Выбор редакции

Краткое руководство по применению бозона Хиггса в застольной беседе

Оригинал взят у std121 в Краткое руководство по применению бозона Хиггса в застольной беседе



http://science.compulenta.ru/692043/

Краткое руководство по применению бозона Хиггса в застольной беседе

 Дмитрий Целиков 

Итак, учёные, работающие с крупнейшим в мире ускорителем, объявили об открытии субатомной частицы, которая выглядит удивительно похожей на долгожданный бозон Хиггса. СМИ всего мира сбились с ног, разъясняя, что это значит, публике, со школы не державшей в руках учебник по физике. Британская The Guardian даже предложила читателям выучить набор фраз, которыми надлежит пользоваться в присутствии ничего не понимающих родителей, всё понимающих физиков или равнодушных к происходящему верующих.

Если вы действительно хотите произвести впечатление, то выражайтесь примерно так: «Бозон Хиггса является элементарной скалярной частицей, впервые постулированной в 1962 году как возможный побочный механизм, с помощью которого гипотетическое повсеместно присутствующее квантовое поле — так называемое поле Хиггса — придаёт массу элементарным частицам. Если быть более точным, в Стандартной модели физики элементарных частиц существование бозона Хиггса объясняет происхождение спонтанного нарушения электрослабой симметрии в природе».

Джо Инкандела (коллаборация CMS) и Фабьола Джанотти (коллаборация ATLAS) объявляют об открытии нового бозона, который сильно напоминает частицу Хиггса. (Здесь и ниже фото CERN / CMS Collaboration.)
Джо Инкандела (коллаборация CMS) и Фабьола Джанотти (коллаборация ATLAS) объявляют об открытии нового бозона, который сильно напоминает частицу Хиггса. (Здесь и ниже фото CERN / CMS Collaboration.)

Людям, честно пытающимся понять, почему физики прыгают от радости, но очень слабо знакомым с наукой, можно предложить такое объяснение: «Всё состоит из атомов, внутри атомов находятся электроны, протоны и нейтроны, которые, в свою очередь, состоят из кварков и других субатомных частиц. Учёные долго ломали голову над тем, каким образом эти крошечные строительные блоки Вселенной приобретают массу, ведь без массы частицы не могли бы удерживаться вместе и в мире ничего бы не было: все частицы продолжали бы лететь со скоростью света».



Если вопросы не иссякнут, продолжайте так: «В 1960-х годах английский физик Питер Хиггс и две независимые от него и друг от друга исследовательские группы из Бельгии и США выдвинули гипотезу о существовании частицы, создающей особое "липкое" поле, которое тормозит остальные частицы. Эксперименты, проведённые в Европейском центре ядерных исследований (CERN) на Большом адронном коллайдере, в ходе которых элементарные частицы сталкивались на огромных скоростях и распадались на другие частицы, позволили обнаружить намёк на существование частицы, которая очень похожа на предсказанный бозон Хиггса».

Далее не забудьте рассказать о том, что хиггсовская частица входит в огромное количество уравнений, лежащих в основе теорий, которые объясняют существование мироздания в том виде, в каком мы его имеем здесь и сейчас. Если бы гипотеза о бозоне Хиггса оказалась ошибкой, все эти теории пришлось бы кардинальным образом пересмотреть. В то же время вам следует отметить, что характеристики обнаруженной частицы слегка расходятся с предсказаниями Стандартной модели физики элементарных частиц. Это даже хорошо, ибо тем самым появляется возможность новых открытий, в том числе в рамках теории суперсимметрии, которая говорит о том, что частицы существуют не в парах (материя — антиматерия), а в четвёрках.

О важности открытия можно судить и по высказыванию Мартинуса Велтмана, лауреата Нобелевской премии 1999 года, который в своё время заявил, что до обнаружения бозона Хиггса в рамках Стандартной модели сделать больше ничего нельзя.

Франсуа Энглер (слева) и Питер Хиггс принимают поздравления.
Франсуа Энглер (слева) и Питер Хиггс принимают поздравления.

