อนุภาคศักดิ์สิทธิ์ พูดง่ายๆ คือ Higgs boson - มันคืออะไร? ผลกระทบของการค้นพบอนุภาคฮิกส์ต่อวรรณกรรม ภาพยนตร์ และดนตรี

เป็นเวลานานในที่สุดสิ่งที่เข้าใจยากที่เหลืออยู่ซึ่งเรียกว่าอนุภาคของพระเจ้าก็ถูกจับได้ Higgs boson เป็นชิ้นส่วนที่หายไปในปริศนา Standard Model นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าโบซอนนี้มีหน้าที่รับผิดชอบต่อมวลของอนุภาค โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Large Hadron Collider ถูกสร้างขึ้นโดยเฉพาะสำหรับการค้นหา Higgs boson ซึ่งจัดการกับงานหลัก แต่ความลึกลับใหม่เกิดขึ้นต่อหน้านักวิทยาศาสตร์: มีฮิกส์โบซอนจริงๆหรือ? นอกจากนี้ การค้นพบโบซอนนี้ไม่ได้อธิบายการมีอยู่ของสสารมืดที่ขัดแย้งกันในทางใดทางหนึ่ง ซึ่งนักฟิสิกส์ได้ครอบครองอยู่บ่อยครั้งขึ้นเรื่อยๆ

ในที่สุด นักฟิสิกส์ก็ได้เห็นว่าอนุภาคมูลฐานซึ่งถูกค้นพบครั้งแรกที่ Large Hadron Collider สลายตัวเป็นควาร์กที่สวยงามสองชนิด อนุภาคแปลกใหม่และมีอายุสั้น ซึ่งมักปรากฏขึ้นหลังจากการชนกันของอนุภาคพลังงานสูง เราสามารถสังเกตกระบวนการที่เข้าใจยากนี้ได้ในตอนนี้เท่านั้น เป็นครั้งแรกในรอบหกปีหลังจากการค้นพบฮิกส์โบซอน นักวิทยาศาสตร์จากการทดลอง LHC สองครั้งคือ ATLAS และ CMS รายงานผลพร้อมกันที่งานสัมมนาที่ CERN เมื่อวันที่ 28 สิงหาคม

หนึ่งใน ความลึกลับที่ยิ่งใหญ่ที่สุดนักฟิสิกส์สามารถแก้สนามแกน "เหมือนที่นอน" ที่แทรกซึมเข้าไปในอวกาศและเวลาได้ นักฟิสิกส์สามคนที่ร่วมมือกันในบริเวณอ่าวซานฟรานซิสโกในช่วงสามปีที่ผ่านมาได้คิดค้นวิธีแก้ปัญหาใหม่ ๆ ที่ทำให้พวกเขากังวล สาขาวิทยาศาสตร์กว่า 30 ปี ปริศนาอันล้ำลึกนี้ ด้วยความช่วยเหลือของการทดลองกับเครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดถูกตั้งค่าให้เคลื่อนที่และเกิดสมมติฐานที่ขัดแย้งกันของลิขสิทธิ์ลิขสิทธิ์ แม้แต่นักเรียนระดับประถมศึกษาก็สามารถคิดสูตรขึ้นมาได้ นั่นคือวิธีที่แม่เหล็กยกคลิปหนีบกระดาษทั้งๆ ที่ แรงดึงดูดของโลกทั้งใบ

- อนุภาคใหม่จะให้อะไรกับนักวิทยาศาสตร์และคนทั่วไป?

ทิศทางหลักของการพัฒนาฟิสิกส์พื้นฐานสมัยใหม่คือฟิสิกส์ อนุภาคมูลฐานและจักรวาลวิทยาเป็นศาสตร์แห่งวิวัฒนาการของจักรวาล ในช่วง 10-15 ปีที่ผ่านมา เป็นที่ชัดเจนว่าอุปกรณ์ของจุลภาคและมหภาคนั้นสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด การค้นพบในพื้นที่หนึ่งทำให้เกิดแรงผลักดันอย่างมากต่อการพัฒนาพื้นที่อื่น

การค้นพบโบซอนฮิกส์จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ยืนยันว่าพื้นฐานของฟิสิกส์สมัยใหม่ - โมเดลมาตรฐาน - เป็นพื้นฐานที่เชื่อถือได้สำหรับการพัฒนาความเข้าใจในธรรมชาติของเราต่อไป การทำนายการมีอยู่ของอนุภาคฮิกส์ไม่ได้รับการยืนยันจากการทดลองมานานหลายทศวรรษ ซึ่งก็คือ จุดด่างดำของฟิสิกส์อนุภาคมูลฐานทั้งหมด การค้นพบโบซอนฮิกส์ยืนยันความถูกต้องของทิศทางหลักของการพัฒนา และจำกัดความเป็นไปได้ของทฤษฎีทางเลือกให้แคบลงอย่างมากทั้งในจุลภาคและมหภาค ซึ่งจะทำให้การใช้เงินงบประมาณมีประสิทธิภาพมากขึ้น

- เป็นไปได้ไหมที่จะใช้การค้นพบโบซอนใหม่?

