Если вы читаете эту статью, значит уже что-то слышали о бозоне Хиггса. И вероятно слышали, что его открытие стало одним из самых сенсационных событий, произошедших в современной науке. Без преувеличения.
Главным тут является идея, что бозон Хиггса ответственен за всю массу во Вселенной. (К слову сказать, это не совсем так, но это другая тема.) И сейчас я постараюсь объяснить суть этого замечательного бозона на понятном для большинства людей языке.
Стандартная модель элементарных частиц
Итак, вероятно, вы уже знаете о четырех фундаментальных силах, которые существуют в природе: гравитация и электромагнетизм, действующие на больших расстояниях, и сильные и слабые взаимодействия, действующие в крошечных, субатомных масштабах.
Стандартная модель элементарных частиц связывает три из этих сил со всеми известными элементарными частицами. Это широко принятая структура для понимания почти всего во Вселенной, за исключением гравитации, которая плетется немного позади. Или далеко позади. Или совсем позади. Но не суть, это сейчас не важно.
Стандартная модель описывает два класса частиц: частицы материи и бозоны.
Частицы материи – это электроны, протоны, нейтроны и нейтрино. Между ними существуют слабые и сильные электромагнитные взаимодействия, о которых упоминалось выше. Вторые – это фотоны, глюоны, мезоны, бозоны и… Что бы вы думали? ТАДАМ!!! Наш любимый бозон Хиггса.
Поле Хиггса
Теперь, прежде чем идти дальше, надо еще кое-что понять, а именно – концепцию поля Хиггса. Поле Хиггса пронизывает все пространство во Вселенной, и в отличие от других квантовых полей имеет НЕ нулевое значение. Его можно рассматривать, как поле, состоящее из бозонов Хиггса в качестве базовой единицы, так же как вода имеет молекулу H2О в качестве своей базовой единицы.
Пример для наглядности — представьте себе поле Хиггса как невидимую сеть, паутину, простирающуюся по всему пространству во всех направлениях. Возмущения в этой паутине при движении частиц сквозь нее приводят к тому, что они приобретают массу. Квантовая механика утверждает, что эти возмущения происходят только на дискретных уровнях, и наименьшее возможное возмущение обусловлено бозоном Хиггса. Когда частицы проходят через эту паутину, некоторые взаимодействуют с ней таким образом, что начинают набирать массу и замедляться. Такие частицы называют фермионами. Другие частицы — фотоны, глюоны — движутся через сеть без изменений.
Этот процесс называется нарушением симметрии и это можно сравнить с преломлением света в призме. В вакууме весь свет движется с одинаковой скоростью… но, когда он попадает в призму, он разделяется на составляющие его длины волн. Конечно, эта аналогия крайне ограничена, и все длины волн света существуют независимо от взаимодействия с призмой. Но ради образности, как призма нарушает симметрию скорости видимого света, так же и поле Хиггса нарушает симметрию массы ранее безмассовых частиц.
Давайте рассмотрим этот случай нарушения симметрии немного подробнее.
Возьмем, к примеру, шар на вершине холма, окруженный двумя долинами с обеих сторон. В настоящее время шар находится в положении с наивысшей потенциальной энергией. Его положение крайне неустойчивое, и даже очень небольшое возмущение может привести к падению шара в один из двух устойчивых колодцев (или энергетических минимумов) по обе стороны от него.
Теперь, вместо того, чтобы представлять себе шар, подверженный гравитационному полю Земли, подумайте об этом в контексте поля Хиггса. Поля, такие как поле Хиггса, переносят кинетическую энергию (например, в форме волны, как в случае с электромагнитным излучением), и когда оно взаимодействует само с собой, оно создает области локальных минимумов.
Потенциал поля Хиггса
Потенциал поля Хиггса немного странный и имеет два энергетических минимума, окружающих центральный пик.
На этом изображении сплошная линия — это 1D-версия потенциала Хиггса , а ось Y связана с потенциальной энергией в этой позиции. Рассматривая точки минимума энергии, вы можете увидеть, что они не соответствуют нулю напряженности поля, который находится в центре графика. Спонтанно Хиггс нарушит свою собственную симметрию и упадет в это низкоэнергетическое состояние, как и мяч.
Итак, поле Хиггса, висящее само по себе, имеет странное самовзаимодействие, где оно спонтанно нарушает свою собственную симметрию. Поскольку состояние с самой низкой энергией возникает в точке, где напряженность поля Хиггса НЕ равна нулю, оно может взаимодействовать с другими полями в любой точке пространства-времени, позволяя фермионам (частицам материи) отскакивать от него и становиться массивными.
Особенности бозона Хиггса
Бозон Хиггса настолько нестабилен, что для его наблюдения необходимо создавать возмущения, что требует очень много энергии в очень маленьком пространстве. Эксперименты на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе подтвердили его существование в 2012 году. Это имело решающее значение для завершения текущей Стандартной модели и дальнейшего понимания основ Вселенной.
Ну и на закуску…
Все, что я сказал выше, было упрощенным изложением довольно сложных вещей. Трудно выразить словами то, для чего у нас нет пока слов. Мы описываем бозон Хиггса как элементарную частицу, потому что это самый близкий к нему рабочий термин, который мы можем использовать. Но у бозона Хиггса нет заряда, и мы не можем наблюдать его напрямую (он виден только через продукты своего распада). Более того, это единственная элементарная частица без спина. Поэтому аналогии могут помочь только до определенной степени, чтобы понять все это…
Но в какой-то момент просто приходится все же признать, что бозон Хиггса — это какая-то странная и непонятная фигня, которая происходит во Вселенной, но от которой очень, ОЧЕНЬ много чего зависит.
Как-то так…
