Чим так важлива частинка Хіггса

0
99
Чим так важлива частинка Хіггса

Більшість з нас вчила в школі або з книг, що всі навколишні нас матеріали – все, що ми їмо, п’ємо, чим дихаємо, всі живі істоти, сама Земля – складається з атомів. Їх буває близько 100 типів, вони називаються «хімічними елементами» і зазвичай організовані у вигляді молекул, так само, як букви можна організувати в слова. Ці факти, що стосуються нашого світу, ми приймаємо, як само собою зрозуміле, але в кінці XIX століття з цього приводу все ще точилися дебати. Тільки в районі 1900-го року, коли на основі кількох міркувань стало можливим підрахувати розмір атомів, і коли був відкритий електрон, субатомна частинка, що населяє околиці атомів, атомна картинка світу, нарешті, склалася.

Але і сьогодні деякі частини цієї картинки не зовсім чітко проглядаються. Залишаються невирішеними загадки віком до сотні років. І весь цей галас з приводу «бозона Хіггса» якраз безпосередньо пов’язана з цими глибокими питаннями, що знаходяться в самому серці нашого існування. Незабаром розпливчасті частини нашої картинки зможуть стати більш чіткими і відкрити нам деталі щодо нашого світу, які нам поки неясні.

У школі ми вчили, що маса у атома в основному є завдяки його невеликого ядра. Електрони, які формують розмите хмара навколо ядра, додають до цієї маси не більше однієї тисячної її частини. Але що нам зазвичай не розповідають, якщо тільки не займатися фізикою поглиблено – так це те, що розмір атома залежить в основному від маси електрона. Якщо б ви якимось чином змогли зменшити масу електрона, то виявили б, що атоми виросли і стали більш крихкими. Зменшіть масу електрона в тисячу разів, і атоми стануть такими неміцними, що навіть залишилося від Великого вибуху тепло зможе зруйнувати їх. Тому вся структура та існування звичайних матеріалів пов’язана з, здавалося б, езотеричним питанням: чому у електронів взагалі є маса?

Маса електрона і її походження ставили в безвихідь фізиків з часу її першого вимірювання. Багато відкриття, пов’язані з іншими, здавалося б, елементарними частинками, зроблені в останні сто років, ускладнювали і збагачували цю загадку. По-перше, було встановлено, що світло складається з частинок під назвою фотони, взагалі не мають маси. Потім, що атомне ядро складається з частинок під назвою кварки, що володіють масою. Нещодавно ми виявили ознаки того, що нейтрино, невловимі частинки, стадами біжать з надр Сонця, теж володіють масою, хоч і зовсім невеликий. Тому питання з приводу електрона перейшов в категорію великих питань: чому у частинок, типу електронів, кварків і нейтрино, є маса, а у фотонів – ні?

В середині минулого століття фізики дізналися, як записувати рівняння, пророкує і описують поведінку електронів. Хоча вони і не знали, звідки береться маса електрона, вони виявили, що цю масу досить легко впровадити в рівняння вручну, і вирішили, що повне пояснення її походження з’явиться коли-небудь потім. Але коли вони заглибилися у вивчення слабкої ядерної взаємодії, одного з чотирьох відомих у природі, у них з’явилася серйозна проблема.

Фізики вже знали, що електричні сили пов’язані з фотонами, і потім зрозуміли, що слабка взаємодія пов’язано з частинками, названими «W» і «Z». Але при цьому у частинок W і Z було відміну від фотона у вигляді маси, вони порівнюються по масі з атомом олова, більш ніж сотню тисяч разів важче електрона. На жаль, фізики виявили, що не можуть впровадити маси частинок W і Z в рівняння вручну: получавшиеся рівняння давали безглузді передбачення. А коли вони вивчили, як слабка взаємодія впливає на електрони, кварки і нейтрино, вони виявили, що старий спосіб впровадження маси в рівняння не працює – він теж ламає всю систему.

Для пояснення того, як відомі елементарні частинки можуть мати масою, були потрібні свіжі ідеї.