ยังเร็วเกินไปที่จะพูดถึงมัน ก่อนอื่นคุณต้องศึกษาคุณสมบัติของมันอย่างละเอียดแล้วนึกถึงแอปพลิเคชั่น ความเป็นไปได้ของการใช้อนุภาคฮิกส์ในการอธิบายระยะแรกสุดของการก่อตัวของจักรวาลกำลังถูกตรวจสอบ และยังเป็นปรากฏการณ์พลังงานมืดอีกด้วย ปรากฏการณ์สุดท้ายที่ยังอธิบายไม่ได้ถูกค้นพบในปี 1998 เมื่อสังเกตการถดถอยอย่างรวดเร็วของควาซาร์ - วัตถุที่สว่างที่สุดในจักรวาล ผลกระทบนี้สามารถอธิบายได้โดยสมมติว่าคุณสมบัติไม่ธรรมดาของสารที่เติมจักรวาล

- อนุภาคนี้สามารถให้แรงกระตุ้นในการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ได้อย่างไร

เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วจากประวัติศาสตร์ของวิทยาศาสตร์ว่าการค้นพบพื้นฐานไม่ได้นำไปสู่การเกิดขึ้นของเทคโนโลยีใหม่ทันที ตัวอย่างที่รู้จักกันดีคือการค้นพบกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของไมเคิล ฟาราเดย์ ซึ่งการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีนี้ดูน่าสงสัยอย่างยิ่ง เกือบ 200 ปีต่อมา เป็นเรื่องยากที่จะจินตนาการถึงโลกของเราที่ปราศจากไฟฟ้า อีกตัวอย่างหนึ่งคือนิวตริโนที่ค้นพบในปี พ.ศ. 2476 ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับสสารเล็กน้อยมากจนสามารถทะลุผ่านโลกได้โดยไม่แม้แต่จะสังเกตเห็น เป็นเวลานานดูเหมือนว่าเป็นเรื่องยากสำหรับอนุภาคที่มีคุณสมบัติดังกล่าวในการค้นหาแอปพลิเคชัน อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์กำลังพยายามใช้นิวตริโนเพื่อส่งสัญญาณผ่านสื่อที่มีความหนาแน่นสูงและตรวจจับร่องรอยของปฏิกิริยานิวเคลียร์ในระยะไกล

สถานการณ์คล้ายกับอนุภาคฮิกส์ เห็นได้ชัดว่าต้องใช้เวลามากกว่าหนึ่งสิบปีก่อนที่ความเป็นไปได้ของการใช้ปรากฏการณ์นี้ในเทคโนโลยีจะชัดเจน ประการแรก วิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องจะพัฒนาขึ้น จากนั้นอิทธิพลก็จะแผ่ขยายออกไปอีก อาจเป็นได้ว่าคนรุ่นต่อไปเท่านั้นที่จะได้รับประโยชน์จากการค้นพบนี้ เช่นเดียวกับที่เรากำลังใช้การค้นพบของฟาราเดย์

การพัฒนา วิทยาศาสตร์สมัยใหม่กำลังเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและมากที่สุด ทิศทางต่างๆ... ตัวอย่างเช่น Nika ซึ่งเป็นเครื่องเร่งไอออนหนักของรัสเซียกำลังอยู่ในระหว่างการก่อสร้างในเมือง Dubna โดยจะทำงานในช่วงพลังงานที่ไม่ครอบคลุมโดยการติดตั้งใดๆ ในโลก รวมถึง Large Hadron Collider มันอยู่ในขอบเขตของพลังงานที่มีโอกาสได้รับเฟสผสมของสสารนิวเคลียร์ - สถานะที่อนุภาคที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียส - ควาร์กและกลูออน - มีอยู่พร้อมกัน จนถึงตอนนี้ ยังไม่มีใครสามารถ "จับ" ควาร์กอิสระได้

พวกเราที่ Quantuz (พยายามเข้าร่วมชุมชน GT) เสนอการแปลส่วน Higgs boson ของ particleadventure.org ในข้อความนี้ เราได้ยกเว้นรูปภาพที่ไม่ให้ข้อมูล (ดูเวอร์ชันเต็มในต้นฉบับ) เนื้อหาจะเป็นที่สนใจสำหรับทุกคนที่สนใจในความสำเร็จล่าสุดในฟิสิกส์ประยุกต์

บทบาทของฮิกส์โบซอน

ฮิกส์โบซอนเป็นอนุภาคสุดท้ายที่ค้นพบในแบบจำลองมาตรฐาน นี่เป็นองค์ประกอบที่สำคัญของทฤษฎี การค้นพบของเขาช่วยยืนยันกลไกการรับมวลของอนุภาคพื้นฐาน อนุภาคพื้นฐานเหล่านี้ในแบบจำลองมาตรฐาน ได้แก่ ควาร์ก เลปตอน และอนุภาคอุ้มแรง

ทฤษฎีปี พ.ศ. 2507

ในปีพ.ศ. 2507 นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจำนวน 6 คนได้ตั้งสมมติฐานว่าสนามใหม่ (เช่น สนามแม่เหล็กไฟฟ้า) มีอยู่จริง ซึ่งครอบคลุมพื้นที่ทั้งหมดและแก้ปัญหาสำคัญยิ่งในการทำความเข้าใจจักรวาลของเรา

นักฟิสิกส์คนอื่นๆ ได้สร้างทฤษฎีอนุภาคพื้นฐานขึ้นอย่างเป็นอิสระจากสิ่งนี้ ซึ่งท้ายที่สุดเรียกว่า "แบบจำลองมาตรฐาน" ซึ่งให้ความแม่นยำอย่างมหัศจรรย์ (ความแม่นยำในการทดลองบางส่วนของแบบจำลองมาตรฐานถึง 1 ใน 10 พันล้าน ซึ่งเทียบเท่ากับการทำนายระยะห่างระหว่าง นิวยอร์กและซานฟรานซิสโกด้วยความแม่นยำประมาณ 0.4 มม.) ความพยายามเหล่านี้มีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด แบบจำลองมาตรฐานจำเป็นต้องมีกลไกเพื่อให้อนุภาคได้รับมวล ทฤษฎีสนามพัฒนาโดย Peter Higgs, Robert Braut, François Engler, Gerald Guralnik, Karl Hagen และ Thomas Kibble