Затем подуставший собеседник, скорее всего, поинтересуется, какая из этого следует выгода. Если он не страдает слабоумием и хотя бы немного образован, ему не надо объяснять, что жизнь человека не ограничивается исключительно практической деятельностью, а потому не имеет смысла требовать этого от науки. Но заданный вопрос имеет право на существование, и вы можете с чистой совестью сказать, что прямых практических следствий у этого открытия нет. Но косвенным образом именно поиск бозона Хиггса в значительной степени перевернул нашу жизнь. Дело в том, что этим занимались тысячи учёных и вспомогательный персонал со всего мира. Им надо было сделать более эффективным процесс обмена информацией — так появилась Всемирная паутина, то есть всем нам знакомый Интернет. Кроме того, приходилось обрабатывать огромные объёмы данных — в результате была разработана технология распределённых вычислений, когда задачу, непосильную для одного компьютера, решают сотни и тысячи машин, разбросанных по всему миру. Наконец, поиск бозона Хиггса позволил сделать важные шаги в развитии методов захвата солнечной энергии, рентгенографии и протонной терапии, используемой в онкологии.

Что же касается теоретического значения, то открытие бозона Хиггса способно пролить свет не только на вопросы физики элементарных частиц, но и на космологические проблемы, связанные с инфляционной модельюбарионной асимметриейтёмной материей, ускорением расширения Вселенной.

После этого уже не стыдно говорить о том, что Большой адронный коллайдер «съел» около $10 млрд.

Питер Хиггс поздравляет Фабьолу Джанотти.

В продолжение разговора, между делом, можете упомянуть, что 83-летний Питер Хиггс жив и сильно стесняется, когда бозон называют его именем. В то же время он как старый атеист не согласен и с обозначением бозона как «частицы Бога», в шутку предложенным физиком Леоном Ледерманом.

Изо всей великолепной «шестёрки» учёных, постулировавших хиггсовскую частицу, скончался (да и то лишь в 2011-м, в 82 года) только бельгиец Роберт Браут. Его соратник Франсуа Энглер (79 лет) вместе с Хиггсом присутствовал в ЦЕРНе на объявлении исторических результатов. Живы и участники третьей группы — американцы Джеральд Гуральник (75), Карл «Дик» Хаген (75) и британец Том Киббл (80). Нобелевскому комитету предстоит трудная задача, ведь премию разрешается разделить только между тремя лауреатами. А почтить вниманием следует также заслуги тех, кто руководил экспериментами на Большом адронном коллайдере и анализом полученных данных. (И то, что Хиггс, Энглер и Браут в 2004-м получили Премию Вольфа, вторую по престижности после Нобелевской, не должно играть никакой роли, ибо наград мало не бывает.)

К счастью для жюри, американец Филип Андерсон (88 лет и тоже жив), предложивший то, что позднее стало называться механизмом Хиггса, Нобелевскую премию уже получил — в 1977-м.

Овация. Победно вскинул руку научный директор CERN Лин Эванс.

Кстати, церемония (точнее, всего лишь семинар) в ЦЕРНе (и об этом тоже можете рассказать) совпала с проведением в Линдау (ФРГ) 62-й встречи лауреатов Нобелевской премии. Конечно, участники конференции не смогли обойти стороной это событие. Дэвид Гросс, награждённый в 2004 году, напомнил, что открыт не бозон Хиггса, а хиггсовская частица: «It’s not THE Higgs boson but A Higgs». Чтобы доказать, что это именно бозон Хиггса, предсказанный простейшим вариантом Стандартной модели, исследователям надо измерить (что вполне возможно в течение следующих трёх месяцев работы БАКа) две вещи — спин и скорость распада относительно массы парной частицы.

