Хиггс бозон для самых маленьких
Кхм-кхм... объяснения на пальцах всегда грешат недоговрками и неточностями.
Поэтому следующий далее текст можно использовать исключительно для ознакомления с предметом и не стоит, к примеру, вставлять в диссертацию ;)
если вы запаслись терпением и поп-корном:
Так, о чём это мы?
В школе нам всем рассказывали, что мир состоит из атомов. Атомы - из протонов, нейтронов и электронов. Некоторым повезло еще больше: им рассказали, что протоны и нейтроны в свою очередь состоят из частиц, которые называются кварками.
Как и протоны, так и нейтроны содержат всего два типа кварков,
которые называются u [up] и d [down]
Выглядит это как-то так:
На этом обычно школьная физика кончается.
Однако с тех пор как школьная программа пересматривалась последний раз, прогресс ушел далеко в перед. Выяснилось, что кварков может быть целых 6 штук. И до сих пор не понятно почему наш земной мир такой ограниченный и для него достаточно всего двух кварков - ведь вся наша материя состоит из протонов и нейтронов, т.е. по сути из u и d кварков.
Однако мы научились получать кварки, которые в обычной жизни не видны. Для этого досточно разогнать нашу земную материю [протоны или электроны] до высокой скорости и столкнуть хорошенько. Так рождаются новые частицы, а энергия сталкиваемых частиц переходит в их массу.
Проблема в том, что 4 типа кварков, которые мы обычно не видим "тяжелее" хорошо знакомых u и d кварков, поэтому чтобы они появились, разгонять частицы перед столкновением нужно очень сильно. Для этого и нужны все эти ужжжасные ускорители типа LHC, он же Большой Адронный Коллайдер.
Хозяйке на заметку: адронами называются частицы, которые содержат 3 кварка. Например хорошо знакомые нам всем протоны и нейтроны. В LHC сталкивают протонные пучки, и т.к. протоны=адроны он и получил своё гордое имя Адронный.
Простите, отвлеклась.
У кварков много общего с электронами, так много что их вместе объединили в семейство, которое называется фермионами.
Фермионы могут взаимодействовать между собой через другие частицы - переносчики взаимодействия. Для краткости все переносчики взаимодействия называют бозонами.
Схематически это обычно изображают на схемах, которые называются диаграммами Фейнмана.
Идея это схемы довольно проста: фермионы взаимодействуют и излучают бозон. Бозоны обычно долго не живут и рождают какие-нибудь другие фермионы.
Например так:
Здесь в качестве бозона выступает гамма квант, он же фотон.
Фермионы [электрон и позитрон] сначала рождают этот фотон, а затем он рождает электрон и позитрон.
Еще это можно представлять себе как-будто электрон и позитрон не исчезают и появляются, а просто общаются друг с другом посредством этого фотона.
Итого, кроме бозона Хиггса о котором речь пойдет ниже, существуют и другие бозоны.
Поэтому спрашивать: "Ну чё там с бозоном?" - не очень корректно.
Хиггс бозон: зачем он и какой он?
В теории про фермионы и бозоны [она называется Стандартная Модель] всё было прекрасно и подтверждается экспериментально.
Кроме одного момента - у частиц в ней нет массы. А ведь мы прекрасно знаем, что всё в нашем мире имеет вес. Поэтому нужно было придумать некий механизм, который бы эту массу объяснял. Такой механизм придумал Пи́тер В. Хиггс в 60х годах.
По сути это простое математическое уравнение, которое показывает что если добавить один бозон, то у частиц тут же появляется масса и всё становиться на свои места.
При желании это уравнение можно расширить добавляя не один бозон, а несколько - хоть пять штук.
Короче говоря, механизм хоть и прекрасен в своей математической простоте собственно о самом бозоне, который нужно добавить почти ничего не говорит: ни сколько он сам весит, ни один ли он или ему обязательно нужны собратья. Бозон этот назвали бозоном Хиггса и с 80х годов его\их ищут как могут.
Хиггсовский бозон как и любой другой может появляться при рождении фермионов и распадаться в эти же и\или другие фермионы.
Конечно хочется максимальной простоты и пока все надеются что Хиггс бозон всего один.
Именно для этого случая теоретики просчитали кучу диаграмм Феймана с разными фермионами и теперь в экспериментах ищут подтверждение или опровержение этим расчетам.
Плохая новость: по сути это задача с многими неизвестными и даже когда удается что-нибудь найти это всего лишь измерение одного из неизвестных параметров.
Хорошая новость: хиггсовский бозон может распадаться в любые фермионы мерить эти каналы распада можно отдельно, а потом смотреть как они согласуются друг с другом.
