IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
О бозоне Хиггса и его роли в материальном мире
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
«Утверждение космического масштаба требует
космических усилий по их доказательству»
Карл Эдвард Саган
Введение
Мы живем в двадцать первом веке, года фундаментальная физика продолжает исследовать, как устроен окружающий нас мир, следуя Стандартной модели. Высокотехнологичные эксперименты и анализ полученных данных позволяют, превращая научные предсказания в реальность, совершать новые открытия в области элементарных частиц и квантовых технологий.
Бозон Хиггса, или как его еще называют «частица Бога», фундаментальная элементарная частица открыта в этом десятилетии (2012) с помощью Большого адронного коллайдера, хотя существование её было предсказано еще в 1964 году.
Во все времена теоретики и практики, учёные и инженеры по кусочкам собирают единый пазл, в котором заключены ответы на вопросы: «Как появилась Вселенная?», «Кто мы в этом мире?», «Почему разные частицы имеют разную массу?» и другие. Недавнее открытие, изучение свойств частицы и возможность выполнения уточнённых расчётов при исследовании свойств Вселенной определяет актуальность темы.Но как со всем этим связан бозон Хиггса? «Открытие бозона Хиггса «закроет двери» Стандартной модели–главной теории физики частиц, но может сильно повлиять на представления о характеристиках нашей Вселенной» - так считает нидерландский физик и лауреат нобелевской премии Мартинус Велтман.[1]
Необходимость ознакомления сверстников с открытиями в области физики элементарных частиц определяет, на мой взгляд, цель работы.
Гипотеза: открытие бозона Хиггса позволит человечеству приблизиться к ответам на вопросы мироздания, возникновения и строения материи.
Основная часть
Истоки открытия бозона Хиггса
В физике элементарных частиц огромное количество вопросов связано именно с массой частицы. Но что же вообще такое «частица» и «масса»?
Под термином «элементарная частица» мы понимаем микрообъект в субъядерном масштабе, который нельзя расщепить на более мелкие составляющие. Что же касается массы, хочется вспомнить, что физики различают два типа масс. Первая – гравитационная; масса, которая показывает, с какой силой одно тело притягивает к себе другое тело. Классический пример: гравитационное поле Земли, которое притягивает каждого из нас.
Вторая же масса – инерционная, это масса, которая характеризует динамические свойства тела, то есть его способность двигаться под действием силы или сопротивляться внешним воздействиям – полю.[2]
В известной во всем мире формуле Эйнштейна E = mc2, «m» - это именно инерционная масса частицы или физического тела. В какой-то мере, именно эта масса служит доказательством того, что пространство не является вакуумно-пустым, а в нем присутствуют элементарные частицы.
Еще в начале 1960-х годов у физиков была теория электромагнитного и слабого ядерного взаимодействия, которая играет важную роль в радиоактивных процессах, происходящих на Солнце. Ученые выявили, что оба взаимодействия в чем-то схожи, но их новая теория имела один изъян, следуя которому, частицы должны быть безмассовыми, хоть они и имеют массу.
В 1964 году физики-теоретики: Франсуа Энглер, Роберт Браут и Питер Хигс представили человечеству механизм Браута-Энглера-Хиггса. Особенность этого механизма заключалась в том, что элементарные частицы, которые переносят слабое взаимодействие, проходя сквозь поле, в дальнейшем названное полем Хиггса, приобретают массу, как и все частицы материи. Но в этих же условиях фотон, который переносит электромагнитное взаимодействие, останется безмассовым. Если говорить простым языком, то по механизму Браута-Энглера-Хиггса вакуум является своеобразной средой, которая полностью пронизана полем Хиггса. А частицы, которые проходят сквозь это поле, делятся на те, что взаимодействуют с ним, и те, у которых данное взаимодействие отсутствует. То есть, частицы, приобретают массу за счет взаимодействия со средой, а те, что движутся беспрепятственно, остаются безмассовыми частицами.[3]
Позвольте, проведу аналогию, чтобы вам было понятнее. Представьте огромное снежное поле, которое распространяется по всему миру и которое нужно пересечь, и это поле Хиггса.