โบซอน

Peter Higgs ตระหนักดีว่าโดยการเปรียบเทียบกับผู้อื่น สนามควอนตัมจะต้องมีอนุภาคที่เกี่ยวข้องกับฟิลด์ใหม่นี้ มันต้องมีสปินเท่ากับศูนย์และดังนั้นจึงเป็นโบซอน - อนุภาคที่มีการหมุนเป็นจำนวนเต็ม (ตรงกันข้ามกับเฟอร์มิออนซึ่งมีสปินครึ่งจำนวนเต็ม: 1/2, 3/2 เป็นต้น) อันที่จริง ในไม่ช้ามันก็กลายเป็นที่รู้จักในชื่อฮิกส์โบซอน ข้อเสียอย่างเดียวของเขาคือไม่มีใครเห็นเขา

มวลของโบซอนคืออะไร?

น่าเสียดายที่ทฤษฎีทำนายโบซอนไม่ได้ระบุมวลของมัน หลายปีผ่านไปจนกระทั่งเป็นที่ชัดเจนว่าโบซอนของฮิกส์ต้องหนักมาก และเป็นไปได้มากที่สุดสำหรับสิ่งอำนวยความสะดวกที่สร้างขึ้นก่อน Large Hadron Collider (LHC)

โปรดจำไว้ว่าตาม E = mc 2 ยิ่งมวลของอนุภาคมากเท่าไรก็ยิ่งต้องการพลังงานมากขึ้นในการสร้างมัน

ในขณะที่ LHC เริ่มรวบรวมข้อมูลในปี 2010 การทดลองกับเครื่องเร่งความเร็วอื่นๆ พบว่ามวลของ Higgs boson ต้องมากกว่า 115 GeV / s2 ในระหว่างการทดลองที่ LHC มีการวางแผนที่จะค้นหาหลักฐานของโบซอนในช่วงมวล 115-600 GeV / s2 หรือสูงกว่า 1,000 GeV / s2

ทุกปี มีความเป็นไปได้ในการทดลองที่จะแยกโบซอนที่มีจำนวนมากออก ในปี 1990 เป็นที่ทราบกันว่ามวลที่ต้องการควรมากกว่า 25 GeV / s2 และในปี 2546 ปรากฎว่ามากกว่า 115 GeV / s2

การชนกันที่ Large Hadron Collider สามารถก่อให้เกิดสิ่งที่น่าสนใจมากมาย

Dennis Overbye ใน The New York Times พูดถึงการสร้างเงื่อนไขใหม่หลังจาก บิ๊กแบงและพูดว่า:

« ... เศษของ [การระเบิด] ในส่วนนี้ของอวกาศไม่ปรากฏให้เห็นตั้งแต่จักรวาลเย็นลงเมื่อ 14 พันล้านปีก่อน - ฤดูใบไม้ผลิของชีวิตหายวับไปครั้งแล้วครั้งเล่าในทุกรูปแบบที่เป็นไปได้ราวกับว่าจักรวาลเข้าร่วม หนังเรื่อง Groundhog Day เวอร์ชั่นของตัวเอง»

ฮิกส์โบซอนอาจเป็นหนึ่งใน "สิ่งที่เหลืออยู่" เหล่านี้ มวลของมันจะต้องสูงมาก และจะต้องสลายตัวในเวลาน้อยกว่าหนึ่งนาโนวินาที

ประกาศ

หลังจากรอมาครึ่งศตวรรษ ละครเรื่องนี้ก็เข้มข้น นักฟิสิกส์นอนที่ทางเข้าหอประชุมเพื่อนั่งในการสัมมนาที่ห้องปฏิบัติการ CERN ในเจนีวา

จากที่นี่หนึ่งหมื่นไมล์ ณ อีกฟากหนึ่งของโลก ณ ที่อันทรงเกียรติ การประชุมนานาชาติฟิสิกส์อนุภาคในเมลเบิร์น นักวิทยาศาสตร์นับร้อยจากทั่วทุกมุม โลกรวมตัวกันเพื่อรับฟังการถ่ายทอดการสัมมนาจากเจนีวา

แต่ก่อนอื่น มาดูเบื้องหลังกันก่อน

ดอกไม้ไฟ 4 กรกฎาคม

เมื่อวันที่ 4 กรกฎาคม 2012 หัวหน้ากลุ่มทดลอง ATLAS และ CMS ที่ Large Hadron Collider ได้นำเสนอผลการค้นหาล่าสุดของพวกเขาสำหรับ Higgs boson มีข่าวลือว่าพวกเขากำลังจะรายงานมากกว่าแค่รายงานผล แต่อะไรนะ?

