Қарапайым тілмен айтқанда, Хиггс бозоны барлық уақыттағы ең қымбат бөлшек. Егер, мысалы, электронды ашу үшін вакуумдық түтік пен бір-екі тамаша ақыл жеткілікті болса, Хиггс бозонын іздеу Жерде сирек кездесетін тәжірибелік энергияны жасауды қажет етті. Үлкен адрондық коллайдер ең танымал және сәтті ғылыми тәжірибелердің бірі бола отырып, таныстыруды қажет етпейді, бірақ оның профильдік бөлшектері, бұрынғыдай, халықтың көпшілігі үшін құпия болып табылады. Оны Құдай бөлшегі деп атады, дегенмен мыңдаған ғалымдардың күш-жігерінің арқасында біз енді оның бар екенін сеніммен қабылдаудың қажеті жоқ.
Соңғы белгісіз
Хиггс бозоны дегеніміз не және оны ашудың маңызы қандай? Неліктен ол соншалықты көп айқай-шу, қаржыландыру және жалған ақпараттың нысанасына айналды? Екі себеп бойынша. Біріншіден, бұл физиканың стандартты моделін растау үшін қажет соңғы ашылмаған бөлшек болды. Оның ашқан жаңалығы ғылыми басылымдардың тұтас бір буыны бекерге кетпегенін білдірді. Екіншіден, бұл бозон басқа бөлшектерге олардың массасын береді, бұл оған ерекше мағына мен кейбір «сиқыр» береді. Біз ойлануға бейіммасса заттардың ішкі қасиеті ретінде, бірақ физиктер басқаша ойлайды. Қарапайым тілмен айтқанда, Хиггс бозоны - бөлшек, онсыз массасы негізінен болмайды.
Тағы бір өріс
Себебі Хиггс өрісінде жатыр. Ол Хиггс бозонына дейін де сипатталған, өйткені физиктер оны өздерінің теориялары мен бақылауларының қажеттіліктері үшін есептеді, бұл әрекеті бүкіл Әлемге таралатын жаңа өрістің болуын талап етті. Ғаламның жаңа компоненттерін ойлап табу арқылы гипотезаларды күшейту қауіпті. Бұрын, мысалы, бұл эфир теориясын жасауға әкелді. Бірақ неғұрлым көп математикалық есептеулер жасалса, соғұрлым физиктер Хиггс өрісі шындықта болуы керек екенін түсінді. Жалғыз мәселе оны бақылаудың практикалық құралдарының жоқтығы болды.
Физиканың стандартты үлгісінде элементар бөлшектер бүкіл кеңістікке енетін Хиггс өрісінің болуына негізделген механизм арқылы массаға ие болады. Ол көп энергияны қажет ететін Хиггс бозондарын жасайды және бұл ғалымдарға жоғары энергиялық эксперименттер жүргізу үшін заманауи бөлшектерді үдеткіштер қажет болуының басты себебі.
Масса қайдан келеді?
Әлсіз ядролық әсерлесулердің күші қашықтық ұлғайған сайын тез төмендейді. Кванттық өріс теориясына сәйкес, бұл оның жасалуына қатысатын бөлшектердің – W- және Z-бозондарының – массасы жоқ глюондар мен фотондарға қарағанда массасы болуы керек дегенді білдіреді.
Мәселе мынада, габариттік теориялар тек массасы жоқ элементтермен айналысады. Егер габариттік бозондардың массасы болса, онда мұндай гипотезаны негізді түрде анықтау мүмкін емес. Хиггс механизмі Хиггс өрісі деп аталатын жаңа өрісті енгізу арқылы бұл мәселені болдырмайды. Жоғары энергияларда калибрлі бозондардың массасы болмайды және гипотеза күтілгендей жұмыс істейді. Төмен энергияларда өріс элементтердің массасына ие болуына мүмкіндік беретін симметрия бұзылыстарын тудырады.
Хиггс бозоны дегеніміз не?
