Бозон Хіггса: що це таке?

За цією невловимою частиною полювали без перебільшення усім світом. В проекті приймали участь 10 тисяч вчених, інженерів і технічних працівників із 100 країн. На упіймання останнього елемента, якого не вистачало Стандартній моделі було витрачено більше 10 років і більше 10 млрд доларів. Що ж таке бозон Хігса і чому його так довго шукали?

Бозон Хігса довго залишався відсутньою частиною головоломки під назвою Стандартна модель. Стандартна модель – це гіпотеза про те, як влаштована більша частина Всесвіту, з яких частин, що формують атоми, молекули і матерію, вона складається, які сили приводять все це в рух. Вона описує електомагнітну, слабку і сильну взаємодію всіх елементарних частин. Для пояснення походження маси елементарних частин в Стандартну модель був включений механізм Хігса.

Відкриття бозону Хіггса і експериментальне підтвердження теорії стандартної взаємодії елементарних часток стало однією із головних цілей створення Великого адронного колайдеру.

Припущення про існування бозону Хіггса було висунуто англійським фізиком Пітером Хіггсом в 1964 році. Воно було засноване на припущенні Філіппа Андерсона – теорії, яка описує, як набувають масу всі елементарні частини. Прорив Хіггса полягав в тому, що маса векторного бозону ( у нашому випадку бозону Хіггса) з’являється в результаті певної взаємодії цього бозону зі скалярним полем (полем Хігса ). Аналогічні дослідження були паралельно незалежно представлені Робертом Браутом і Франсуа Енглером, через що поле, що взаємодіє з бозоном Хігса, іноді називають “поле Енглера – Браута – Хіггса”. Даний механізм був запропонований в контексті моделі спонтанного порушення електрослабкої симетрії, створеної Йоітіро Намбу та іншими в спробі пояснити природу сильної взаємодії.

Наочно механізм взаємодії елементарних частин з полем за Хіггсом можна представити так: розсипані на поверхні столу маленькі пінопластові кульки (аналоги безмасових частин) легко розлітаються від найменшого подуву. Але якщо висипати ці кульки на воду, то вони вже не будуть рухатися так легко – взаємодія з рідиною, яка в цій аналогії є вакуумним полем Хіггса, надала кулькам інертності. Хвильки від подуву на вільну поверхню води – аналог бозонів Хіггса. Ця аналогія є неточною, адже вода заважає будь-якому руху кульок, в той час коли поле Хіггса не впливає на частинки, а лише протидіє їх прискоренню.

Є ще одна проста аналогія для пояснення сутності бозону Хіггса. Уявіть, що ви на вечірці, де є певна кількість звичайних, нічим не примітних людей. В один момент на вечірку потрапляє дуже яскравий, харизматичний гість. Коли він пересувається по залу, всі інші гості ніби притягуються до нього, хочуть з ним поговорити, зарядитись від нього позитивною енергією. Харизматичний гість – бозон Хіггса, інші гості – елементарні частинки, вечірка – поле Хіггса.

З наукової точки зору бозон Хіггса – квант поля Хіггса, що виникає в Стандартній моделі фізики елементарних частин внаслідок спонтанного порушення електрослабкої симетрії.

В рамках Стандартної моделі бозон Хіггса відповідає за інертну масу таких елемнтарних частин, як бозони. За допомогою поля Хіггса пояснюється наявність інертної маси частин-носіїв слабкої взаємодії (W-та Z-бозони) і відсутність маси у частин-носіїв сильної (глюон) та електромагнітної (фотон) взаємодії. Якщо говорити узагальнено, то за допомогою бозону Хіггса можна пояснити як енергія перетворюється в матерію. Цю частинку вчені шукати 45 років і навіть прозвали її “частинкою Бога”.

Бозон Хіггса надзвичайно важливий, адже його відкриття стало фактичним підтвердженням і завершенням Стандартної моделі, що означає що наукова думка рухалася в правильному напрямку. Станом на кінець XX століття всі прогнози Стандартної моделі підтверджувалися експериментально, іноді з дуже високою точністю в мільйонні частки відсотка, але якщо б відкриття “частинки Бога” не відбулося, людство могло б отримати шалений розвиток інших теоретичних моделей взаємодії елементарних частин, і ми могли б отримати зовсім інший погляд на побудову нашого Всесвіту, можливо, навіть хибний.