แน่นอน เมื่อนำเสนอผลลัพธ์ ความร่วมมือทั้งสองที่ทำการทดลองรายงานว่าพบหลักฐานการมีอยู่ของอนุภาค "เช่น Higgs boson" ที่มีมวลประมาณ 125 GeV มันเป็นอนุภาคอย่างแน่นอน และถ้าไม่ใช่ฮิกส์โบซอน แสดงว่ามีการเลียนแบบคุณภาพสูงมาก

หลักฐานไม่ได้น่าสงสัย นักวิทยาศาสตร์มีผลลัพธ์ซิกม่า 5 รายการ ซึ่งหมายความว่ามีโอกาสน้อยกว่าหนึ่งในล้านที่ข้อมูลเป็นเพียงข้อผิดพลาดทางสถิติ

ฮิกส์โบซอนสลายตัวเป็นอนุภาคอื่น

ฮิกส์โบซอนสลายตัวเป็นอนุภาคอื่นๆ เกือบจะในทันทีหลังจากที่มันถูกสร้างขึ้น ดังนั้นเราจึงสามารถสังเกตได้เฉพาะผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวของมันเท่านั้น การสลายตัวที่พบบ่อยที่สุด (ในบรรดาที่เราเห็น) แสดงไว้ในรูป:

การสลายตัวของ Higgs boson แต่ละแบบเรียกว่า "ช่องสลาย" หรือ "โหมดการสลายตัว" แม้ว่าโหมด bb จะเป็นเรื่องปกติ แต่กระบวนการอื่นๆ จำนวนมากก็สร้างอนุภาคที่คล้ายคลึงกัน ดังนั้น หากคุณสังเกตการสลายตัวของ bb เป็นเรื่องยากมากที่จะบอกได้ว่าอนุภาคนั้นเกิดจาก Higgs boson หรืออย่างอื่น เราบอกว่าระบบการสลายตัวของ bb มี "ภูมิหลังที่กว้าง"

ช่องทางการสลายตัวที่ดีที่สุดสำหรับการค้นหา Higgs boson คือช่องโฟตอนสองโฟตอนและช่อง Z-boson สองช่อง *

* (ในทางเทคนิค สำหรับมวล 125 GeV Higgs boson จะไม่สามารถสลายตัวเป็น Z-boson สองตัวได้ เนื่องจาก Z-boson มีมวล 91 GeV ซึ่งส่งผลให้ทั้งคู่มีมวล 182 GeV มากกว่า 125 GeV อย่างไรก็ตาม สิ่งที่เราสังเกตเห็นคือการสลายตัวของ Z-boson และ Z-boson เสมือน (Z *) ซึ่งมวลของมันน้อยกว่ามาก)

การสลายตัวของฮิกส์โบซอนเป็น Z + Z

Z boson ยังมีโหมดการสลายตัวหลายโหมด รวมถึง Z → e + + e- และ Z → µ + + µ-.

โหมดการสลายตัวของ Z + Z ค่อนข้างง่ายสำหรับการทดลอง ATLAS และ CMS เมื่อ Z-boson ทั้งสองสลายตัวในหนึ่งในสองโหมด (Z → e + e- หรือ Z → µ + µ-) ในรูปมีโหมดการสลายตัวของ Higgs boson สี่โหมด:

ผลลัพธ์ที่ได้คือบางครั้งผู้สังเกตจะเห็น (นอกเหนือจากอนุภาคที่ไม่ผูกมัด) สี่มิวออนหรือสี่อิเล็กตรอน หรือสองมิวออนและสองอิเล็กตรอน

ลักษณะของฮิกส์โบซอนจะมีลักษณะอย่างไรในเครื่องตรวจจับ ATLAS

ในกรณีนี้ "เจ็ท" (เจ็ท) ลุกขึ้นและฮิกส์โบซอน - ขึ้น แต่มันสลายตัวเกือบจะในทันที ภาพการชนแต่ละภาพเรียกว่า "เหตุการณ์"

ตัวอย่างเหตุการณ์ที่อาจสลายตัวของฮิกส์โบซอนในรูปแบบของแอนิเมชั่นที่สวยงามของการชนกันของโปรตอนสองตัวใน Large Hadron Collider สามารถดูได้จากเว็บไซต์ต้นทางที่ลิงค์นี้

ในกรณีนี้ สามารถผลิตฮิกส์โบซอนและสลายตัวทันทีเป็นซีโบซอนสองตัว ซึ่งจะสลายตัวในทันที (เหลือมิวออนสองตัวและอิเลคตรอน 2 ตัว)

กลไกที่ให้มวลแก่อนุภาค

การค้นพบโบซอนของฮิกส์ให้เบาะแสที่น่าเหลือเชื่อเกี่ยวกับกลไกของวิธีการที่อนุภาคพื้นฐานได้รับมวล ตามที่อ้างโดยฮิกส์ เบราต์ เองเลอร์ เจอรัลด์ คาร์ล และคิบเบิล กลไกนี้คืออะไร? มันยากมาก ทฤษฎีทางคณิตศาสตร์แต่แนวคิดหลักสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นการเปรียบเทียบง่ายๆ

ลองนึกภาพพื้นที่ที่เต็มไปด้วยทุ่งฮิกส์ในฐานะปาร์ตี้ของนักฟิสิกส์ที่สื่อสารด้วยค็อกเทลอย่างใจเย็น ...
มีอยู่ช่วงหนึ่ง ปีเตอร์ ฮิกส์เข้ามา ผู้ซึ่งสร้างความตื่นเต้นในขณะที่เขาเดินข้ามห้องไปและดึงดูดกลุ่มแฟนๆ ในทุกย่างก้าว ...

ก่อนเข้าห้อง ศาสตราจารย์ฮิกส์สามารถเคลื่อนไหวได้อย่างอิสระ แต่หลังจากเข้าไปในห้องที่เต็มไปด้วยนักฟิสิกส์ ความเร็วของเขาก็ลดลง แฟนกลุ่มหนึ่งชะลอการเคลื่อนไหวของเขาไปรอบๆ ห้อง กล่าวอีกนัยหนึ่งเขาได้รับมวล สิ่งนี้คล้ายคลึงกับอนุภาคที่ไม่มีมวลซึ่งได้รับมวลเมื่อทำปฏิกิริยากับสนามฮิกส์

แต่สิ่งที่เขาต้องการคือไปที่บาร์!

