Бозон Хиггса

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Бозон Хиггса
Символ: \, H^0
CMS Higgs-event.jpg
Моделирование, показывающее появление бозона Хиггса при столкновении двух протонов
Состав: элементарная частица
Семья: бозон
Участвует во взаимодействиях: Гравитационное
Античастица: нейтрален
Теоретически обоснована: 1964 (Питер Хиггс)
Обнаружена: 2012 (ЦЕРН)
Масса: 125.03 ГэВ/c2
Время жизни: 1,56×10-22 с[Note 1] (предсказание Стандартной модели)
Ширина распада: меньше 17 МэВ[2]
Каналы распада: W и Z бозоны, два фотона
Квантовые числа:
Электрический заряд: 0
Цветной заряд: 0
Спин: 0[3]~\hbar
Чётность: +1 (предварительно подтверждена на 125 ГэВ)[4]

Бозон Хи́ггса, Хи́ггсовский бозо́н[2], хиггсо́н[5] (англ. Higgs boson) — элементарная частица (бозон), квант поля Хиггса, с необходимостью возникающий в Стандартной модели физики элементарных частиц вследствие хиггсовского механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. В рамках этой модели отвечает за инертную массу элементарных частиц. По построению хиггсовский бозон является скалярной частицей, то есть обладает нулевым спином.

Постулирован британским физиком Питером Хиггсом в его фундаментальных статьях, вышедших в 1964 году[6][7]. Предсказанный первоначально в теории, после нескольких десятков лет поисков, 4 июля 2012 года, в результате исследований на БАК, был обнаружен кандидат на его роль — новая частица с массой около 125—126 ГэВ/c²[8]. Имелись веские основания считать, что эта частица является бозоном Хиггса[9][10][11]. В марте 2013 года появились сообщения от отдельных исследователей ЦЕРНа, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса.

Свойства бозона Хиггса[править | править вики-текст]

В апреле 2014 года коллаборация CMS сообщила, что ширина распада этого бозона меньше 17 МэВ[2]. Обладает нулевыми спином[3], электрическим зарядом, цветным зарядом.

Предсказание открытия[править | править вики-текст]

Диаграмма Фейнмана, показывающая возможные варианты рождения W- или Z-бозонов, которые при взаимодействии образуют нейтральный бозон Хиггса

В теории, при минимальной реализации хиггсовского механизма должен возникать один нейтральный хиггсовский бозон (в научных работах такая частица называется SM Higgs); в расширенных моделях спонтанного нарушения симметрии может возникнуть несколько хиггсовских бозонов различной массы, в том числе и заряженные.

Впрочем, существуют модели, не требующие введения бозона Хиггса для объяснения масс наблюдаемых частиц Стандартной модели, так называемые бесхиггсовские модели. Отрицательный результат поисков бозона Хиггса послужил бы косвенным аргументом в пользу подобных моделей.

Схема взаимодействий между элементарными частицами, описываемая Стандартной моделью

Стандартная модель предсказывает существование поля (называемого Поле Хиггса), которое имеет ненулевую амплитуду в основном состоянии, то есть ненулевое вакуумное ожидаемое значение. Существование ненулевого вакуумного ожидаемого значения приводит к спонтанному нарушению электрослабой калибровочной симметрии (см. хиггсовский механизм).

Эксперименты по поиску и оценке массы хиггсовского бозона[править | править вики-текст]

Поиски хиггсовского бозона в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) (эксперимент завершён в 2001 году, энергия 104 ГэВ на каждый пучок, то есть суммарная энергия пучков в системе центра масс 208 ГэВ) не увенчались успехом: были зафиксированы три события-кандидата на детекторе ALEPH (англ.)русск. при массе 114 ГэВ, два — на DELPHI (англ.)русск. и одно — на L3 (англ.)русск.. Такое количество событий приблизительно соответствовало ожидавшемуся уровню фона. Предполагалось, что вопрос о существовании бозона Хиггса прояснится окончательно после вступления в строй и нескольких лет работы Большого адронного коллайдера (БАК, LHC).

В 2004 году была проведена повторная обработка данных эксперимента D0 по определению массы t-кварка, проводившегося на синхротроне Тэватрон в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, в ходе этой обработки была получена уточнённая оценка массы, что привело к переоценке верхней границы массы бозона Хиггса до 251 ГэВ[12].

В 2008—2009 гг. группой российских ученых Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) и др. была представлена более точная оценка значения массы бозона Хиггса около 118(±2) ГэВ из данных по анизотропии реликтового излучения[13][14][15][16].

В 2010 году в ходе экспериментов на Тэватроне исследовательской группой DZero была обнаружена 1-процентная разница в числе образующихся при распаде В-мезона мюонов и антимюонов[17]. Вскоре было объявлено о том, что причиной расхождения могло стать существование не одного, а пяти бозонов Хиггса — в рамках теории суперсимметрии могут существовать заряженные положительно и отрицательно, скалярные (лёгкий и тяжёлый) и псевдоскалярный бозоны[18]. Ожидалось, что подтвердить или опровергнуть данную гипотезу помогут эксперименты на Большом адронном коллайдере.