Ця загадка поступово виявлялася в 1950-і і 1960-е. І на початку 1960-х з’явилося можливе рішення – тут ми знайомимося з Пітером Хиггсом та іншими (Браутом, Энглертом, Гуральником, Хагеном і Кибблом). Вони запропонували те, що зараз ми називаємо «механізмом Хіггса». Припустимо, говорить вони, в природі є ще одне, поки невідоме поле – як і всі поля, це деяка субстанція, що існує у всіх областях простору – ненульове і однорідне в усьому просторі і часі. Якщо це поле, яке тепер зветься полем Хіггса – буде потрібного типу, його присутність змусить частинки W і Z проявити масу, а також дозволить фізикам повернути в рівняння масу електрона. Це відкладе питання про те, чому маса електрона саме така, але, принаймні, тоді можна буде записати рівняння, в яких маса електрона не дорівнює нулю!

У наступні декади ідею механізму Хіггса перевіряли різними способами. Сьогодні з подробнейших досліджень частинок W і Z відомо, що рішення загадки, з’явилася завдяки слабкому взаємодії, лежить десь саме в цій області. Але деталі цієї історії нам невідомі.

Що таке поле Хіггса, як його зрозуміти? Воно невидимо для нас і ми його не відчуваємо, як дитина не відчуває повітря, або як риба – воду. І навіть більше – бо, якщо виростаючи, ми починаємо усвідомлювати протягом повітря навколо наших тіл і відчувати його за допомогою дотику, ніякі наші почуття не дають нам доступ до поля Хіггса. Ми не тільки не можемо виявити його за допомогою почуттів, ми не можемо зробити цього безпосередньо і за допомогою наукових інструментів. Так як же ми можемо бути впевнені, що воно існує? І як ми можемо сподіватися дізнатися що-небудь про нього?

Аналогія між повітрям і полем Хіггса добре працює в наступному прикладі: якщо потривожити будь-яку з цих двох середовищ, вони завибрируют, і будуть створювати хвилі. В повітрі такі хвилі створити легко – можна крикнути або грюкнути в долоні – і тоді наші вуха виявлять ці хвилі у вигляді звуку. В поле Хіггса хвилі створити складніше і складніше їх спостерігати. Для цього знадобиться гігантський прискорювач часток, Великий адронний коллайдер. А для їх виявлення потрібні наукові інструменти розміром з будинок, наприклад, ATLAS або CMS.

Як це працює? Бавовна в долоні обов’язково створить гучні звукові хвилі. Зіткнення двох високоенергетичних протонів на БАК створить дуже тихі хвилі Хіггса, притому необов’язково – до цього призведе лише одне зіткнення з десяти мільярдів. Вийшла хвиля буде тихою з можливих хвиль в поле Хіггса (говорячи технічною мовою, одним квантом цього типу хвиль). Ми називаємо цю хвилю «частинкою Хіггса» або «бозоном Хіггса».

Іноді ЗМІ називають «часткою бога». Цей термін придумав один видавець, щоб його книга краще продавалася, тому він відбувається з реклами, а не науки або релігії. Вчені цим терміном не користуються.

Створити частку Хіггса – це тільки частина процесу, і відносно легка. Набагато важче виявити її. Звукові хвилі вільно переміщаються від ваших долонь через усю кімнату до вуха іншої людини. А частинка Хіггса дезинтегрируется на інші швидше, ніж ви зможете сказати «бозон Хіггса». Насправді, швидше, ніж потрібно світла, щоб пройти діаметр атома. ATLAS і CMS лише максимально обережно вимірюють залишки вибуху частинки Хіггса і намагаються відмотати подію назад, немов детективи, распутивающие справу за доказів, щоб визначити, чи могла частинка Хіггса стати джерелом цих залишків.

На ділі все ще складніше. Мало створити одну частинку Хигса, оскільки її залишки неможливо розрізнити. Часто зіткнення двох протонів призводить до появи уламків, що нагадують те, що виходить в результаті розпаду частинки Хіггса. Так як же нам встановити, що частинка Хіггса виникала? Ключ у тому, що хоча частинки Хіггса зустрічаються рідко, але їх уламки з’являються досить регулярно, в той час, як інші процеси відбуваються часто, але більш випадковим чином. Точно так само, як ваше вухо може розпізнати співаючий голос навіть крізь рясні перешкоди на радіо, експериментатори можуть розібрати регулярний дзвін поля Хіггса серед випадкової какофонії, створеної іншими схожими процесами.

