 Об открытии было объявлено 4 июля 2012 года на специальном семинаре ЦЕРНа. В рамках подведения научных итогов года журнал Science назвал открытие бозона Хиггса научным прорывом 2012 года.
Почему физики посчитали, что открытая частица — действительно искомый бозон? Результат БАК (Большого Адронного Коллайдера) заключается не столько в том, что частица найдена, сколько в том, что она проявляется сразу в нескольких каналах распада и с ожидаемой интенсивностью, с той, которой и должен проявляться хиггсовский бозон.
Таким образом, год назад было объявлено - бозон Хиггса "пойман". И ученые БАКа перешли от поиска бозона к исследованию его свойств.
Бозон Хиггса — частица, которая играет ключевую роль в современной физике микромира.
Современная теория строения и взаимодействий элементарных частиц, многократно проверенная экспериментально, называется Стандартной моделью. Эта теория позволяет теоретически предсказать свойства различных процессов в мире элементарных частиц. В подавляющем большинстве случаев эти предсказания подтверждаются экспериментом, иногда с исключительно высокой точностью, а те редкие случаи, когда предсказания Стандартной модели расходятся с опытом, становятся предметом научных дебатов.
Тем не менее Стандартная модель не может считаться окончательной. Физики уверены, что она должна быть частью некоторой более глубокой теории. Именно поэтому физики настойчиво ищут любые отклонения от Стандартной модели, любые частицы, силы или эффекты, которые Стандартной моделью не предсказываются. Все эти явления ученые обобщенно называют «Новая физика»; именно поиск Новой физики и составляет главную задачу Большого адронного коллайдера.
Рабочим инструментом Стандартной модели является квантовая теория поля — теория, приходящая на смену квантовой механике при скоростях, близких к скорости света. Ключевыми объектами в ней выступают квантовые поля: электронное, мюонное, электромагнитное, кварковое и т. д. — по одному для каждого сорта «сущностей микромира».
В XIX веке физики обнаружили, что электричество и магнетизм — это две стороны одной медали, электромагнитного взаимодействия. Век спустя, при создании Стандартной модели, электромагнетизм и слабые ядерные силы были объединены в рамках единого электрослабого взаимодействия. Каждое такое объединение упрощало теорию, уменьшало количество введенных в нее «сущностей», переводило наше понимание микромира на новый уровень.
Сейчас физики имеют сразу несколько причин подозревать, что при очень высоких энергиях происходит объединение электрослабого и сильного взаимодействий. Модели, использующие эту идею разрабатываются уже давно. В идеале хотелось бы, чтобы теория естественным образом объясняла, почему фундаментальных взаимодействий именно столько и именно с такими свойствами, а также имела четкие предсказания, доступные проверке в современных экспериментах.
Объединение квантовой теории с теорией относительности в середине прошлого века естественным образом привело к представлению о взаимодействующих квантовых полях и связанных с ними частицах. Согласно квантовой теории, энергия может переноситься дискретными порциями (квантами), которые следует интерпретировать как частицы, передающие силы взаимодействия. В квантовой теории поля взаимодействия одних частиц - источников полей (электромагнитного, слабого и сильного), связываются с обменами другими частицами - переносчиками взаимодействий. В случае взаимодействия электрических зарядов (например, электронов) переносчиком является фотон (у-квант электромагнитного поля). Кроме электронов в природе существуют электрически заряженные более тяжелые частицы, мюон (//) и тау-лептон (т), также участвующие в электромагнитном и слабом взаимодействиях. Каждая из них имеет частицу-партнера - нейтрино (разновидностей нейтрино в природе три: ve, v/b vT). В дополнение к электрону, мюону, тау-лептону и соответствующим им трем типам нейтрино (эту шестерку частиц называют общим именем пептоны) в природе существуют дробнозаряженные кварки шести типов, обычно обозначаемые символами (u,d,c,s,b,t), с сильно отличающимися массами. Наиболее легкие кварки u и d с зарядами 2/3 и -1/3, соответственно, образуют связанные состояния p=(uud) с зарядом 2/3+2/3-1/3=1 и n=(udd) с зарядом 2/3-1/3-1/3=0, которые хорошо известны как протон и нейтрон, составляющие ядра атомов. В соответствии с представлениями о квантах - переносчиках взаимодействий, слабые взаимодействия между электронами, мюонами, нейтрино и кварками переносятся массивными частицами, которые называются W-бозоном и Z-бозоном. W-бозон имеет электрический заряд +1 или -1, равный по величине заряду электрона, а Z-бозон электрически нейтрален. Сильные взаимодействия между дробнозаряженными кварками переносятся безмассовыми частицами, называемыми глюонами. Например, u и d кварки внутри протона и нейтрона притягиваются друг к другу, непрерывно обмениваясь глюонами. Существенно, что различия масс в семействах шести кварков и шести лептонов огромны. Например, наиболее тяжелый кварк t имеет массу в 35000 раз больше, чем наиболее легкий кварк u. Масса электрона e в 3500 раз меньше массы тау-лептона т. Еще более впечатляют различия масс нейтрино и заряженных лептонов, например, массы нейтрино vT и тау-лептона т отличаются приблизительно в 10 миллиардов раз. Окружающая нас Вселенная состоит из частиц со сравнительно небольшой массой, а именно электронов e, электронных и мюонных нейтрино , ve и vu, фотонов у и двух типов "легких" кварков u и d, массы которых наименьшие из всей имеющейся "шестерки" кварков. Остальные лептоны и кварки гораздо тяжелее и обладают очень малым временем жизни, практически сразу распадаясь в легкие кварки, лептоны, фотоны и нейтрино. Они были получены искусственным путем на ускорителях частиц.
Откуда же берутся массы лептонов и кварков и чем объясняются огромные различия их по величине?
Чтобы объяснить возникновение масс лептонов и кварков, а также переносчиков слабого взаимодействия W, Z - бозонов, нужны дополнительные частицы, которые называются бозонами Хиггса . Теория электрослабого взаимодействия требует существования одного электрически нейтрального бозона Хиггса (H), но не исключено, что их может быть и больше.
По состоянию на июнь 2013 года ситуация такова:
Благодаря открытию бозона Хиггса, физики получили возможность напрямую измерять его свойства и сравнивать их с предсказаниями Стандартной модели. В целом, никакие измеренные свойства бозона Хиггса не показывают статистически значимого отклонения от Стандартной модели.
Все новые измерения процессов рождения тяжелых частиц Стандартной модели (W-бозонов, Z-бозонов, топ-кварков) находятся в полном согласии с предсказаниями.
На БАК впервые за десятилетия поисков был зарегистрирован сверхредкий распад Bs-мезонов: Bs → μ+μ–. С этим распадом связывают большие надежды на обнаружение ярких эффектов вне Стандартной модели.
Одно из событий рождения хиггсовского бозона и его распада на два фотона, зарегистрированных детектором CMS. Изображение из доклада 4 июля
|