В июле 2011 года коллаборации ATLAS и CMS выявили отклонение статистики в районе массы 130—150 ГэВ в результатах, представленных на конференции EPS-HEP’2011 в Гренобле, что, возможно, указывает на существование бозона Хиггса[19]. Однако данные с Большого адронного коллайдера продолжали поступать, и была возможность, что последующая обработка нивелирует полученные отклонения. Между тем, на той же конференции был закрыт (с 3%-м отклонением) диапазон от 150 ГэВ до 400 ГэВ (за исключением небольших окон), где бозон Хиггса существовать не может[20][21].

В ноябре 2011 года коллаборации ATLAS и CMS сузили интервал масс возможного существования бозона до 114—141 ГэВ[22]. Интервал от 141 до 443 ГэВ был исключён с вероятностью 99 % за исключением трёх узких окон между 220 и 320 ГэВ[23].

13 декабря 2011 года коллаборации ATLAS и CMS представили предварительные результаты обработки данных 2011 года, основной вывод состоял в том, что бозон Хиггса Стандартной модели, если он существует, скорее всего, имеет массу в интервале 116—130 ГэВ по данным эксперимента ATLAS, и 115—127 ГэВ — по данным CMS. Оба эксперимента наблюдают превышение сигнала над фоном в этих интервалах в различных предполагаемых каналах распада бозона Хиггса. Интересно то, что несколько независимых измерений указывали на область от 124 до 126 ГэВ[24]. Было слишком рано говорить о том, что ATLAS и CMS открыли бозон Хиггса, но эти обновлённые результаты вызвали большой интерес в сообществе физики элементарных частиц. Тем не менее, для окончательных утверждений о существовании или несуществовании бозона Хиггса требовался больший объём данных, который ожидался в 2012 году[25][26].

2 июля 2012 года коллаборации D0 (англ.)русск. и CDF (англ.)русск. заявили, что по результатам анализа данных ускорителя Тэватрон имеется некоторый избыток, который может быть интерпретирован как вызванный бозоном Хиггса с массой в диапазоне 115—135 ГэВ со статистической значимостью 2,9 стандартных отклонения, что меньше порога в 5 сигм, необходимого для того чтобы заявить об открытии частицы[27][28][29].

4 июля 2012 года, на научном семинаре ЦЕРН, проходившем в рамках научной конференции ICHEP 2012 в Мельбурне[30], были изложены предварительные результаты экспериментов ATLAS и CMS по поиску бозона Хиггса за первую половину 2012 года. Оба детектора наблюдали новую частицу с массой около 125—126 ГэВ с уровнем статистической значимости в 5 сигм. Предполагается что данная частица — бозон, при этом она — самый тяжёлый из когда-либо обнаруженных бозонов[8][9]. На семинар были приглашены физики Франсуа Энглер, Карл Хаген (англ.)русск., Питер Хиггс и Джеральд Гуральник (англ.)русск., которые являются одними из «авторов» механизма Хиггса[31].

В марте 2013 года в СМИ появились сообщения от отдельных участников исследований[32][4] о том, что открытая ими в июле 2012 года частица действительно является бозоном Хиггса, так как она имеет совпадающую с ним чётность и измеренные вероятности распадов. Ещё в марте 2013 года исследователи с осторожностью отвечали на вопрос, является ли эта частица бозоном Хиггса, предсказанным Стандартной моделью, или это другой вариант бозона Хиггса, о котором говорят некоторые другие теории, выходящие за рамки Стандартной модели[4]. Но уже к концу 2013 года обе коллаборации, обработав массив полученных данных, пришли к предварительным выводам: выявленный бозон Хиггса не выходит за пределы Стандартной модели[33]., и пока нет никаких экспериментальных указаний на физику за её пределами.

Бозон Хиггса в массовом сознании[править | править вики-текст]

Бозон Хиггса — последняя найденная частица Стандартной модели. Частица Хиггса так важна, что в заголовке книги нобелевского лауреата Леона Ледермана «Частица Бога: если Вселенная это ответ, то каков вопрос? (англ.)русск.» она названа «god particle» (частица бога[34] или частица-бог)[35], а сам Ледерман изначально предлагал вариант «прокля́тая частица» (англ. goddamn particle), отвергнутый редактором. Это ироничное название широко употребляется средствами массовой информации[36]. Многие учёные не одобряют это прозвище, считая более удачным «бозон бутылки шампанского» (англ. The champagne bottle boson) — из-за игры образами, так как потенциал комплексного поля Хиггса напоминает донышко бутылки шампанского, а его открытие явно приведёт к опустошению не одной такой бутылки[37].

До открытия этой частицы в физике элементарных частиц были разработаны расширения стандартной модели, не использующие понятия бозона Хиггса (бесхиггсовские модели).