Провернути все це виявляється надзвичайно складно і важко. Але це було зроблено в рамках тріумфу людської винахідливості.

Навіщо ж взагалі було займатися такими геркулесовими подвигами? З-за надзвичайної важливості поля Хіггса для самого нашого існування. З цієї важливістю за величиною може зрівнятися тільки наше невігластво щодо її походження та властивостей. Ми навіть не знаємо, чи існує одне таке поле; їх може бути кілька. Поле Хіггса може саме по собі виявитися складним, що складається з інших полів. Ми не знаємо, чому воно є, і не знаємо, чому воно по-різному взаємодіє з різними частками, і додає, припустимо, електрону, масу зовсім не таку, як маса верхнього кварка. Оскільки маса відіграє важливу роль не тільки у визначенні розмірів атомів, але і в безлічі інших властивостей природи, наше розуміння Всесвіту і нас самих не може бути повним і задовільним, поки поле Хіггса залишається таким загадковим. Вивчення частинок Хіггса – хвиль в поле Хіггса – дасть нам глибокі знання про природу цього поля, точно так само, як про повітрі можна дізнатися за звуковим хвилям, про камені – вивчаючи землетрусу, і про море – спостерігаючи хвилі на пляжі.

Хто з вас напевно (і справедливо) запитає: це все дуже надихає, але яку користь це може принести суспільству в практичному сенсі? Відповідь вам може не сподобатися. Історія показує, що соціальні вигоди від фундаментальних досліджень питань можуть не проявлятися десятиліттями, навіть століття. Підозрюю, що сьогодні ви користувалися комп’ютером. Сумніваюся, що коли Томпсон відкрив у 1897 році електрони, хто-небудь з його оточення зміг би здогадатися, як сильно електроніка зможе змінити суспільство. Ми не сподіваємося представити технології наступного століття чи то, як уявне езотеричні знання, отримане сьогодні, може вплинути на далеке майбутнє. Інвестиції у фундаментальні дослідження – це завжди трішечки азартна гра, але на підставі знань. В гіршому випадку ми дізнаємося про природу щось глибоке і має несподівані наслідки. Таке знання, хоча і не володіє цінністю в грошовому вираженні, в обох сенсах безцінне.

Для стислості я дещо спростив. Не обов’язково все має бути саме так. Можливо, що хвилі на поле Хіггса неможливо було б виявити – це могло нагадувати спробу створити хвилі на асфальтовому озері або в густому сиропі. Хвилі могли б згаснути ще до того, як повністю сформувалися. Але ми знаємо достатньо про частинках природи, щоб знати, що такий варіант був би можливий, тільки якщо б існували інші невідкриті частинки і взаємодії – а якісь із них обов’язково можна було б знайти на БАК. Або ж частка (частки) Хіггса могла б існувати, але таким чином, що її було б набагато складніше зробити, або вона могла дезинтегрироваться якимось несподіваним чином. У всіх таких випадках могло б пройти ще кілька років до того, як поле Хіггса стало відкривати свої секрети. Так що ми були готові чекати, хоча й сподівалися, що нам не доведеться пояснювати ЗМІ всі ці складності.

Але ми хвилювалися даремно

Відкриття частинки Хіггса – це поворотний момент в історії. Тріумф тих, хто запропонував механізм Хіггса і тих, що працює на БАК, ATLAS і CMS. Але воно не означає завершення наших загадок, пов’язаних з масою відомих частинок – це тільки початок нашої надії вирішити ці загадки. В майбутньому енергії і кількість зіткнень на ВАК будуть збільшуватися, і ATLAS і CMS будуть всебічно і систематично досліджувати частку Хіггса. Те, що вони дізнаються, може дозволити нам вирішити загадки цього виробляє масу океану, в якому ми плаваємо, і направить нас далі по епічному шляху, почалося понад сто років тому, який може зайняти ще десятиліття і століття, і тягнеться за межі наших сьогоднішніх горизонтів.

5 (100%) 2 голосів

НАПИСАТИ ВІДПОВІДЬ

Please enter your comment!
Please enter your name here