Если человек заранее надел лыжи, то он будет скользить по поверхности этого снежного поля подобно частице, которая не взаимодействует с полем Хиггса, фотону, движущемуся со скоростью света и имеющему массу, равную нулю. Но если человек заранее выбрал снегоступы, то движение по снежному полю, в моем примере аналогу поля Хиггса, потребует от человека усилий. Элемент аналогии здесь - частица, масса которой не равна нулю. И, наконец, если человек, желая перейти поле, заранее надел обычные сапоги, то он будет проваливаться в снег, и передвижение будет очень медленным, как и для частиц с большой массой. Вы спросите: «Так какую же роль во всем этом играет бозон Хиггса и почему у частиц разная масса?» Всё потому, что снег состоит из снежинок. Так же и поле Хиггса состоит из бозонов Хиггса – аналогов тех самых снежинок в моей аналогии. А различия между массами частиц возникают, исходя из того, как между собой связаны кварки, и как следствие, как та или иная частица взаимодействует с полем Хиггса.[3]
После Большого Взрыва вся наша Вселенная была заполнена кварк-глюонной плазмой. Уже после двенадцати секунд, когда Вселенная стала расширяться и охлаждаться, частицы начали взаимодействовать с полем Хиггса. Механизм Браута-Энглера-Хиггса предполагает, что масса элементарных частиц зависит именно от того, насколько сильно частицы взаимодействуют с полем Хиггса. Благодаря данному механизму ученые поняли, что слабое взаимодействие вызвано W- и Z-бозонами, которые были открыты в 1983 году в Европейской организации по ядерным исследованиям.[4]
Также, новое поле должно было состоять еще из какой-то частицы, ранее неизвестной человечеству. И хоть ее масса была неизвестна, исследователи понимали, что она должна быть ниже одного тераэлектронвольта (ТэВ) – значения, которое значительно превышает возможные пределы ускорителя. Пройдет время, и эта частица получит название «Бозон Хиггса» или же «частица Бога» и станет самой востребованной частицей в физике элементарных частиц.
Механизм Браута-Энглера-Хиггса
В 1964 году физики-теоретики поняли, что слабая сила ядерных взаимодействий и электромагнитная сила очень тесно связаны между собой.
Забегая вперед и говоря о Стандартной модели, стоит сказать, что объединение этих двух сил подразумевает, что такие явления, как магнетизм, свет и некоторые виды радиоактивности являются проявлением электрослабых сил. Уравнения данной теории описывают электрослабую силу, а также W- и Z-бозоны и фотон – частицы, которые связаны с этой силой. Ложкой дегтя здесь является то, что по теории «все эти частицы появляются без массы». Это суждение является верным лишь для фотона, ведь у W- и Z-бозонов есть масса.
И вот, наконец, физики-теоретики Питер Хиггс, Франсуа Энглер и Роберт Браут взялись за решение этой проблемы, в результате чего и был создан механизм Браута-Энглера-Хиггса, объясняющий, как появляется масса у W- и Z-бозонов, когда те походят сквозь поле Хиггса.[5]
Стандартная модель. Бозон Хиггса. Антиматерия
Существует общепринятая теория о том, как наш мир устроен, если говорить о нем, как о самых маленьких частицах, что в него входят. Эта теория называется «Стандартная модель». Стандартная модель – это самый настоящий код ко всему, что есть на этом свете. Абсолютно все, что мы видим или чувствуем, состоит именно из этих элементарных частиц. Согласно данной теории, в нашем мире есть несколько разновидностей веществ, которые между собой постоянно реагируют.
