В июле 2012 года весь мир столкнулся лицом к лицу с бозоном Хиггса: блестящим маленьким огоньком, который танцевал на наших экранах, как Тинкер Белл. Подождите, это неправильно.
Пока физики прыгали от радости, чтобы «увидеть» бозон Хиггса - ту неуловимую частицу, из которой состоит поле Хиггса, позволяющее частицам набирать массу - правда в том, что они на самом деле увидели целую кучу цифр, графиков и общего данные, которые сказали им, что бозон Хиггса был обнаружен. И даже то, что он был «обнаружен», заслуживает некоторого пояснения.
Как сообщалось, достоверность собранных данных составила 5 сигм. Возможно, вы слышали, что «5-сигма» означает, что один к трем.5 миллионов шансов, что знаменитого бозона не существовало. Но не так быстро. Как и во многих новостях физики, здесь все сложнее. Уровень достоверности «пять сигм» на самом деле означал, что существует один шанс на 3,5 миллиона, что даже если бы не существовало частицы Хиггса, сотрудники ЦЕРН увидели бы те же результаты. Другими словами, существует шанс 1 к 3,5 миллиона, что эксперимент по поиску бозона Хиггса даст результаты, которые, казалось бы, подтверждают его, даже если такой частицы не существует.
Так что, если ученые из CERN (Европейской организации ядерных исследований) не ожидали увидеть что-то похожее на реквизит в постановке «Питер Пэн», что они искали? Долгое время физиков озадачивал тот факт, что такие частицы, как электроны и кварки, имеют массу. Они не стыдили маленьких человечков, из которых состоят атомы и молекулы; просто их математические представления о симметричной вселенной на самом деле не работали, если только частицы не были безмассовыми.
У Питера Хиггса и некоторых его коллег-физиков возникла идея. Вместо того, чтобы пытаться выяснить, как все эти уравнения можно изменить и разработать для работы с массовыми частицами, почему бы не сохранить математику и добавить предположение, что частицы действуют в поле, оказывающем на них сопротивление? Если бы это было так, мы могли бы найти вещество в этом «поле», которое добавляет массу частице, создавая сопротивление. Представьте себе муху, жужжащую в воздухе; он мчится очень хорошо, пока не сталкивается с сильным встречным ветром. Внезапно наша скоростная маленькая мушка чувствует себя довольно тяжелой. Так было бы и с нашими частицами, когда они пробивались сквозь поле Хиггса.
Конечно, физики не искали какой-то универсальный кленовый сироп, в котором мы все плавали, не замечая этого. Скорее они искали частицы, которые могли бы составить поле Хиггса, и они думали, что их поиск может быть успешным, если бы они просто воссоздали условия сразу после Большого Взрыва. В этих условиях мы можем увидеть, как летают такие вещи, как кварки и лептоны, и было ли создано что-то вроде бозона Хиггса, чтобы обеспечить массу, которая позволяет им собираться в составные частицы, такие как протоны.
Большой адронный коллайдер похож на трассу NASCAR для роев мчащихся протонов (и некоторых тяжелых ионов тоже). Эти протоны мчатся в противоположных направлениях по почти 27-километровому кругу и сталкиваются друг с другом миллионы раз в секунду. Когда они сталкиваются, составные частицы распадаются на более мелкие части - кварки и лептоны. Созданная энергия может позволить нам увидеть очень, очень тяжелые частицы, образовавшиеся при столкновении.
Здесь мы начинаем «видеть» такие вещи, как бозон Хиггса. Детекторы БАК измеряют энергию и заряд частиц, образующихся в результате столкновений протонов. Детекторы - это не сжимающиеся фиалки - самый большой из них на БАК имеет высоту 82 фута (25 метров) и такую же ширину. Они должны быть такими большими, потому что для искривления пути частиц используются гигантские магниты
Если мы искривим траекторию частиц в магнитном поле, мы увидим, как они реагируют по-разному: некоторые частицы с очень большим импульсом будут двигаться по прямой линии, а частицы с меньшим импульсом будут двигаться по плотной спирали. Таким образом, импульс - это одна полезная часть информации, которую исследователи и физики могут изучать, ломая голову над идентификацией конкретной частицы.
Удобны и следящие устройства в детекторах. Устройство слежения записывает электронные сигналы, которые частицы оставляют после себя, когда они проходят через детектор, что, в свою очередь, позволяет компьютеру графически отображать траекторию движения частицы.
Калориметры внутри детекторов также помогают в идентификации. Калориметр измеряет энергию, которую частица теряет после столкновения, и поглощает частицы внутри детектора. Затем физики могут изучать излучение, испускаемое частицами, что помогает им определить еще несколько уникальных идентификаторов для конкретных частиц.
Так как же выглядит бозон Хиггса? Что ж, не хочу разочаровывать, но все дело в том, что мы этого не видим. Это маленькая частица, чувак. Не будь сумасшедшим. Вместо этого мы видим графики. И данные. Все эти зашумленные данные о траектории частиц, энергии, продуктах распада и многом другом были обнаружены детекторами и синтезированы в холодные, точные числа. Эти числа указывали на то, что имел место «избыток событий», указывающий на существование бозона бозона Хиггса.
Не расстраивайтесь. Приятные ребята из CERN знают, чего мы хотим: красивых картинок, изображающих бозон Хиггса. Если вы хотите увидеть графическую симуляцию столкновений, посетите веб-сайт CERN, где вы найдете некоторые (очень удовлетворительные) представления того, как «выглядит» бозон Хиггса в действии.
Примечание автора: как выглядит бозон Хиггса?
Представляя бозон Хиггса, я думаю, будет справедливо сказать, что я в значительной степени представляю каплю кленового сиропа, из которой состоит сиропообразное поле бозона Хиггса. Это не точно, но заставляет меня много думать о физике элементарных частиц, завтракая каждые выходные.