Десятилетие поисков бозона Хиггса

Почти два года назад на Большом адронном коллайдере начали поиски бозона Хиггса. Однако в действительности охота на бозон Хиггса началась десятки лет назад, когда для того, чтобы составить головоломку вместе не хватало не только этого бозона.

Интригующая симметрия

Поиски начались с симметрии, эстетически приятного понятия того, что что-то можно перевернуть, но оно останется таким же. Мы ежедневно сталкиваемся с тем, что силы природы работают одинаково, если поменять местами левую и правую сторону; ученые открыли, что это так же верно на субатомном уровне, когда положительный заряд меняется на негативный и даже когда поток времени изменяет свое направление. Этот принцип, казалось, поддерживается характеру действия менее трех из четырех основных сил, которые управляют взаимодействием материи и энергии.

В 1956 году, Ли Цзун-Дао из Университета Колумбии и Чженьнин Янг с Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовали статью, в которой задавали вопросы, действует ли особая форма симметрии, вызывающая распад ядра. И они надеялись найти ее.

Ву Цзяньсюнь, коллега Ли из Колумбийского Университета приняла вызов. Она на примере распада кобальта-60 показала, что слабые силы в действительности сильно отличаются у частиц, с правым и левым спином.

Эти знания вместе с еще одним недостающим элементом заставили физиков-теоретиков предсказать существование новой частицы: бозона Хиггса.

Откуда берется масса?

В 1957 году было обнаружено один ключик. Джон Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер предложили теорию, которая объясняла сверхпроводимость, что позволяет некоторым материалам проводить электрический ток без сопротивления. Однако их теория БКШ (BCS), названа по инициалам открывателей, также содержала нечто важное для физиков частиц: концепт, названный спонтанным нарушением симметрии.

Сверхпроводники содержат пару электронов, проникающих в металл, и предоставляют массу фотонам, которые проходят по материалу. Теоретики полагали, что этот феномен можно использовать как модель для объяснения того, как элементарные частицы приобретают массу.

В 1964 три группы теоретиков опубликовали три отдельные статьи в престижном физическом журнале Physical Review Letters. Этими учеными был Питер Хиггс; Роберт Браут и Франсуа Энглерт, а также Карл Хаген, Джеральд Гуральник и Том Кибл. Вместе статьи показывали, что нарушение спонтанной симметрии действительно может оказывать массы частицам, не повреждая специальной теории относительности.

В 1967 Стивен Вайнберг и Абдус Салам составили кусочки воедино. Работая с более ранней гипотезой Шелдона Глазго, они независимо разработали теорию слабых взаимодействий, известную как теория ГИС (GWS), которая включает зеркальную асимметрию и предоставляет массы всем частицам поля, пронизывающего все пространство. Это явление назвали полем Хиггса. Теория была сложной и не воспринималась всерьез несколько лет. Однако, в 1971 Герард ‘т Гофт и Мартинус Вельтман решили математическую часть теории, и она сразу стала лучшим объяснением слабых взаимодействий.

Теперь пришло время браться экспериментаторам. Их задача: найти частицу бозон Хиггса, который может существовать только в том случае, если поле Хиггса действительно пронизывает Вселенную, предоставляя массы всем частицам.

Начало охоты

Конкретное описание частицы Хиггса и мнения относительно того, где ее искать начали появляться в 1976 году. Например, физик из лаборатории SLAC Джеймс Бйоркен предложил искать частицу Хиггса в продуктах распада бозона Z, существование которого допускалось теорией, однако подтвердилось на практике лишь в 1983 году.

Хорошо известное уравнение Эйнштейна, E = mc2 имеет глубокие последствия для физики элементарных частиц. В основном это означает, что масса равна энергии, однако в действительности для физиков частиц оно означает, что чем больше масса частицы, тем больше требуется энергии для ее создания и тем большим должен быть прибор, которым эту частицу надо искать.

До 1980х годов, оставалось найти только четыре тяжелые частицы: верхний кварк и бозоны W, Z и Хиггса.

В 1987 был создан коллайдер «Cornell Electron Storage Ring» для прямого поиска бозона Хиггса, исключая возможность того, что его масса слишком мала. В 1989 году эксперименты в SLAC и ЦЕРНе дали точные измерения свойств бозона Z. Эти эксперименты укрепили теорию GWS слабых взаимодействий и издали ряд ограничений относительно возможного диапазона масс бозона Хиггса.

Впоследствии, в 1995 году физики из Тэватрон Фермилабе нашли наиболее массивный кварк – верхний кварк, и для полной картинки Стандартной модели хватало только бозона Хиггса.

Сужая кольцо

Во время 2000х годов, физиками частиц господствовала идея поиска бозона Хиггса, для этого использовали все возможные средства, но, не имея коллайдера, который мог бы развить достаточную энергию, все проблески этого бозона оставались лишь проблесками. В 2000 году физики из Большого электрон-позитронного коллайдера (LEP) безуспешно искали бозон Хиггса массой до 114 ГэВ. Впоследствии LEP закрыли, чтобы начать строительство Большого адронного коллайдера, который будет направлять протоны в лобовое столкновение с гораздо большими энергиями, чем когда-либо до того времени.

Во время 2000х годов, ученые из Тэватрон делали героические усилия для преодоления нехватки энергии накоплением большего количества данных и лучшими способами их толкования. На момент официального начала исследовательской работы БАКа в 2010 году Тэватрон сумел сузить рамки поиска, и не открыл сам бозон. В 2011 Теватрон был закрыт, но исследователи получили огромный массив данных и детальный анализ давал только немножко лучше приближение к недостижимому бозону Хиггса.

В 2011 году ученые во время двух крупных экспериментов БАКа, ATLAS и CMS анонсировали, что уже вплотную подошли к открытию бозона.

Недавно они сделали еще одно заявление: они открыли новый бозон – то, что может, после проведения дополнительных исследований, стать долгожданным подтверждением существования поля Хиггса.

Открытие Хиггса может начать новую эру в физике. Головоломка на самом деле намного больше, чем одна частица; темная материя и темная энергия, и возможная суперсимметрия продолжают манить исследователей, даже после дополнения Стандартной модели. Поскольку поле Хиггса связано со всеми другими загадками, мы не сможем решить их, пока не узнаем его истинную природу. Голубое – это небо или море? Это сад, дорога, или дом, или лодка? И как он действительно связан с остальными головоломками?

Вселенная ждет.

Поделиться с друзьями:

Также интересно:


Вы можете следить за обсуждением этой записи с помощью RSS 2.0. Вы можете оставить комментарий, или trackback с вашего сайта.
Оставить комментарий