Мы все знаем и любим бозон Хиггса, который, к огорчению физиков, был ошибочно помечен в средствах массовой информации как «частица Бога» - субатомная частица, впервые обнаруженная на Большом адронном коллайдере (LHC) еще в 2012 году. Эта частица является частью поля, которое пронизывает все пространство-время; он взаимодействует со многими частицами, такими как электроны и кварки, обеспечивая эти частицы массой, что довольно здорово.
Но Хиггс, которого мы заметили, оказался удивительно легким. По нашим лучшим оценкам, это должно было быть намного тяжелее. Это открывает интересный вопрос: Конечно, мы заметили бозон Хиггса, но был ли это единственный бозон Хиггса? Есть ли еще плавающие вокруг, занимающиеся своими делами?
Хотя у нас пока нет никаких доказательств более тяжелого Хиггса, команда исследователей, базирующаяся на LHC, крупнейшем в мире сокрушителе атомов, углубляется в этот вопрос, пока мы говорим. И есть разговоры, что, когда протоны разбиваются вместе внутри кольцевого коллайдера, здоровенные частицы Хиггса и даже Хиггса, состоящие из различных типов Хиггса, могут выйти из укрытия.
Если тяжелый Хиггс действительно существует, то нам необходимо изменить наше понимание Стандартной модели физики элементарных частиц с новым осознанием того, что для Хиггса гораздо больше, чем кажется на первый взгляд. И в этих сложных взаимодействиях может быть ключ ко всему - от массы призрачной нейтринной частицы до окончательной судьбы вселенной.
Все о бозоне
Без бозона Хиггса почти вся Стандартная Модель рушится. Но чтобы поговорить о бозоне Хиггса, сначала нам нужно понять, как Стандартная Модель рассматривает вселенную.
В нашей лучшей концепции субатомного мира, использующей Стандартную модель, то, что мы считаем частицами, на самом деле не очень важно. Вместо этого есть поля. Эти поля пронизывают и поглощают все пространство и время. Есть одно поле для каждого вида частиц. Итак, есть поле для электронов, поле для фотонов и так далее, и так далее. То, что вы воспринимаете как частицы, - это действительно локальные небольшие колебания в их конкретных полях. И когда частицы взаимодействуют (скажем, отскакивая друг от друга), это действительно вибрации в полях, которые делают очень сложный танец.
Бозон Хиггса имеет особый вид поля. Как и другие поля, он пронизывает все пространство и время, и он также может говорить и играть с полями всех остальных.
Но у поля Хиггса есть две очень важные задачи, которые не могут быть выполнены ни одной другой областью.
Его первая задача - поговорить с W и Z бозонами (через их соответствующие поля), носителями слабой ядерной силы. Разговаривая с этими другими бозонами, Хиггс может дать им массу и убедиться, что они остаются отделенными от фотонов, носителей электромагнитной силы. Без вмешательства бозона Хиггса все эти носители будут объединены, и эти две силы объединятся.
Другая задача бозона Хиггса - общаться с другими частицами, такими как электроны; через эти разговоры, это также дает им массу. Все это прекрасно работает, потому что у нас нет другого способа объяснить массы этих частиц.
Легкий и тяжелый
Все это было разработано в 1960-х годах с помощью серии сложных, но, несомненно, изящных математических вычислений, но в теории есть только одна маленькая хитрость: нет реального способа предсказать точную массу бозона Хиггса. Другими словами, когда вы ищете частицу (которая представляет собой небольшую локальную вибрацию гораздо большего поля) в коллайдере частиц, вы не знаете точно, что и где вы собираетесь найти.
В 2012 году ученые на LHC объявили об открытии бозона Хиггса после того, как обнаружили, что несколько частиц, представляющих поле Хиггса, были получены, когда протоны были врезаны друг в друга на почти световой скорости. Эти частицы имели массу 125 гигаэлектронвольт (ГэВ), или примерно эквивалент 125 протонов - так что они тяжелые, но не невероятно огромные.
На первый взгляд все это звучит нормально. Физики на самом деле не имели точного прогноза для массы бозона Хиггса, поэтому он мог быть тем, чем хотел; мы случайно нашли массу в диапазоне энергий LHC. Разбейся, и начнем праздновать.
За исключением того, что есть некоторые нерешительные, своего рода полу-предсказания о массе бозона Хиггса, основанные на том, как он взаимодействует с еще одной частицей, верхним кварком. Эти расчеты предсказывают число выше 125 ГэВ. Может быть, эти прогнозы неверны, но тогда мы должны вернуться к математике и выяснить, куда идут дела. Или несоответствие между широкими предсказаниями и реальностью того, что было найдено внутри LHC, может означать, что это еще не история бозона Хиггса.
Огромный Хиггс
Там вполне может быть целый ряд бозонов Хиггса, которые слишком тяжелы для нас, чтобы мы могли видеть их с помощью нашего текущего поколения коллайдеров частиц. (Массовая энергия восходит к знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc ^ 2, которое показывает, что энергия - это масса, а масса - энергия. Чем больше масса частицы, тем больше у нее энергии и больше энергии, необходимой для создания этого здоровенного предмет.)
Фактически, некоторые умозрительные теории, которые выдвигают наши знания физики за пределы Стандартной модели, предсказывают существование этих тяжелых бозонов Хиггса. Точная природа этих дополнительных символов Хиггса зависит, конечно, от теории, варьируясь в любом месте: от одного или двух сверхтяжелых полей Хиггса до даже составных структур, состоящих из множества различных типов бозонов Хиггса, слипшихся воедино.
Теоретики усердно трудятся, пытаясь найти какой-либо возможный способ проверить эти теории, поскольку большинство из них просто недоступны для текущих экспериментов. В недавней статье, представленной в Журнал физики высоких энергий и опубликованной в Интернете в препринтном журнале arXiv, группа физиков выдвинула предложение по поиску существования большего числа бозонов Хиггса, основываясь на особом способе, которым частицы могут распадаться в более легкие, более легко узнаваемые частицы, такие как электроны, нейтрино и фотоны. Однако эти распады крайне редки, поэтому, хотя мы в принципе можем найти их с помощью LHC, для сбора достаточного количества данных потребуется много лет поиска.
Когда дело доходит до тяжелого Хиггса, нам просто нужно набраться терпения.