Литература[править | править вики-текст]

Комментарии[править | править вики-текст]

  1. В Стандарной модели, ширина распада бозона Хиггса с массой 126 ГэВ/с2 предсказывается 4,21×10-3 ГэВ.[1] Среднее время жизни \tau = \hbar/\Gamma.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. LHC Higgs Cross Section Working Group (2012). «Handbook of LHC Higgs Cross Sections: 2. Differential Distributions». CERN Report 2 (Tables A.1 – A.20) 1201. Bibcode:2012arXiv1201.3084L.
  2. 1 2 3 Игорь Иванов. Новый метод позволил наложить рекордное ограничение на время жизни хиггсовского бозона. Элементы.ру (17 апреля 2014). Проверено 11 мая 2014. Архивировано из первоисточника 23 апреля 2014.
  3. 1 2 Существует ли суперсимметрия в мире элементарных частиц?
  4. 1 2 3 New results indicate that new particle is a Higgs boson, CERN, 14.03.2013.
  5. С. В. Кетов. Введение в квантовую теорию струн и суперструн. Новосибирск: Наука, 1990. ISBN 5-02-029660-0, с. 258 «В теории необходим по крайней мере один физический хиггсон H0 со спином 0»
  6. P. W. Higgs. Broken symmetries, massless particlees and gauge fields (англ.) // Phys. Lett.. — 1964. — Vol. 12. — P. 132—133. — DOI:10.1016/0031-9163(64)91136-9
  7. P. W. Higgs. Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 1964. — Vol. 13. — P. 508—509. — DOI:10.1103/PhysRevLett.13.508
  8. 1 2 CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson — пресс-релиз CERN, 4.07.2012  (англ.)
  9. 1 2 Физики обнаружили претендента на роль бозона Хиггса // Lenta.ru 4.07.2012
  10. В ЦЕРНе объявлено об открытии хиггсовского бозона — Elementy.ru, 4.07.2012
  11. «Физическое сообщество считает, что хиггсовский бозон открыт» — Elementy.ru, 16.07.12
  12. D0 Collaboration (V. M. Abazov et al.). A precision measurement of the mass of the top quark // Nature. — 2004. — Т. 429. — P. 638. — arΧiv:hep-ex/0406031
  13. Is it possible to estimate the Higgs Mass from the CMB Power Spectrum? // Invited talk at the Conference Symmetries in Physics, Dedicated to the 90th anniversary of Professor Smorodinsky’s birth, Dubna, Russia
  14. Is it possible to estimate the Higgs Mass from the CMB Power Spectrum?
  15. A. B. Arbuzov, B. M. Barbashov, A. Borowiec, V. N. Pervushin, S. A. Shuvalov, A. F. Zakharov. Is it possible to estimate the Higgs Mass from the CMB Power Spectrum? Physics of Atomic Nuclei. — 2009, — V. 72, — No. 5, — P. 744—751.
  16. Автореферат диссертации Шувалова С. А. «Некоторые вопросы гамильтонового объединения Стандартной Модели и Общей Теории Относительности»
  17. Бесценное расхождение: Замечательный процент // Журнал «Популярная механика»
  18. Пять бозонов Хиггса: Кто больше? // «Популярная механика»
  19. Избыточные события намекнули на бозон Хиггса
  20. Combined SM Higgs search, ATLAS Detector, LHC
  21. Combined Results on SM Higgs Search With The CMS Detector
  22. Geoff Brumfiel. Higgs hunt enters endgame  (англ.), Nature News (18 November 2011). Проверено 3 декабря 2011.
  23. The ATLAS collaboration. Combined Standard Model Higgs boson searches with up to 2.3 fb-1 of pp collisions at sqrt{s}=7 TeV at the LHC
  24. Теоретики обсуждают последние данные LHC по хиггсовскому бозону «Элементы», 27.12.11
  25. CERN Press Release
  26. Поиски бозона Хиггса стандартной модели в эксперименте CMS на Большом адронном коллайдере в 2010—2011 годах пресс-релиз, CMS ЦЕРН, 13.12.2011
  27. Tevatron scientists announce their final results on the Higgs particle. Fermilab press room (July 2, 2012). Проверено 2 июля 2012. Архивировано из первоисточника 4 августа 2012.
  28. Тэватрон сделал последнюю ставку на диапазон масс бозона Хиггса, «РИА Новости», 02.07.2012.
  29. Элементы — новости науки: Тэватрон обновил свои результаты по поиску хиггсовского бозона
  30. О новых результатах, по поиску хиггсовского бозона объявят 4 июля // Элементы.ру, 23.06.2012
  31. Физики ЦЕРНа представят данные о возможном открытии бозона Хиггса, «РИА Новости», 03.07.2012
  32. http://ria.ru/science/20130314/927260043.html «Физики пришли к выводу, что открытая ими частица действительно является бозоном Хиггса»
  33. «Распад бозона Хиггса на частицы материи ещё сильнее указывает на его стандартность». 09.12.2013
  34. Шум с передовой
  35. Митио Каку. Физика невозможного. — Альпина нон-фикшн, 2011. — С. 381. — 456 с. — ISBN 978-5-91671-057-1.
  36. «Частица Бога» не откроет тайну американцам
  37. Higgs particle // LHC

См. также[править | править вики-текст]

Нобелевская премия 2013 года по физике: Энглер и Хиггс

Ссылки[править | править вики-текст]