Какво представлява бозонът на Хигс?

Бозонът на Хигс е една от 17-те елементарни частици, които съставляват Стандартния модел на физиката на елементарните частици, който е най-добрата теория на учените за поведението на най-основните градивни елементи на Вселената. Бозонът на Хигс беше последната от тях, която беше открита след търсене, продължило пет десетилетия, и играе толкова фундаментална роля в субатомната физика, че понякога се нарича „божествена частица“. Ще разглеждаме по-отблизо бозона на Хигс от теоретичния му произход, през откритието му през 2012 г., до значението му днес.

Едно от най-основните свойства на материята е „масата“ – количество, което определя колко съпротивление оказва даден обект, когато върху него се приложи сила. Това е m в известното уравнение на Айнщайн E = mc^2, където E е енергия. Тъй като С е просто константа – скоростта на светлината – тогава това, което уравнението ни казва, е, че с изключение на промяна на мерните единици, енергията и масата са едно и също нещо. Около 99% от масата на всеки обект от реалния свят, като например човешкото тяло, идва от енергията на свързване, която държи елементарните частици заедно вътре в атомите. Останалият 1% от масата обаче е присъщ на тези елементарни частици. Въпросът е: Как те получават масата си?

През 60-те години на миналия век физици-теоретици, включително Питър Хигс от Университета в Единбург, излизат с възможен отговор, според CERN, Европейската организация за ядрени изследвания. Механизмът, който те предлагат, включва невидимо, но всепроникващо поле, наречено по-късно „полето на Хигс“. Именно чрез взаимодействия с това поле елементарните частици придобиват своята маса.

Различните частици имат различни маси, защото не всички са засегнати по един и същи начин от полето на Хигс. Ученият от ЦЕРН, Стефано Мероли, обяснява това като прави аналогия с човек (елементарната частица), който се движи през група журналисти (полето на Хигс). Ако човекът е знаменитост, той ще трябва да си пробие път, като частица с голяма маса, но ако е непознат на журналистите, ще премине лесно – като частица с ниска маса.

Питър Хигс изпраща оригиналната си статия за полето на Хигс (по това време неназована) в списанието Physical Review Letters на 31 август 1964 г., според Университета в Единбург. В същия ден е публикувана друга статия на белгийските физици Франсоа Енглер и Робърт Броут, описваща по същество същата теория. Когато това стана ясно, Хигс промени собствената си статия, за да добави още едно предсказание – че трябва да има нова елементарна частица, свързана с полето на Хигс. Принадлежеше към клас частици, наречени бозони, и сам по себе си би имал изключително висока маса. Това беше частицата, която стана известна като Хигс бозон.

Теорията на Хигс беше елегантно обяснение за масата на елементарните частици, но вярна ли беше? Най-очевидният начин да се провери това беше да се наблюдава бозон на Хигс, но това никога нямаше да бъде лесно. От една страна, се очакваше бозонът на Хигс да бъде силно нестабилен, да се разпадне на други частици за малка част от секундата, според физика Брайън Грийн, пишещ за Smithsonian Magazine. А огромната му маса – по субатомни стандарти – означаваше, че може да бъде създадена само при сблъсъци със свръхвисока енергия. Когато ЦЕРН построи най-мощния ускорител на частици в света, Големия адронен колайдер (LHC), една от основните му цели беше да открие бозона на Хигс.

Физиците измерват масата на частиците в единици, наречени електронни волтове (eV). Например, масата на протона – ядрото на водороден атом – е 938 милиона eV. Когато LHC започна да работи през 2008 г., единственото нещо, което учените знаеха със сигурност за Хигс, беше, че масата му трябваше да бъде по-голяма от 114 милиарда eV, според ЦЕРН – в противен случай той щеше да бъде намерен от предишното поколение ускорители на частици. За щастие LHC се оказа равен на задачата, като направи все по-голям брой измервания, показващи нещо примамливо подобно на Хигс около 125 милиарда eV. До 4 юли 2012 г. вече нямаше никакво съмнение и беше направено официално съобщение с медийни фанфари. Почти 50 години след като беше предсказан на теория за първи път, бозонът на Хигс най-накрая беше наистина открит.

За съжаление, един от тримата учени, които стоят зад първоначалното предсказание, Робърт Браут, почина малко повече от година по-рано. Другите двама физици, Франсоа Енглерт и Питър Хигс, бяха удостоени с Нобелова награда за физика за 2013 г. „за теоретичното откриване на механизъм, който допринася за нашето разбиране за произхода на масата на субатомните частици и което наскоро беше потвърдено чрез откриване на предсказаната фундаментална частица“, според Нобеловата фондация.

Извън света на физиката на високите енергии, бозонът на Хигс често се споменава с предизвикателното и закачливо име – „Божията частица“. Това беше заглавието на книга от 1993 г. по темата от Леон Ледерман и Дик Терези — избрана, казват авторите, защото издателят не им позволи да я нарекат „Проклетата частица“. Колкото и да е харесвано от медиите, прозвището „Божествена частица“ не се харесва от много учени, според ЦЕРН.

„Божествена частица“ или не, откриването на Хигс бозона беше изключително важно. Според Пийт Уилтън от Оксфордския университет, това беше последната част от пъзела на стандартния модел и може да доведе учените до разбиране на допълнителни мистерии – като природата на тъмната материя – които се намират отвъд нея. Сам по себе си също бозонът на Хигс продължава да разкрива повече от своите мистерии на учени от ЦЕРН и другаде.

Един от начините да научим повече за начина, по който работи – и дали наистина е отговорен за масата на всички други елементарни частици – е като наблюдаваме различните начини, по които Хигс бозонът се разпада в други частици. Обикновено се разпада на кварки, но също така е установено, че се разпада в съвсем различен клас частици, наречени муони. Това е силна индикация, че муоните, подобно на кварките, наистина получават масата си чрез механизма на Хигс.

Бозонът на Хигс може да ни подготви още повече изненади. Например, частицата, която е открита – която е близо до долния край на очаквания диапазон на масата – може да не е единствената Хигс там. Може да има цяло семейство бозони на Хигс, някои много по-масивни от този, за който в момента знаем. От друга страна, скорошните изследвания показват, че ако Хигс има значително по-голяма маса от него, Вселената може да е претърпяла катастрофален колапс в самото си начало. Това може да е била съдбата и на други части от мултивселената, но за щастие не и нашата собствена. Ако тази теория е вярна, можем да благодарим на бозона на Хигс за самото ни съществуване.

Така и така си тук …

… искаме да те помолим за услуга. Ние сме малка независима редакция, което значи, че сами си решаваме какво да правим и за какво да пишем. Нямаме абсолютно никакви зависимости към рекламодатели, собствениците ни не са милионери, нямаме никакви взаимоотношения с политици или пък бизнесмени. Никой не редактира редактора. Никой не „насочва“ мнението ни. Затова ти можеш да ни подкрепиш. Ако ни четеш редовно и смяташ, че статиите, които качваме са полезни, интересни или забавни, може да натиснеш бутона по – долу и да дариш сума по свое усмотрение.