Хиггс өрісі Хиггс бозондары деп аталатын бөлшектерді шығарады. Олардың массасы теориямен нақтыланбайды, бірақ тәжірибе нәтижесінде 125 ГэВ-ке тең екені анықталды. Қарапайым тілмен айтқанда, Хиггс бозоны өзінің бар екендігімен Стандартты үлгіні біржола растады.
Механизм, өріс және бозон шотланд ғалымы Питер Хиггстің есімімен аталады. Ол бұл ұғымдарды бірінші ұсынбаса да, физикада жиі кездесетін жағдай сияқты, ол жай ғана кездейсоқ олардың атымен аталған адам болды.
Бұзылған симметрия
Хиггс өрісі массасы болмауы керек бөлшектердің әрекет етуіне жауапты деп есептелді. Бұл әртүрлі массадағы массасы жоқ бөлшектерді беретін әмбебап орта. Симметрияның мұндай бұзылуы жарыққа ұқсастығымен түсіндіріледі - барлық толқын ұзындығы вакуумда бірдей жылдамдықпен қозғалады, ал призмада әрбір толқын ұзындығын ажыратуға болады. Бұл, әрине, дұрыс емес ұқсастық, өйткені ақ жарықта барлық толқын ұзындықтары бар, бірақ мысалда қалай болатыны көрсетілген. Хиггс өрісінің масса құруы симметрияның бұзылуына байланысты болып көрінеді. Призма жарықтың әртүрлі толқын ұзындықтарының жылдамдығының симметриясын ажырату арқылы бұзады, ал Хиггс өрісі басқа жағдайда симметриялық массасы жоқ кейбір бөлшектердің массаларының симметриясын бұзады деп есептеледі.
Хиггс бозонын қарапайым сөзбен қалай түсіндіруге болады? Жақында ғана физиктер егер Хиггс өрісі шынымен бар болса, оның жұмысы оны байқауға болатын қасиеттері бар тиісті тасымалдаушының болуын қажет ететінін түсінді. Бұл бөлшек бозондарға жатады деп болжанған. Қарапайым тілмен айтқанда, Хиггс бозоны - бұл Әлемнің электромагниттік өрісінің тасымалдаушылары болып табылатын фотондар сияқты тасымалдаушы күш. Фотондар белгілі бір мағынада оның жергілікті қозуы болып табылады, дәл солай Хиггс бозоны оның өрісінің жергілікті қозуы болып табылады. Физиктер күткен қасиеттерге ие бөлшектің бар екенін дәлелдеу, шын мәнінде, өрістің бар екенін тікелей дәлелдеумен бірдей болды.
Эксперимент
Көп жылдық жоспарлау Үлкен адрон коллайдеріне (LHC) Хиггс бозоны теориясын ықтимал жоққа шығарудың куәсі болуға мүмкіндік берді. Өте қуатты электромагниттердің 27 км сақинасы зарядталған бөлшектерді жарық жылдамдығының маңызды бөліктеріне дейін жеделдете алады, бұл оларды құрамдас бөліктерге бөлу үшін жеткілікті күшті соқтығыстарды тудырады, сондай-ақ әсер ету нүктесінің айналасындағы кеңістікті деформациялайды. Есептеулер бойынша, жеткілікті жоғары деңгейдегі соқтығыс энергиясы кезінде бозонды ыдырайтындай зарядтауға болады және бұлқарайтын болады. Бұл энергияның керемет болғаны сонша, кейбіреулер тіпті үрейленіп, дүниенің соңын болжаған, ал басқаларының қиялдары соншалықты, Хиггс бозонының ашылуы балама өлшемге қарау мүмкіндігі ретінде сипатталды.
Соңғы растау
Алғашқы бақылаулар шын мәнінде болжамды жоққа шығарғандай болды және бөлшектің ешбір белгісі табылмады. Миллиардтаған долларды жұмсау науқанына қатысқан кейбір зерттеушілер тіпті теледидардан шығып, ғылыми теорияны жоққа шығару оны растаумен бірдей маңызды екенін момындықпен айтты. Алайда біраз уақыттан кейін өлшемдер үлкен суретке қосыла бастады және 2013 жылдың 14 наурызында CERN бөлшектің бар екенін растауды ресми түрде жариялады. Бірнеше бозондардың бар екендігін көрсететін дәлелдер бар, бірақ бұл идея қосымша зерттеуді қажет етеді.