Смысл Стандартной модели, разработанной в семидесятых годах прошлого, двадцатого века, заключается в том, что весь наш мир состоит из двенадцати элементарных частиц и четырех различных сил. К этим двенадцати частицам относятся шесть кварков и шесть лептонов.[4]
Кварки входят в состав протонов и нейтронов. В свою очередь, семейство лептонов включают в себя электрон и электронное нейтрино – аналог электрона, имеющий нейтральный заряд и образующийся на Солнце.
Кварки: прелестный, истинный, странный и очарованный, а так же мюоны и тау-лептоны существовали в виде материи лишь при зарождении вселенной. Сейчас их нет, но они могут быть получены в адронном коллайдере.
Если говорить о бозонах, то глюон отвечает за сильное взаимодействие. Подобно клею, он связывает кварки между собой внутри протонов и нейтронов. Фотон переносит электромагнитное взаимодействие, а именно свет, радиоволны, радиацию. В свою очередь, W- и Z-бозоны переносят слабое взаимодействие. Они отвечают за радиоактивный β-распад и термоядерную реакцию в центре Солнца. По мнению ученых, кварки и лептоны невозможно разделить на более мелкие составляющие. Наряду с двенадцатью элементарными частицами Стандартная модель признаёт четыре силы фундаментального взаимодействия: гравитационную, электромагнитную, а так же сильное и слабое взаимодействия.
Теории утверждают, что Стандартная модель, являлась очень эффективной, не была и не является идеальной по той причине, что не вписывалась в гравитацию. К сожалению, в данной модели не хватало одного очень важного элемента – бозона Хиггса.
Давайте же разберемся, что это за «частица Бога» и почему именно она играет такую важную роль в Стандартной модели?
По мнению ученых, каждой из четырех фундаментальных сил соответствует свой бозон, который переносит взаимодействие и действует на материю. Подобно другим полям, которые охватывают всю Вселенную, для поля Хиггса потребуется свой бозон, который будет переносить взаимодействие и воздействовать на другие частицы – бозон Хиггса. [6]
Если бы ученые могли экспериментально доказать наличие бозона Хиггса, то они могли бы спокойно выдохнуть, так как открытая ими частица объяснила бы, как появилась материя и почему, когда образовалась Вселенная, одни частицы получили массу, а другие, например, фотоны остались безмассовыми. Таким образом, для завершения Стандартной модели нужно найти ту самую «частицу Бога», которая способна придавать массу структурным элементам материи. [6]
И вот, величайшие умы - более двадцати тысяч инженеров и ученых со всей планеты собрались в ЦЕРНе – европейской организации по ядерным исследованиям, где под землей расположен Большой адронный коллайдер. Цель создания и работы данного ускорителя частиц состоит в том, чтобы определить составляющие бозона Хиггса. Энергия во время всех этих процессов настолько огромна, что, возможно, человечеству даже удастся открыть портал в другое измерение.
А теперь вернемся к стандартной модели. Мы, как и любое физическое тело вокруг, состоим из клеток, клетки из молекул, а они из атомов. Атомы, в свою очередь, состоят из электронных оболочек и маленького ядра в центре, а в нём - протоны и нейтроны. В начальном курсе школьной физике на этом останавливались. Но мы-то знаем, что протоны и нейтроны состоят из кварков, склеенных глюонами. Получается, что вся вселенная сосотоит из этих частиц. А вот частица, которая свяжет все это воедино – Бозон Хиггса.
Фермионы, бозоны и прочие элементарные частицы невозможно представить, или увидеть даже с помощью уникальных приборов. С ними вообще ничего нельзя сделать. Это магия, о которой можно говорить только на языке математических уравнений. Уравнение (фрагмент) Стандартной модели приведено в Приложении 1.
