създава“ от нищото, а е преобразувана енергия вследствие на взаимодействието с полето.

Откритие, последици и текущи изследвания

Откриването на хигсоподобния бозон е потвърждение на ключов елемент от Стандартния модел, но не отговаря на всички отворени въпроси във физиката. Научните изследвания продължават в няколко направления:

• измерване с по-голяма прецизност на масата, спина, CP-свойствата и на заленителните (coupling) константи на Хигс бозона,
• проверка дали наблюдаваната частица е единственият хигс или част от по-обширна хигсова секция (напр. допълнителни бозони в модели извън Стандартния модел),
• влиянието върху космологията — роля в ранната Вселена, възможна връзка с инфлацията и въпросът за стабилността на електрослабия вакуум.

Въпреки успеха на Стандартния модел, учените все още търсят съвместяване на гравитацията с квантовата теория и нова физика (напр. тъмна материя, нейни кандидати и разширения като свръхсиметрия), които може да променят или разширят разбирането за ролята на полето на Хигс.

Популярна култура и името „божествената частица“

Хигс бозонът често се появява в популярни медии и научнофантастични сюжети. През 1993 г. физикът Леон Ледерман нарича частицата „божествената частица“ („the God Particle“), термин, който уля нова публичност, но е спорен сред учените, тъй като може да подвежда относно значението и характера на откритието.

Откритието на Хигс бозона е едно от най-важните постижения в съвременната физика на елементарните частици — то запълва решаваща празнина в нашата теория за фундаменталните сили и частици, но също така отваря нови въпроси и предизвикателства за бъдещи експерименти и теории.

Въпроси и отговори

Въпрос: Какво представлява Хигс бозонът?

Въпрос: Как работи полето на Хигс?

Въпрос: Защо е трудно да се открие Хигс бозонът?

Въпрос: Какви други известни бозони има?

В: Как уравнението на Айнщайн E=mc2 се отнася към създаването на масова енергия от кинетична енергия?

Въпрос: Каква роля играят научнофантастичните истории по отношение на разбирането на това как работят хигс бозоните?

Търсене по буква