(การเปรียบเทียบมาจาก Prof. David J. Miller จาก University College London ผู้ได้รับรางวัลจากการอธิบาย Higgs boson ที่เข้าถึงได้ - © CERN)

ฮิกส์โบซอนมีมวลของตัวเองอย่างไร?

ในทางกลับกัน ในขณะที่ข่าวแพร่กระจายไปทั่วทั้งห้อง พวกเขายังสร้างกลุ่มคนด้วย แต่คราวนี้มาจากนักฟิสิกส์เท่านั้น กลุ่มดังกล่าวสามารถเคลื่อนที่ช้าๆรอบห้อง เช่นเดียวกับอนุภาคอื่นๆ ฮิกส์โบซอนจะได้รับมวลเพียงแค่มีปฏิสัมพันธ์กับสนามฮิกส์

การหามวลโบซอนฮิกส์

คุณจะหามวลของฮิกส์โบซอนได้อย่างไรถ้ามันสลายเป็นอนุภาคอื่นก่อนที่เราจะตรวจจับมันได้?

หากคุณตัดสินใจที่จะประกอบจักรยานและต้องการทราบมวลของจักรยาน คุณควรเพิ่มมวลของชิ้นส่วนของจักรยาน: สองล้อ โครง แฮนด์จับ อาน ฯลฯ

แต่ถ้าคุณต้องการคำนวณมวลของฮิกส์โบซอนจากอนุภาคที่มันสลายตัวไป เพียงแค่เพิ่มมวลเข้าไปก็จะไม่ได้ผล ทำไมจะไม่ล่ะ?

การเพิ่มมวลของอนุภาคการสลายตัวของฮิกส์โบซอนไม่ทำงาน เนื่องจากอนุภาคเหล่านี้มีพลังงานจลน์มหาศาลเมื่อเทียบกับพลังงานที่เหลือ (จำไว้ว่าสำหรับอนุภาคที่อยู่นิ่ง E = mc 2) นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่ามวลของ Higgs boson นั้นมากกว่ามวลของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของการสลายตัวของมัน ดังนั้นพลังงานที่เหลือจะไปที่ไหนสักแห่ง กล่าวคือ ไปเป็นพลังงานจลน์ของอนุภาคที่เกิดขึ้นหลังจากการสลายตัว ทฤษฎีสัมพัทธภาพบอกให้เราใช้ความเท่าเทียมกันด้านล่างเพื่อคำนวณ "มวลคงที่" ของชุดอนุภาคหลังการสลายตัว ซึ่งจะทำให้เรามีมวลของ "พาเรนต์" ซึ่งก็คือฮิกส์โบซอน:

E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4

การหามวลโบซอนของฮิกส์จากผลิตภัณฑ์ที่สลายตัว

หมายเหตุจาก Quantuz: เราไม่แน่ใจเกี่ยวกับการแปลเล็กน้อย เนื่องจากมีข้อกำหนดพิเศษ เราขอแนะนำให้เปรียบเทียบคำแปลกับแหล่งที่มาเผื่อไว้

เมื่อเราพูดถึงการสลายตัวเช่น H → Z + Z * → e + + อี- + µ+ + µ- จากนั้นชุดค่าผสมที่เป็นไปได้สี่แบบที่แสดงด้านบนสามารถเกิดขึ้นได้จากทั้งการสลายตัวของโบซอนของฮิกส์และกระบวนการพื้นหลัง ดังนั้นเราต้องดูฮิสโตแกรมของมวลรวมของอนุภาคทั้งสี่ในชุดค่าผสมเหล่านี้

ฮิสโตแกรมมวลถือว่าเรากำลังสังเกตอยู่ จำนวนมากเหตุการณ์และสังเกตจำนวนเหตุการณ์เหล่านั้นเมื่อได้มวลคงที่สุดท้าย ดูเหมือนฮิสโตแกรมเพราะค่ามวลคงที่แบ่งออกเป็นแท่ง ความสูงของแต่ละคอลัมน์แสดงจำนวนเหตุการณ์ที่มวลคงที่อยู่ในช่วงที่สอดคล้องกัน

เราสามารถจินตนาการได้ว่าสิ่งเหล่านี้เป็นผลจากการสลายตัวของฮิกส์โบซอน แต่ไม่ใช่

ข้อมูล Higgs boson จากพื้นหลัง

พื้นที่สีแดงและสีม่วงของฮิสโตแกรมแสดง "พื้นหลัง" ซึ่งคาดว่าจำนวนเหตุการณ์สี่เลปตันจะเกิดขึ้นโดยไม่ต้องมีส่วนร่วมของฮิกส์โบซอน

พื้นที่สีน้ำเงิน (ดูภาพเคลื่อนไหว) แสดงถึงการคาดการณ์ "สัญญาณ" ซึ่งจำนวนเหตุการณ์สี่เลปตันแสดงให้เห็นผลของการสลายตัวของฮิกส์โบซอน สัญญาณอยู่ที่ด้านบนสุดของพื้นหลัง เนื่องจากเพื่อให้ได้จำนวนเหตุการณ์ที่คาดการณ์ไว้ทั้งหมด คุณเพียงแค่รวมผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ทั้งหมดของเหตุการณ์ที่อาจเกิดขึ้น