Снова вернемся к Стандартной модели: она не так проста и имеет обратную сторону. У каждой из этих частиц есть злые близнецы – частицы антиматерии, которые ничем не отличаются от соответствующих частиц, кроме знака заряда. Например, античастицей электрона является положительно заряженный электрон или позитрон. У протона – антипротон. У водорода – антиводород. Встреча материи и антиматерии заканчивается очень печально - они аннигилируют, вырабатывая колоссальное количество энергии. Антиматерию можно найти в космосе или произвести на фабрике антиматерий. Это самое дорогое вещество, которое знает человечество.[7]
Если говорить в двух словах, то антиматерию на фабриках получают так: антипротоны залетают в специальное приспособление почти на скорости света. Их нужно замедлить для того, чтобы провести исследование. Это делают в замедлителях. Каждый раз, когда протоны пролетают через них, они теряют энергию и замедляются в тысячу раз. Сильные магниты отталкивают частицы антиматерий от стен. Эта ловушка не дает антиматерии взаимодействовать с обычной материей.
Антиматерия в больших количествах опасна: при взаимодействии одного килограмма её с таким же количеством материи происходит взрыв мощностью в тысячу атомных бомб, сброшенных на Хиросиму. При таком столкновении не выделяется никакой радиации или отходов, происходит только чистый взрыв.[8]
Принцип работы Большого адронного коллайдера
Предлагаю в режиме виртуальной научной экскурсии знакомство с Большим адронным коллайдером, расположеным в Швейцарии, в Женеве, на котором и был зафиксирован бозон Хиггса.
Думаю, для начала нужно сообщить, что хоть идея по созданию Большого адронного коллайдера и родилась в 1984 году, одобрили ее лишь спустя десять лет. Строительство началось в 2001 году, а к сентябрю 2008 года двери Большого адронного коллайдера были открыты для величайших ученых со всей планеты, в том числе и для двенадцати российских институтов и двух федеральных ядерных центров: ВНИИТФ и ВНИИЯФ.[9]
Идея работы коллайдера заключается в том, чтобы разбить протоны и посмотреть, что из этого получится. Весь процесс начинается с баллона, в котором находится водород, атомы которого ионизируют – отрывают от них электрон. Затем их запускают в линейный ускоритель, далее в бустер, синхротрон, суперсинхротрон и, наконец, выпускают в главное кольцо длиной в двадцать семь километров. Здесь частицы разгоняются до скорости, которая лишь на 3,056 м/с меньше скорости света; и это максимальная скорость, которую сумел достичь человек в инженерно-технической системе. Внутри 27-километровой трубы находится такое количество магнитов, что их бы хватило, чтобы разогнать Боинг 747. Одни магниты ускоряют пучки, состоящие из тридцати протонов, а другие - удерживают частицы вместе, не давая им разлететься. Пучки разгоняют до колоссальной скорости, а потом сталкивают их друг с другом.[10]
Итак, мы виртуально разогнали и обеспечили мощнейшее в научной истории человечества столкновение элементарных частиц.
Теперь можно на фото увидеть, что для этих целей нужны детекторы, которых на коллайдере четыре.
Atlas – самый большой детектор (фото 3), на котором зафиксировали бозон Хиггса. На нём же интерпретируют большой взрыв в миниатюре
С помощью детектора LHCb изучают вопрос, почему антимир и мир несимметричны (фото 4)
Е
Еще один детектор адронного коллайдера (фото 5) CMS - компактный мюонный соленоид. На нем пиксельные и трековые детекторы отслеживают путь частиц, вылетающих при столкновении, а в калориметрах измеряется энергия поглощенных частиц.
Детектор Alice адронного коллайдера (фото 6) является настоящей машиной времени. Она переносит нас на четырнадцать миллиардов лет назад - в то время, пока атомы не сформировали молекулы, да и самих атомов не было. Благодаря Alice мы знаем, что в 0,000000000001 долю секунды после большого взрыва не было ни протонов, ни нейтронов, ни атомов в целом. Все их содержимое плавало отдельно, Вселенная была заполнена кварк-глюонной плазмой.