Три месяца спустя БАК будет остановлен для планового ремонта на два года, а затем сможет работать на более высоких энергиях. Что дальше? Участники конференции указали друг другу на тот факт, что полученные результаты не только усиливают позиции Стандартной модели, но и поднимают новые вопросы. Г-н Гросс высказался в том духе, что впереди исследования «хиггсовского сектора». По его словам, коллайдер охватил пока лишь 2% событий, подлежащие регистрации в течение всей программы экспериментов, для которой его построили. Лучше всего, говорит г-н Гросс, свойства новой частицы прояснили бы столкновения электронов и позитронов, но осуществить это на БАКе очень трудно. Прекрасный повод для создания нового ускорителя!

В центре — генеральный директор CERN Рольф Хойер.

Подготовлено по материалам Ассошиэйтед ПрессФранс ПрессThe Guardian и Scientific American.

http://www.ria.ru/spravka/20120703/691050600.html

История поисков бозона Хиггса



Физики Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) утром в среду поставили точку в полувековых поисках бозона Хиггса, сообщив о новых результатах, полученных на Большом адронном коллайдере.

Бозон Хиггса - последний недостающий элемент современной теории элементарных частиц, так называемой Стандартной модели, объединяющей все виды взаимодействий, кроме гравитационного - сильное (связывающее кварки в протонах и нейтронах), слабое (взаимодействие между электронами и нейтрино) и электромагнитное. О факте существования бозона Хиггса, который отвечает за массу элементарных частиц, впервые высказал предположение английский физик Питер Хиггс в 1960-е годы.

Устройство материи согласно Стандартной модели

Согласно принципам Стандартной модели, в момент рождения Вселенной после Большого взрыва частицы приобрели массу под действием Хиггсовского поля, сформированного бозонами Хиггса. Без этого поля не могло бы произойти образование атомов, а частицы, не имеющие массу, просто разлетелись бы по космическому пространству. Согласно теории, неуловимые бозоны Хиггса существуют везде. Через поле Хиггса, заполняющее пространство Вселенной, проходят абсолютно все частицы, из которых строятся атомы, молекулы, ткани и целые живые организмы.

Обнаружить бозон Хиггса, который получил в СМИ название "частицы Бога", пока не удалось, хотя этим занимаются ученые многих стран. Если бозон Хиггса не будет обнаружен, это докажет ограниченность Стандартной модели. В результате возникнет необходимость поиска альтернативной теории происхождения массы в соответствии с так называемой новой физикой.

Теория не позволяет точно установить массу бозона, поэтому для его обнаружения ученые прибегли к методу эксперимента. Массы частиц физики измеряют в единицах энергии - электронвольтах. Значение массы в 100 гигаэлектронвольт (ГэВ) примерно в 107 раз больше массы протона.

Согласно теоретическим предсказаниям, бозон Хиггса распадается сразу же после рождения на разные частицы. Одним из способов ("каналов") такого распада может быть распад на два Z-бозона, четыре лептона (электрона или мюона), на два гамма-кванта. Поэтому в экспериментах регистрируются частицы - продукты распада бозона Хиггса, и уже по ним восстанавливается картина того, что произошло.

Первые серьезные попытки отловить бозон Хиггса были предприняты на рубеже ХХ и ХХI веков на Большом электронно-позитронном коллайдере (Large Electron-Positron Collider, LEP) в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН).

В результате многочисленных экспериментов на ускорителе LEP был установлен нижний порог массы бозона Хиггса - 114,4 гигаэлектронвольт. Эксперименты LEP были завершены в 2001 году.

Следующие циклы поисков проводили на коллайдере Теватрон (Tevatron), построенном в 1983 году в Лаборатории имени Ферми (Fermilab), в штате Иллинойс, США. Энергия столкновений в нем составляла около 2 тераэлектронвольт.

В 2004 году экспериментальным методом на Теватроне была установлена верхняя граница массы частицы Хиггса - 251 гигаэлектронвольт, а нижняя - 114 гигаэлектронвольт. В ноябре 2011 года цифры были скорректированы: 141 и 115 гигаэлектронвольт соответственно.