Типичное измерение выглядит так:
Допустим вы ожидаете, что бозон распадается на два определенных кварка. Эти кварки разлетаются в разные стороны, оставляя следы в детекторе. Но вы-то знаете, что их всего два, поэтому всё что нужно - посмотреть картинки из детектора, где четко видны следы двух частиц и если они не описываются распадом известных частиц - значит это был Хиггс бозон!
Проблема в том, что в протоне кварков три, когда вы сталкиваете протон с протоном - это как минимум три одновременных взаимодействия кварков, плюс ко всему энергия очень большая и при такой энергии могут рождаться пары кварков еще и еще. В итоге картинки с детектора выглядят как-то так:
[все желтые линии здесь - следы частиц]
Как вы понимаете, разглядеть на глаз был ли здесь Хиггс бозон или нет - сложновато.
Благо прогресс не стоит на месте и отсеивать следы неинтересных частиц научились с помощью компьютерного разума. Хотя всё еще требуется много времени, чтобы доказать что алгоритмы отбрасывания всего ненужного работают правильно.
Что же мы узнали 4 июля 2012?
В этот исторический день два эксперимента[детектора], которые трудятся на LHC, обнародовали свои результаты по некоторым каналам распада, где теоретики ожидают увидеть Хиггс бозон раньше всего [в том самом простейшем случае, когда такой бозон всего один]. Результаты пока не очень впечатляющие с точки зрения теоретиков: оба эксперимента показывают, что есть нечто. И главное достижение, что эти независимые эксперименты измерили массу этого "нечто" и она совпадает. Но кроме собственно массы измерить пока ничего не удалось. Так и не понятно это тот самый один-единственный Хиггс бозон? Или один из семейства Хиггсов в более сложной модели? Или это вообще не Хиггс бозон, а просто частица которую раньше видеть не доводилось?
Ответы на эти вопросы покажет время. Я думаю не раньше чем через год или два.
LHC это очень сложный с точки зрения анализа данных эксперимент. И за очень короткий срок им удалось наладить обработку данных практически в режиме онлайн и выдавать результаты с очень быстрой скоростью. Собственно сегодня они показали, что работают не только быстро, но и аккуратно и перепроверяют всё множество раз.
Но о впечатляющих результатах с теоретической точки зрения говорить пока рано. Нужно еще посмотреть на другие возможные каналы распада, они либо внесут больше ясности, либо подкинут новые сюрпризы. И это, естественно, займет какое-то время, ибо возможных каналов распадов - десятки.
Так что разбирать коллайдер прямо завтра точно никто не будет.
Поэтому следующий далее текст можно использовать исключительно для ознакомления с предметом и не стоит, к примеру, вставлять в диссертацию ;)
если вы запаслись терпением и поп-корном:
Так, о чём это мы?
В школе нам всем рассказывали, что мир состоит из атомов. Атомы - из протонов, нейтронов и электронов. Некоторым повезло еще больше: им рассказали, что протоны и нейтроны в свою очередь состоят из частиц, которые называются кварками.
Как и протоны, так и нейтроны содержат всего два типа кварков,
которые называются u [up] и d [down]
Выглядит это как-то так:
На этом обычно школьная физика кончается.
Однако с тех пор как школьная программа пересматривалась последний раз, прогресс ушел далеко в перед. Выяснилось, что кварков может быть целых 6 штук. И до сих пор не понятно почему наш земной мир такой ограниченный и для него достаточно всего двух кварков - ведь вся наша материя состоит из протонов и нейтронов, т.е. по сути из u и d кварков.
Однако мы научились получать кварки, которые в обычной жизни не видны. Для этого досточно разогнать нашу земную материю [протоны или электроны] до высокой скорости и столкнуть хорошенько. Так рождаются новые частицы, а энергия сталкиваемых частиц переходит в их массу.
Проблема в том, что 4 типа кварков, которые мы обычно не видим "тяжелее" хорошо знакомых u и d кварков, поэтому чтобы они появились, разгонять частицы перед столкновением нужно очень сильно. Для этого и нужны все эти ужжжасные ускорители типа LHC, он же Большой Адронный Коллайдер.
Хозяйке на заметку: адронами называются частицы, которые содержат 3 кварка. Например хорошо знакомые нам всем протоны и нейтроны. В LHC сталкивают протонные пучки, и т.к. протоны=адроны он и получил своё гордое имя Адронный.
Простите, отвлеклась.
У кварков много общего с электронами, так много что их вместе объединили в семейство, которое называется фермионами.
Фермионы могут взаимодействовать между собой через другие частицы - переносчики взаимодействия. Для краткости все переносчики взаимодействия называют бозонами.
Схематически это обычно изображают на схемах, которые называются диаграммами Фейнмана.
Идея это схемы довольно проста: фермионы взаимодействуют и излучают бозон. Бозоны обычно долго не живут и рождают какие-нибудь другие фермионы.
