Бозон Хиггса: зачем физикам «частица Бога» и как она даёт массу всему вокруг
Прозвище появилось из-за книги нобелевского лауреата Леона Ледермана, который изначально хотел назвать её «проклятой частицей» (goddamn particle) из-за того, что её долго не могли найти. Редактор сократил до «God particle», и медиа подхватили. Физики морщатся: бозон Хиггса не имеет прямого отношения ни к богу, ни к религии. Но свою роль он сыграл — именно благодаря ярлыку об открытии узнали далеко за пределами научного сообщества.
Как вообще возникает масса
В школе говорят, что масса — это количество вещества. Но откуда она берётся у элементарных частиц? Электрон и кварк обладают массой, а фотон — нет. Почему? Всё дело в поле Хиггса, которое пронизывает всю Вселенную подобно невидимому океану.
Частицы, которые с этим полем взаимодействуют, тормозятся, как ложка в банке с мёдом. Чем сильнее взаимодействие, тем больше масса. Фотон пролетает сквозь поле Хиггса без помех, поэтому его масса равна нулю. Электрон ощущает сопротивление — у него есть масса. Кварки вязнут ещё сильнее, и из них собираются протоны и нейтроны, а уже из тех — атомы и всё вещество вокруг.
Поле Хиггса и спонтанное нарушение симметрии
Идею предложил Питер Хиггс и независимо от него Франсуа Энглер с коллегами в 1964 году. Они искали способ объяснить, почему некоторые частицы массивны, не ломая математику Стандартной модели. Решением стало скалярное поле, которое «включается» при остывании Вселенной после Большого взрыва.
Представьте идеально симметричный стол, на который поставили карандаш на остриё. Пока он стоит вертикально — симметрия есть. Но он обязательно упадёт в какую-то сторону, спонтанно выбрав направление. Так и поле Хиггса выбрало ненулевое значение, нарушив симметрию. В результате этого падения и возникло сопротивление, которое мы называем массой.
Как ловили бозон Хиггса
Если поле Хиггса существует, то должна существовать и его частица — возбуждение этого поля, подобно ряби на воде. Этот бозон крайне нестабилен и распадается за ничтожные доли секунды. Поймать его можно только по следам распада — парам фотонов, мюонов или другим комбинациям.
Этим занялся Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе. Два детектора, ATLAS и CMS, независимо анализировали столкновения протонов на огромной энергии. 4 июля 2012 года было объявлено: найден бозон с массой около 125 ГэВ, в точности как предсказывала теория. В 2013 году Хиггс и Энглер получили Нобелевскую премию.
Что это значит для физики
Открытие бозона Хиггса замкнуло Стандартную модель — последняя недостающая частица встала на место. Но вопросов стало только больше. Почему масса бозона Хиггса именно такая? Почему иерархия масс частиц так странно устроена? Есть ли другие хиггсовские поля, предсказанные суперсимметрией?
Бозон Хиггса — не финал, а дверь в новую физику. Исследования на БАКе продолжаются, и каждое уточнение его свойств помогает проверять теории о тёмной материи, природе вакуума и устройстве Вселенной в первые мгновения.
Часто задаваемые вопросы
— Если поле Хиггса даёт массу, почему одни частицы массивнее других?
Потому что они по-разному «сцепляются» с полем. Это как разные ложки в том же мёде: широкая вязнет сильнее, узкая — слабее. Конкретные значения констант связи пока не выводятся из теории, а измеряются экспериментально.
— А сам бозон Хиггса имеет массу?
Да, около 125 ГэВ. Он взаимодействует с собственным полем, поэтому тоже обладает массой.
— Почему открытие заняло так много времени?
Нужны были колоссальные энергии, чтобы «выбить» бозон из поля. Технологии, способные на это, появились только с постройкой БАКа. До этого искали на более слабых ускорителях и не могли набрать достаточно данных.
— Можно ли как-то «отключить» поле Хиггса и убрать массу?
Теоретически при экстремальных энергиях поле может перейти в другое состояние, но это потребовало бы условий, несовместимых с существованием привычной материи. Локально отменить его нельзя.