CERN бөлшектің ашылғанын жариялағаннан кейін екі жыл өткен соң, Үлкен адрон коллайдерінде жұмыс істейтін ғалымдар оны растай алды. Бұл бір жағынан ғылымның үлкен жеңісі болса, екінші жағынан көптеген ғалымдардың көңілі қалды. Егер біреу Хиггс бозоны стандартты үлгіден тыс таңғажайып және керемет аймақтарға - суперсиметрияға, қараңғы материяға, қараңғы энергияға әкелетін бөлшек болады деп үміттенген болса, өкінішке орай, олай болмай шықты.
Табиғат физикасында жарияланған зерттеу фермиондарға ыдырауын растады. Стандартты модель, қарапайым тілмен айтқанда, бозонды болжайдыХиггс - фермиондарға массасын беретін бөлшек. CMS коллайдерінің детекторы ақырында олардың фермиондарға – даун кварктары мен тау лептондарына ыдырауын растады.
Хиггс бозоны қарапайым тілмен айтқанда: бұл не?
Бұл зерттеу ақырында бұл бөлшектер физикасының стандартты моделі болжаған Хиггс бозоны екенін растады. Ол 125 ГэВ массалық энергия аймағында орналасқан, спині жоқ және көптеген жеңіл элементтерге – фотондар жұбына, фермиондарға және т.б. ыдырауы мүмкін. Осының арқасында біз Хиггс бозоны, қарапайым тілмен айтқанда, барлық нәрсеге массасын беретін бөлшек.
Жаңадан ашылған элементтің әдепкі әрекетінен көңілі қалды. Егер оның ыдырауы тіпті аздап басқаша болса, ол фермиондарға басқаша қатысты болар еді және зерттеудің жаңа жолдары пайда болар еді. Екінші жағынан, бұл гравитацияны, қараңғы энергияны, қараңғы материяны және шындықтың басқа да оғаш құбылыстарын есепке алмайтын Стандартты үлгіден бір қадам да алға жылжымағанымызды білдіреді.
Енді оларға не себеп болғанын болжауға болады. Ең танымал теория суперсимметрия болып табылады, ол стандартты модельдегі әрбір бөлшектің керемет ауыр суперсеріктесі бар екенін айтады (осылайша ғаламның 23% - қараңғы материяны құрайды). Коллайдерді жаңарту, оның соқтығысу энергиясын 13 ТеВ-қа дейін екі есе арттыру, бұл супербөлшектерді анықтауға мүмкіндік береді. Әйтпесе, суперсиметрия LHC-тің неғұрлым қуатты мұрагерінің құрылысын күтуге тура келеді.
Ары қарайғы перспективалар
Сонда Хиггс бозонынан кейін физика қандай болады? Жақында LHC айтарлықтай жақсартулармен жұмысын қайта бастады және антиматериядан қараңғы энергияға дейін бәрін көре алады. Қараңғы материя қарапайым материямен тек гравитация арқылы және массаны құру арқылы әрекеттеседі деп саналады және Хиггс бозонының маңыздылығы мұның қалай болатынын түсінудің кілті болып табылады. Стандартты модельдің негізгі кемшілігі оның гравитацияның әсерін түсіндіре алмайды – мұндай модельді Үлкен Бірыңғай теория деп атауға болады – және кейбіреулер бөлшек пен Хиггс өрісі физиктер соншалықты ізденіп жүрген көпір болуы мүмкін деп санайды.
Хиггс бозонының бар екендігі расталды, бірақ оның толық түсінігі әлі өте алыс. Болашақ эксперименттер суперсиметрияны және оның қараңғы материяға ыдырау идеясын жоққа шығара ма? Немесе олар стандартты модельдің Хиггс бозонының қасиеттері туралы болжамдарының әрбір соңғы мәліметтерін растап, бұл зерттеу саласын мәңгілікке аяқтай ма?