จุดสีดำแสดงถึงจำนวนเหตุการณ์ที่สังเกตได้ ในขณะที่เส้นสีดำผ่านจุดแสดงถึงความไม่แน่นอนทางสถิติในตัวเลขเหล่านี้ ข้อมูลที่เพิ่มขึ้น (ดูสไลด์ถัดไป) ที่ 125 GeV บ่งบอกถึงอนุภาค 125 GeV ใหม่ (Higgs boson)

ภาพเคลื่อนไหวของวิวัฒนาการของข้อมูล Higgs boson ขณะที่มันสะสมอยู่บนไซต์เดิม

สัญญาณ Higgs boson ค่อยๆ สูงขึ้นเหนือพื้นหลัง

ข้อมูลของ Higgs boson แบ่งเป็นสองโฟตอน

สลายเป็นสองโฟตอน (H → γ + γ) มีพื้นหลังที่กว้างกว่านั้นอีก แต่ถึงกระนั้น สัญญาณก็มีความโดดเด่นอย่างชัดเจน

นี่คือฮิสโตแกรมของมวลคงที่สำหรับฮิกส์โบซอนที่สลายตัวเป็นสองโฟตอน อย่างที่คุณเห็น พื้นหลังกว้างมากเมื่อเทียบกับกราฟก่อนหน้า เนื่องจากมีหลายกระบวนการที่สร้างโฟตอนมากกว่ากระบวนการที่มีเลปตอนสี่ตัว

เส้นประสีแดงแสดงพื้นหลัง และเส้นสีแดงตัวหนาแสดงผลรวมของพื้นหลังและสัญญาณ เราเห็นว่าข้อมูลอยู่ในข้อตกลงที่ดีกับอนุภาคใหม่ประมาณ 125 GeV

ข้อเสียของข้อมูลแรก

ข้อมูลมีความน่าเชื่อถือ แต่ไม่สมบูรณ์แบบ และมีข้อบกพร่องที่สำคัญ ภายในวันที่ 4 กรกฎาคม 2555 มีสถิติไม่เพียงพอที่จะกำหนดอัตราที่อนุภาค (ฮิกส์โบซอน) สลายตัวเป็น ชุดต่างๆอนุภาคที่มีมวลน้อยกว่า (ที่เรียกว่า "สัดส่วนการแตกแขนง") ทำนายโดยแบบจำลองมาตรฐาน

"สัดส่วนการแตกแขนง" เป็นเพียงความน่าจะเป็นที่อนุภาคจะสลายตัวผ่านช่องทางการสลายตัวที่กำหนด สัดส่วนเหล่านี้คาดการณ์โดยแบบจำลองมาตรฐานและวัดจากการสังเกตการสลายตัวของอนุภาคเดียวกันหลายครั้ง

กราฟต่อไปนี้แสดงการวัดสัดส่วนการแตกแขนงที่ดีที่สุดที่เราสามารถทำได้ในปี 2013 เนื่องจากเป็นสัดส่วนที่คาดการณ์โดยแบบจำลองมาตรฐาน ความคาดหวังคือ 1.0 จุดคือการวัดปัจจุบัน เห็นได้ชัดว่า แถบข้อผิดพลาดส่วนใหญ่ (เส้นสีแดง) ยังมีขนาดใหญ่เกินกว่าจะสรุปได้อย่างจริงจัง ส่วนเหล่านี้สั้นลงเมื่อได้รับข้อมูลใหม่และอาจย้ายจุดได้

คุณรู้ได้อย่างไรว่ามีคนกำลังสังเกตเหตุการณ์ผู้สมัคร Higgs boson? มีพารามิเตอร์เฉพาะที่แยกแยะเหตุการณ์เหล่านี้

อนุภาคฮิกส์โบซอนหรือไม่?

ในขณะที่ค้นพบการสลายตัวของอนุภาคใหม่ อัตราที่สิ่งนี้เกิดขึ้นยังไม่ชัดเจนภายในวันที่ 4 กรกฎาคม ไม่มีใครทราบด้วยซ้ำว่าอนุภาคที่ค้นพบมีเลขควอนตัมที่ถูกต้องหรือไม่ นั่นคือมีสปินและความเท่าเทียมกันที่จำเป็นสำหรับฮิกส์โบซอนหรือไม่

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในวันที่ 4 กรกฎาคม อนุภาคดูเหมือนเป็ด แต่เราจำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าอนุภาคนั้นว่ายเหมือนเป็ด และร้องเหมือนเป็ด

ผลลัพธ์ทั้งหมดจากการทดลอง ATLAS และ CMS ของ Large Hadron Collider (เช่นเดียวกับ Tevatron ที่ Fermi Laboratory) หลังวันที่ 4 กรกฎาคม 2012 แสดงให้เห็นข้อตกลงที่น่าทึ่งกับสัดส่วนการแตกแขนงที่คาดหวังสำหรับโหมดการสลายตัวทั้งห้าแบบที่กล่าวถึงข้างต้น และข้อตกลงกับการหมุนที่คาดหวัง (เท่ากับศูนย์) และความเท่าเทียมกัน (เท่ากับ +1) ซึ่งเป็นตัวเลขควอนตัมพื้นฐาน

พารามิเตอร์เหล่านี้มี จำเป็นเพื่อตรวจสอบว่าอนุภาคใหม่เป็นฮิกส์โบซอนหรืออนุภาคอื่นที่ไม่คาดคิดหรือไม่ หลักฐานทั้งหมดที่เรามีชี้ไปที่ Higgs boson จาก Standard Model