Окончательные результаты Теватрона, завершившего свою работу осенью 2011 года, показали, что масса бозона Хиггса находится в интервале от 115 до 135 гигаэлектронвольт.

Ученые рассчитывают, что найти частицу (или убедиться в том, что ее не существует) позволят эксперименты на Большом адронном коллайдере (Large Hadron Collider - LHC), созданном учеными из многих стран на площадке ЦЕРН в пригороде Женевы (Швейцария). Он является самым большим в истории ускорителем элементарных частиц и предназначен для получения принципиально новых данных о природе материи и фундаментальных физических законах. Одной из главных целей экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) - поиск свидетельств существования бозона Хиггса.

На этом ускорителе ученые сталкивают разогнанные до околосветовой скорости протоны, а затем следят за результатами - частицами и излучением, которые порождает столкновения.

Ливни частиц и излучение, возникающие при столкновениях, фиксируют четыре специализированных детектора - два крупных (ATLAS и CMS) и два средних (ALICE и LHCb), которые расположены в точках пересечения пучков.

Чем выше энергия протонов, тем больше шансов обнаружить следы интересных для физиков процессов, в частности, рождения бозона Хиггса. На Большом адронном коллайдере поисками бозона Хиггса независимо друг от друга занимаются две группы учёных, работающих на детекторах ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) и CMS (Compact Muon Solenoid).

В 2010 году первыми положительными результатами работы коллайдера стало рождение четырех неустойчивых элементарных частиц - мюонов (неустойчивые элементарные частицы с отрицательным электрическим зарядом), образовавшихся в результате столкновения протонов. Физики предположили, что в цепочке превращений от протонов до мюонов промежуточным звеном мог быть неуловимый бозон Хиггса. В дальнейшем физики не сумели повторить успешный эксперимент по получению мюонов.

Для "поимки" бозона Хиггса коллайдер должен набрать достаточно большую интегральную (накопленную) светимость, то есть накопить достаточно много данных о столкновениях частиц в ускорителе. Ранее физики заявляли, что порог, за которым коллайдер начнет "чувствовать" бозон Хиггса, находится на уровне пяти обратных фемтобарн. Пять обратных фемтобарн соответствуют примерно 350 квадриллионам столкновений протонов.

Этот порог был перейден в октябре 2011 года и к концу протонного сеанса интегральная светимость на детекторе ATLAS и детекторе CMS достигла уже 5,7 и 5,5 фемтобарн.

В октябре 2011 года СМИ сообщили, что согласно завершившимся исследованиям группы ученых Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН и Кёльнского университета, спектральный индекс космологических возмущений согласуется с наблюдениями, если хиггсовская масса лежит в интервале от 136 до 185 гигаэлектронвольт, в пределах которого предполагается открытие хиггсовской частицы на детекторе ATLAS. Обе границы этого интервала определены из экспериментальных данных спутника WMAP, а не из чисто теоретических ограничений.

Опираясь на данные, собранные спутником WMAP, физики изучили спектральные особенности реликтового излучения,. В 2008 году один из участников исследовательской группы Андрей Барвинский из Физического института им. П.Н. Лебедева предположил, что границы окна поиска массы и других параметров бозона Хиггса можно значительно сузить, изучив особенности фонового микроволнового излучения космоса, которое хранит в себе "след" событий в первые мгновения жизни Вселенной.

По расчетам ученых, расширение ранней Вселенной могло идти совершенно различными путями, в зависимости от массы бозона Хиггса. Как отмечают исследователи, расширение материи "отпечаталось" в реликтовом излучении, что позволяет оценить правдоподобность того или иного сценария Большого взрыва.

В декабре 2011 года группы ученых ATLAS и CMS заявили, что видят некоторые "намеки" на бозон Хиггса. Тогда физики, работающие на детекторе ATLAS, объявили, что видят некоторое превышение сигнала над фоном в интервале от 116 до 130 гигаэлектронвольт. Статистическая значимость такого превышения около значения 126 гигаэлектронвольт составляла 2,8 сигма, то есть вероятность случайных флуктуаций (от лат. fluctuatio - колебание) составляет 1 к 144 (но для открытия требуется значение 5 сигма - 1 к 3,5 миллиона). Группа, работающая на детекторе CMS, сообщила о признаках существования бозона Хиггса в области масс между 115 и 127 гигаэлектронвольт.

