"Частинка Бога": що таке бозон Гіґґса і чому він має найважливіше значення для фізики

8 квітня у віці 94 років помер британський фізик Пітер Гіґґс, який першим запропонував теорію про існування такої елементарної частинки, як бозон Гіґґса. Це частинка поля Гіґґса, яке відповідає за те, що елементарні частинки мають масу. Уперше бозон Гіґґса виявили тільки 2012 року на Великому адронному колайдері (ВАК), хоча британський фізик передбачив його існування ще в середині 60-х років минулого століття. Експерименти на ВАК підтвердили не тільки існування бозона Гіґґса, а й поля Гіґґса, і в такий спосіб було завершено Стандартну модель фізики елементарних частинок, пише Space.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Що таке бозон Гіґґса?

Бозон Гіґґса — це елементарна частинка, пов'язана з полем Гіґґса. Це квантове збудження цього поля, схоже на брижі на поверхні озера. Частинка не має ні квантових властивостей елементарної матерії, ні властивостей носіїв квантових взаємодій, як-от електромагнітна сила, слабка взаємодія або ядерні взаємодії. Поле Гіґґса надає масу частинкам, коли вони вступають у взаємодію з ним.

Бозон Гіґґса має масу 125 гігаелектронвольт, а значить він важчий за протон у 130 разів. У цієї частинки немає заряду і це єдина частинка, яка не має спіна, тобто квантово-механічного еквівалента кутового моменту.

Бозон Гіґґса є переносником сили, яка починає діяти, коли частинки взаємодіють одна з одною, причому під час цієї взаємодії відбувається обмін бозоном. Коли два електрони взаємодіють, вони обмінюються фотоном, тобто часткою-переносником сили електромагнітного поля.

Хто першим запропонував теорію про бозон Гіґґса?

Існування бозона Гіґґса запропонував у середині 60-х років минулого століття британський фізик Пітер Гіґґс. Ця частинка є наслідком механізму порушення симетрії. Без цього механізму здавалося неможливим побудувати теорію фундаментальних взаємодій, справедливу на всіх енергетичних рівнях. Зокрема, неможливо було пояснити існування слабкої взаємодії, яка діє лише на дуже коротких відстанях і відповідальна за радіоактивність усередині ядра атома.

Чому бозон Гіґґса називають "частинкою Бога"?

Це прізвисько закріпилося в масовій свідомості завдяки ЗМІ, хоча фізикам дуже не подобається те, що фундаментальну частинку Всесвіту порівнюють із релігією.

Походження назви "частинка Бога" пов'язують із тим, що фізик Леон Ледерман назвав бозон Гіґґса "проклятою частинкою", адже її дуже складно виявити. Ледерман написав книгу, яка мала називатися "Проклята частинка", але видавці вирішили, що назва "Частинка Бога" звучить краще. Тут важливо пояснити, що англійською початкова назва звучала як Goddamn Particle, а видавці прибрали 4 літери в першому слові і назва отримала зовсім інше значення.

Чому бозон Гіґґса має найважливіше значення для фізики?

Поле Гіґґса зіграло вирішальну роль у перші миті після народження Всесвіту, оскільки воно визначає саму природу вакууму, що заповнює простір-час. Воно уможливлює існування матерії та взаємодій у тому вигляді, в якому ми їх знаємо, і відповідає за появу маси всіх відомих елементарних частинок. Без поля Гіґґса і без бозона Гіґґса у Всесвіті просто не було б ні хімічних елементів, ні зірок, ні життя.

Як виявили бозон Гіґґса?

Бозон Гіґґса відкрили на Великому адронному колайдері 2012 року, про що фізики з ЦЕРН повідомили 4 липня. Але частинки існували тільки у високоенергетичних умовах раннього Всесвіту, а отже потрібно було створити такі самі умови на ВАК. Це зробили вчені за допомогою запуску пучків протонів з майже швидкістю світла, які стикалися один з одним. У результаті з'явився каскад частинок, які швидко розпадалися на легші частинки.

Бозон Гіґґса розпадається занадто швидко, його середній час життя становить від однієї до двох десятитисячних мільярдної мільярдної частки секунди. Тому він був ідентифікований шляхом виявлення розпаду частинок, який вказував на частинку без спіна і відповідав теоретичним передбаченням.

Бозон Гіґґса і Стандартна модель фізики елементарних частинок

Відкриття бозона Гіґґса завершило Стандартну модель фізики елементарних частинок, яка є найкращим описом відомого субатомного світу. Але за межами цієї моделі все ще залишаються такі загадки, як природа темної матерії, яку бозон Гіґґса може допомогти вирішити.

Майбутні модернізації ВАК дадуть змогу фізикам проводити більше зіткнень протонів, отже, можна буде виявити екзотичні фізичні явища, які виходять за межі Стандартної моделі. Теорії, які виходять за межі Стандартної моделі фізики елементарних частинок, передбачають існування до п'яти різних типів бозонів Гіґґса.

Як уже писав Фокус, фізики нарешті змогли підтвердити 90-річну теорію про існування особливої форми матерії, яка складається тільки з електронів.