Например так:
Здесь в качестве бозона выступает гамма квант, он же фотон.
Фермионы [электрон и позитрон] сначала рождают этот фотон, а затем он рождает электрон и позитрон.
Еще это можно представлять себе как-будто электрон и позитрон не исчезают и появляются, а просто общаются друг с другом посредством этого фотона.
Итого, кроме бозона Хиггса о котором речь пойдет ниже, существуют и другие бозоны.
Поэтому спрашивать: "Ну чё там с бозоном?" - не очень корректно.
Хиггс бозон: зачем он и какой он?
В теории про фермионы и бозоны [она называется Стандартная Модель] всё было прекрасно и подтверждается экспериментально.
Кроме одного момента - у частиц в ней нет массы. А ведь мы прекрасно знаем, что всё в нашем мире имеет вес. Поэтому нужно было придумать некий механизм, который бы эту массу объяснял. Такой механизм придумал Пи́тер В. Хиггс в 60х годах.
По сути это простое математическое уравнение, которое показывает что если добавить один бозон, то у частиц тут же появляется масса и всё становиться на свои места.
При желании это уравнение можно расширить добавляя не один бозон, а несколько - хоть пять штук.
Короче говоря, механизм хоть и прекрасен в своей математической простоте собственно о самом бозоне, который нужно добавить почти ничего не говорит: ни сколько он сам весит, ни один ли он или ему обязательно нужны собратья. Бозон этот назвали бозоном Хиггса и с 80х годов его\их ищут как могут.
Хиггсовский бозон как и любой другой может появляться при рождении фермионов и распадаться в эти же и\или другие фермионы.
Конечно хочется максимальной простоты и пока все надеются что Хиггс бозон всего один.
Именно для этого случая теоретики просчитали кучу диаграмм Феймана с разными фермионами и теперь в экспериментах ищут подтверждение или опровержение этим расчетам.
Плохая новость: по сути это задача с многими неизвестными и даже когда удается что-нибудь найти это всего лишь измерение одного из неизвестных параметров.
Хорошая новость: хиггсовский бозон может распадаться в любые фермионы мерить эти каналы распада можно отдельно, а потом смотреть как они согласуются друг с другом.
Типичное измерение выглядит так:
Допустим вы ожидаете, что бозон распадается на два определенных кварка. Эти кварки разлетаются в разные стороны, оставляя следы в детекторе. Но вы-то знаете, что их всего два, поэтому всё что нужно - посмотреть картинки из детектора, где четко видны следы двух частиц и если они не описываются распадом известных частиц - значит это был Хиггс бозон!
Проблема в том, что в протоне кварков три, когда вы сталкиваете протон с протоном - это как минимум три одновременных взаимодействия кварков, плюс ко всему энергия очень большая и при такой энергии могут рождаться пары кварков еще и еще. В итоге картинки с детектора выглядят как-то так:
[все желтые линии здесь - следы частиц]
Как вы понимаете, разглядеть на глаз был ли здесь Хиггс бозон или нет - сложновато.
Благо прогресс не стоит на месте и отсеивать следы неинтересных частиц научились с помощью компьютерного разума. Хотя всё еще требуется много времени, чтобы доказать что алгоритмы отбрасывания всего ненужного работают правильно.
Что же мы узнали 4 июля 2012?
В этот исторический день два эксперимента[детектора], которые трудятся на LHC, обнародовали свои результаты по некоторым каналам распада, где теоретики ожидают увидеть Хиггс бозон раньше всего [в том самом простейшем случае, когда такой бозон всего один]. Результаты пока не очень впечатляющие с точки зрения теоретиков: оба эксперимента показывают, что есть нечто. И главное достижение, что эти независимые эксперименты измерили массу этого "нечто" и она совпадает. Но кроме собственно массы измерить пока ничего не удалось. Так и не понятно это тот самый один-единственный Хиггс бозон? Или один из семейства Хиггсов в более сложной модели? Или это вообще не Хиггс бозон, а просто частица которую раньше видеть не доводилось?
Ответы на эти вопросы покажет время. Я думаю не раньше чем через год или два.
LHC это очень сложный с точки зрения анализа данных эксперимент. И за очень короткий срок им удалось наладить обработку данных практически в режиме онлайн и выдавать результаты с очень быстрой скоростью. Собственно сегодня они показали, что работают не только быстро, но и аккуратно и перепроверяют всё множество раз.
Но о впечатляющих результатах с теоретической точки зрения говорить пока рано. Нужно еще посмотреть на другие возможные каналы распада, они либо внесут больше ясности, либо подкинут новые сюрпризы. И это, естественно, займет какое-то время, ибо возможных каналов распадов - десятки.
Так что разбирать коллайдер прямо завтра точно никто не будет.