Внутри Alice температура доходит до отметки, превышающей температуру в ядре Солнца в сто тысяч раз. Так было при большом взрыве четырнадцать миллиардов лет назад, так происходит и сейчас. Но чтобы достичь такой температуры протонов не хватит, поэтому в Alice сталкивают ядра свинца – самого тяжелого из стабильных элементов, и таких столкновений в секунду происходят миллионы.[11]
В ходе таких столкновений ученые пытались обнаружить бозон Хиггса. Весомой проблемой в данном эксперименте оказался тот факт , что существование частицы можно подтвердить лишь косвенно, так как время существования бозона Хиггса составляет 1,56*10-22 секунды. К счастью для ученых, «частица Бога» не пропадает бесследно, а ее существование может быть доказано образовавшимися продуктами распада.
Таким образом, важнейшая элементарная частица может распадаться с различными комбинациями частиц, таких, как кварк, антикварк, дублирующие WW- или ZZ- бозоны, а также тау-частицы.
Второй проблемой, возникшей в ходе экспериментальных открытий стало то, что и другие частицы также могут распадаться на те же составляющие, что и бозон Хиггса, а в некоторых случаях аппаратура и вовсе не успевает зафиксировать «частицу Бога».
Полгода испытаний и миллионы столкновений в секунду дали свои плоды: бозон Хиггса был открыт!
Питер Хиггс
Он вместе с Франсуа Энглером стал лауреатом Нобелевской премии по физике в 2013 году за предсказание и открытие бозона, названного его именем. Ученый, который предсказал существование уникальной элементарной частицы задолго до ее открытия, внес огромный вклад в развитие физики элементарных частиц.
Питер Хиггс - британский физик-теоретик, член Королевского Общества Эдинбурга и член Лондонского королевского общества, родился 29 мая 1929 года; сегодня он - профессор в отставке в Эдинбургском университете.[12]
Долгожданный момент объявления массы бозона
Бозон Хиггса – последний фрагмент в необычном пазле под названием «Стандартная модель». Определение его массы даст ответ на вопросы: «Есть ли еще что-то за пределами этой таблицы и что предстоит открыть человечеству?», и главное, на вопрос: «В какой Вселенной мы живем?»
Если масса бозона Хиггса окажется равной 115ГэВ (гигаэлектронвольт), то будет верна теория суперсимметрии. Суперсимметрия – это симметрия материи и взаимодействия. В суперсимметрии все еще раз переворачивается. У каждой частицы стандартной модели появляется суперсимметричный партнер. Их функции меняются полностью. Если в нашем мире фермионы – это кирпичики, а бозоны – это строители, которые их выстраивают, то в суперсимметричном мире все наоборот – кирпичики будут выстраивать строителей. Но если масса бозона Хиггса окажется 140ГэВ (гигаэлектронвольт), то верна другая теория, о том, что наш мир не единственный, и мы живем в мультивселенной, где, например, не учителя учат учеников, а наоборот.[4]
Все решилось 4 июля 2012 года. В Швейцарии произошло самое главное событие в физике электромагнитных частиц – открытие бозона Хиггса и объявление его массы. Вопрос в какой Вселенной мы живем зависел от того, какова масса бозона Хиггса и есть ли он вообще?
В этот день в девять часов поутру началась конференция, в ходе которой было озвучено: масса бозона Хиггса - 125 ГэВ (гигаэлектровольт). Все были, несомненно, рады и все причастные к великому открытию ликовали от счастья, пожимая друг другу руки. Очевидцы рассказывают, что во время всеобщего ликования один пожилой мужчина плакал. Его звали Питер Хиггс. Он не надеялся дожить до этого момента. Тот самый бозон, за которым охотились ученые, был открыт; а теория, которую он создал более полувека назад, оказалась верна. Произошло важнейшее открытие в физике 21 века, которое оставило ученых в недоумении. Дело в том, что они ждали результата – частицы массой в 115 ГэВ или в 140 ГэВ, но монета упала на ребро – результат оказался посередине.[13]
Открытие бозона Хиггса стало одним из главных открытий двадцать первого века, которое дало ученым возможность значительно лучше понимать то, как устроен наш мир. И если бы не бозон Хиггса, то все элементарные частицы были бы безмассовыми. Следовательно, не было вообще ничего из того, что мы сегодня наблюдаем, а значит и всей Вселенной.