นักฟิสิกส์บางคนมองว่านี่เป็นความผิดหวัง! หากอนุภาคใหม่คือฮิกส์โบซอนจากแบบจำลองมาตรฐาน แสดงว่าแบบจำลองมาตรฐานนั้นสมบูรณ์โดยพื้นฐานแล้ว สิ่งที่สามารถทำได้ในตอนนี้คือการวัดด้วยความแม่นยำที่เพิ่มขึ้นซึ่งสิ่งที่ค้นพบไปแล้ว

แต่ถ้าอนุภาคใหม่กลายเป็นสิ่งที่คาดเดาไม่ได้ในแบบจำลองมาตรฐาน มันก็จะเปิดประตูสู่ทฤษฎีและแนวคิดใหม่ๆ มากมายให้ทดสอบ ผลลัพธ์ที่ไม่คาดคิดมักต้องการคำอธิบายใหม่และช่วยผลักดันฟิสิกส์เชิงทฤษฎีไปข้างหน้า

มวลมาจากไหนในจักรวาล?

ในกรณีทั่วไป มวลจำนวนมากมีอยู่ในอะตอม และถ้าจะพูดให้ฟังชัดกว่านั้น ก็อยู่ในนิวเคลียส ซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน

โปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยควาร์กสามตัว ซึ่งได้มวลมาจากปฏิกิริยากับสนามฮิกส์

แต่ ... มวลควาร์กมีส่วนประมาณ 10 MeV ซึ่งเป็นประมาณ 1% ของมวลของโปรตอนและนิวตรอน แล้วมวลที่เหลือมาจากไหน?

ปรากฎว่ามวลของโปรตอนเกิดจากพลังงานจลน์ของควาร์กที่เป็นส่วนประกอบ อย่างที่คุณทราบ มวลและพลังงานสัมพันธ์กันด้วยสมการ E = mc 2

ดังนั้นมีเพียงเศษเสี้ยวของมวลสารธรรมดาในจักรวาลที่เป็นกลไกของฮิกส์ อย่างไรก็ตาม ดังที่เราจะได้เห็นในหัวข้อถัดไป จักรวาลจะไม่มีใครอยู่โดยสมบูรณ์โดยปราศจากมวลของฮิกส์ และจะไม่มีใครค้นพบกลไกของฮิกส์!

ถ้าไม่มีสนามฮิกส์?

ถ้าไม่มีสนามฮิกส์ จักรวาลจะเป็นอย่างไร?

มันไม่ชัดขนาดนั้น

แน่นอนว่าไม่มีสิ่งใดที่จะจับอิเล็กตรอนในอะตอมได้ พวกมันจะกระจัดกระจายด้วยความเร็วแสง

แต่ควาร์กถูกผูกมัดด้วยปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงและไม่สามารถดำรงอยู่ในรูปแบบอิสระได้ อาจคงสภาพของควาร์กที่ถูกผูกไว้บางอย่างไว้ แต่ก็ยังไม่ชัดเจนเกี่ยวกับโปรตอนและนิวตรอน

ทั้งหมดนี้น่าจะเป็นเรื่องคล้ายนิวเคลียร์ และบางทีมันอาจจะพังลงเพราะแรงโน้มถ่วง

ความจริงที่เรามั่นใจ: จักรวาลจะเย็นชา มืดมิด และไร้ชีวิตชีวา
ดังนั้นฮิกส์โบซอนจึงช่วยเราให้รอดจากจักรวาลที่เย็นชา มืดมิด และไร้ชีวิตชีวา ที่ซึ่งไม่มีใครให้ค้นพบฮิกส์โบซอน

Higgs boson เป็นโบซอนรุ่นมาตรฐานหรือไม่?

เราทราบแน่ชัดว่าอนุภาคที่เราค้นพบคือฮิกส์โบซอน เราทราบด้วยว่ามีความคล้ายคลึงกับ Higgs boson จาก Standard Model มาก แต่มีสองจุดที่ยังไม่ได้รับการพิสูจน์:

1. แม้ว่าข้อเท็จจริงที่ว่า Higgs boson จะมาจากแบบจำลองมาตรฐาน แต่ก็มีความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยที่บ่งบอกถึงการมีอยู่ของฟิสิกส์ใหม่ (ยังไม่ทราบในปัจจุบัน)
2. มีฮิกส์โบซอนมากกว่าหนึ่งตัวซึ่งมีมวลต่างกัน นอกจากนี้ยังแนะนำว่าจะมีทฤษฎีใหม่ๆ ออกมาให้สำรวจ

เวลาและข้อมูลใหม่เท่านั้นที่จะช่วยในการเปิดเผยความบริสุทธิ์ของแบบจำลองมาตรฐานและโบซอน หรือทฤษฎีทางกายภาพใหม่ที่น่าตื่นเต้น

แบบจำลองในรูปแบบของสนามกายภาพถูกสร้างขึ้นมาเป็นเวลานานโดยนักฟิสิกส์หลายคนที่ศึกษาจักรวาลอย่างไม่หยุดยั้ง การพัฒนาโมเดลนี้เริ่มขึ้นในยุค 70 ของศตวรรษที่ 20 สาระสำคัญของมันคือความเรียบง่าย: หากไม่มีฮิกส์โบซอน สสารจะไม่สามารถมีมวลได้