В июне 2012 года количество столкновений и плотность потока протонов в Большом адронном коллайдере были доведены до уровня, при котором в ускорителе должен рождаться и распадаться на другие частицы один бозон Хиггса в час - если, конечно, он существует.

В конце июня 2012 года в блоге математика Питера Войта (Peter Woit) из Колумбийского университета в Нью-Йорке (США) появилась информация о параметрах бозона Хиггса, якобы полученных на двух главных детекторах коллайдера - ATLAS и CMS. Согласно этим данным, анализ всего объема данных, полученных коллайдером в 2011 и 2012 годах, указывает на существование бозона Хиггса с массой 124 гигаэлектронвольта.

По данным интернет-издания Nature News, масса обнаруженной частицы составляет около 125 гигаэлектронвольт, что близко к значениям, представленным ранее. Уровни статистической значимости новых результатов, полученных на ATLAS и CMS, составляют от 4,5 до 5 стандартных отклонений (сигма). Физики говорят о "свидетельствах" существования новой частицы, когда этот параметр достигает уровня 3 сигма.


http://www.vesti.ru/doc.html?id=843221&cid=17

Вклад новосибирских физиков в открытие бозона Хиггса
Автор: Оксана Тарасенко

В Женеве официально объявили о регистрации бозона Хиггса. Новосибирские физики присутствовали при этом событии и сегодня продолжают работать на Большом адронном коллайдере. Что же такое частица Бога — так еще называют бозон Хиггса — и каков вклад новосибирцев в открытие? Пожалуй, главное научное открытие года, новая частица, которую уже окрестили божественной — последний кирпичик стандартной модели — теории, которая объясняет все явления в микромире. 

Юрий Тихонов, заместитель директора Института ядерной физики СО РАН, рассказал: "Хиггсовский бозон — без него этой теории не существует. Он позволяет связать все вместе частицы и, самое главное, он объясняет, откуда у частиц появляется масса". Юрий Тихонов на связи из Женевы. Он руководитель группы Института ядерной физики в эксперименте на детекторе ATLAS — одном из двух, зарегистрировавших долгожданный бозон. Объясняет: открытие не было падением яблока на голову, это вывод из миллионов экспериментов. Данные собирали и обрабатывали в течение нескольких лет. 

Лучше представить себе устройство, на котором сделано открытие можно здесь, в институте ядерной физики. Это детектор "Кедр", его можно назвать младшим собратом ATLAS'а, на котором и сделали открытие бозона Хиггса. Правда, он в пять раз меньше, но выглядит примерно так же. Это тонны железа и множество кабелей, по которым и идет информация. Как и в ATLAS'е, все самое интересное внутри. Там огромное количество разнообразных регистраторов. Больше того, опыт исследований на "Кедре" позволил новосибирцам усовершенствовать элементы ATLAS. На большом адронном коллайдере наши ученые работают уже почти 20 лет. 

Алексей Масленников, старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, заместитель руководителя группы ИЯФ в эксперименте ATLAS: "Мы успели поучаствовать на стадии проектирования детектора, на стадии пучковых тестовых испытаний, сборки, запуска, наборе данных и сейчас эти данные анализируем". Для Большого Адронного Коллайдера новосибирский ИЯФ сделал, пожалуй, больше, чем все остальные научные институты мира. И работа продолжается. Бозон Хиггса открыт, но это только начало. Юрий Тихонов, зам. директора Института ядерной физики СО РАН: "Что это бозон — это достоверно. Но тот ли это именно бозон, что стоит в теории у Хиггса — это еще нужно поработать".










НОВОСТИ ПО ТЕМЕ