Открытие бозона позволило понять, как энергия превращается в материю. Теория же о строении Вселенной – Стандартная модель физики получила недостающее и очень важное звено.
Заключение
Бозон Хиггса - поистине величайшее открытие в истории человечества, которое приблизило нас к ответу на такие вопросы, как «Кто мы?» «Как появляется масса у элементарных частиц?». Но как бозон Хиггса может быть полезен человечеству?
Сегодня человеческий разум не знает, как использовать поле Хиггса в своих целях. Мы не можем утверждать, что человечество сможет контролировать его, выключать и включать в удобный для себя момент, но мы можем помечтать об этом.
Возможно, мы научимся отключать поле Хиггса для неблагоприятных или нежелательных для нас объектов. Так, например, мы сможем выключить поле Хиггса для астероида, который будет опасно приближаться к нашей планете. Таким образом, глюоны не будут удерживать между собой кварки, и космический камень распадется.
Несмотря на то, что поле Хиггса с помощью бозонов Хиггса придает массу почти всем элементарным частицам, мы не можем увеличивать или уменьшать массу желаемого объекта. Ведь у каждой частицы имеется своя определенная масса. Аналогией здесь является молярная масса вещества, при увеличении или уменьшении которой мы не можем увеличить само вещество. Так, например, мы знаем, что молярная масса воды равна 18 г/моль. Если мы увеличим её хотя бы на единицу, то получим уже не воду.
Так и с бозонами Хиггса. При увеличении массы частицы, которая взаимодействует с полем Хиггса, мы получим абсолютно другую частицу, но никак не увеличим массу тела, которое состоит из данных частиц.
Выполняя работу, 10 мая 2020 года я побывал на прямом эфире Бояршинова Бориса Сергеевича – профессора, кандидата технических наук, доцента кафедры прикладной математики и информатики МГГУ. Во время трансляции задал ВКонтакте вопрос, касающийся практического применения бозона Хиггса в нашей жизни. Он ответил, что так какового, применения «частицы Бога» пока нет.[14] Вопрос остается открытым…
Список использованных источников и литературы
Открытие бозона Хиггса «закроет двери» Стандартной модели https://ria.ru/20120703/690837127.html
Философия 2009. Вейник В.А., «Материя, масса и частицы» http://www.veinik.ru/science/phil/article/824.html
Бозон Хиггса https://postnauka.ru/video/99292
Бозон Хиггса открыт. Что дальше? https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/434183/Bozon_Khiggsa_otkryt_Chto_dalshe
История поисков бозона Хиггса https://ria.ru/20140704/1014440215.html
Бозон Хиггса http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e178.htm
Физики перевезут антиматерию на грузовике https://nplus1.ru/blog/2018/03/02/antimatter-truck
Антивещество https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%B5%D1%89%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE
Большой адронный коллайдер https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%88%D0%BE%D0%B9_%D0%B0%D0%B4%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%BB%D0%B0%D0%B9%D0%B4%D0%B5%D1%80
Принцип работы Большого адронного коллайдера https://sites.google.com/site/compseticollaidera/princip-raboty-bolsogo-andronnogo-kollajdera
Alice (эксперимент LHC) https://ru.wikipedia.org/wiki/ALICE_(%D1%8D%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82_LHC)
Питер Хиггс https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D0%B8%D0%B3%D0%B3%D1%81,_%D0%9F%D0%B8%D1%82%D0%B5%D1%80
Долгожданное открытие: бозон Хиггса https://www.nkj.ru/archive/articles/21175/
Страница Бояршинова Бориса Сергеевича ВКонтакте https://vk.com/id295031805
Приложение 1
Уравнение Стандартной модели (фрагмент)