เมื่อไม่นานมานี้ เหตุการณ์ที่รอคอยมานานก็เกิดขึ้น: ค้นพบ "อนุภาคของพระเจ้า" ที่มีชื่อเสียงที่ CERN คำทำนายก็เป็นจริง และวิทยาศาสตร์ก็เข้ามาใกล้เพื่อไขปริศนาของจักรวาล ลองนึกภาพว่าเขาเป็นอย่างไร ในการทำเช่นนี้ คุณต้องทุบโฟมชิ้นหนึ่งบนโต๊ะ หากคุณเป่าเศษที่เป็นผลซึ่งเป็นสิ่งที่คล้ายคลึงกันของอนุภาคมูลฐานพวกเขาจะแยกออกจากกันอย่างง่ายดาย แต่ถ้าพื้นผิวของโต๊ะถูกปกคลุมด้วยชั้นของน้ำ การกระจายของเศษเล็กเศษน้อยจะกลายเป็นเรื่องยาก ในการเปรียบเทียบนี้ น้ำทำหน้าที่เป็นสนามฮิกส์ ราวกับว่าให้มวลแก่เศษขนมปัง และอะนาล็อกของโบซอนจะเป็นระลอกคลื่นของผิวน้ำหากคุณเป่ามัน ข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือสนามดังกล่าวไม่ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของอนุภาค แต่จะมีความเร่ง

สนามฮิกส์

ฟิลด์ Higgs ส่งผลต่ออนุภาคที่ผ่านเข้ามา ตัวอย่างเช่น โฟตอนสามารถผ่านฟิลด์นี้ได้อย่างอิสระ ในขณะที่อนุภาคอื่น - W และ Z boson - จะช้าลง ทุกสิ่งที่มีมวลโต้ตอบกับสนามฮิกส์และฟิลด์นี้ครอบครองพื้นที่ทั้งหมดของจักรวาล เช่นเดียวกับฟิลด์อื่น ๆ สนามฮิกส์ต้องการอนุภาคบางตัวที่จะถ่ายโอนปฏิสัมพันธ์ซึ่งส่งผลต่ออนุภาคในฟิลด์นี้ ผู้ให้บริการรายนี้คือ Higgs boson มันถูกค้นพบโดยการทดลองที่ LHC เมื่อวันที่ 4 กรกฎาคม 2555 และมีมวล 125 - 126 GeV / s 2 หากไม่มีสนาม Higgs แนวคิดเรื่องการสร้างสสารจะแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง แต่ถึงกระนั้น ภาพของจักรวาลที่ได้มาในตอนนี้ก็ไม่สามารถสรุปได้และไม่ได้อธิบายคุณสมบัติทั้งหมดของมัน จักรวาลวิทยาอ้างว่าสสารส่วนใหญ่อย่างท่วมท้นในจักรวาลสามารถประกอบด้วยสสารในรูปแบบที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง Higgs boson ควรช่วยค้นคว้าเพิ่มเติมเพื่อทำความเข้าใจรูปร่างเหล่านี้ และนักวิทยาศาสตร์ที่มองโลกในแง่ดีบางคนก็พยายามใช้การค้นพบนี้ในทางปฏิบัติแล้ว ตัวอย่างเช่น หากคุณลบฟิลด์ Higgs ออกไป อนุภาคมูลฐานทั้งหมดจะสูญเสียมวล อาจจะมี โอกาสที่แท้จริงสร้างแรงต้านแรงโน้มถ่วง แม้ว่าจะไม่ทราบว่าสิ่งนี้จะเป็นอย่างไรและเป็นไปได้หรือไม่

ในแบบจำลองมาตรฐาน อนุญาตให้ใช้สนาม Higgs เพียงช่องเดียว ซึ่งกำหนดมวลทั้งหมดของอนุภาคมูลฐาน แต่โมเดลมาตรฐานที่ขยายและสมมาตรยิ่งยวด (SSM) กำลังเกิดขึ้น ในแบบจำลองเหล่านี้ แต่ละอนุภาคจะสัมพันธ์กับ superpartner ที่มีคุณสมบัติที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิด (แม้ว่าจะยังไม่ได้ค้นพบอนุภาคดังกล่าว) สำหรับ SSM จำเป็นต้องมีอย่างน้อยสองฟิลด์ ซึ่งโต้ตอบกับอนุภาค กอปรด้วยมวล ทุ่งเดียวกันเหล่านี้ทำให้ส่วนหนึ่งของมวลชนและซุปเปอร์พาร์ทเนอร์ ทุ่งฮิกส์สองแห่งสามารถผลิตฮิกส์โบซอนได้ห้าสายพันธุ์ในจำนวนนี้ มีสามคนที่เป็นกลางและสองคนถูกเรียกเก็บเงิน นิวตริโนซึ่งมีมวลน้อยกว่ามวลของอนุภาคอื่นๆ อย่างหาที่เปรียบมิได้ สามารถเกิดขึ้นได้จากปฏิกิริยาดังกล่าว

Higgs boson - ลางสังหรณ์ของการตายของจักรวาล?

หนึ่งในหลาย ๆ สถานการณ์วันโลกาวินาศนั้นอิงจากฮิกส์โบซอนอย่างแม่นยำ คุณสมบัติของอนุภาคนี้ทำให้จักรวาลของเรามีสถานะไม่เสถียร ซึ่งทำให้จักรวาลของมันอาจถูกดูดกลืนโดยอีกทางเลือกหนึ่ง เมื่อเวลาผ่านไป เนื่องจากความผันผวนของควอนตัม ฟองสุญญากาศอาจปรากฏขึ้น ซึ่งจะกลายเป็นจักรวาลทางเลือก และจะทำลายโลกของเรา ขนาดของมวลของโบซอนเปิดทำให้ภัยพิบัติดังกล่าวเป็นจริงมาก แต่ไม่ใช่ทุกสิ่งที่เลวร้าย: จุดจบของโลกจะเกิดขึ้นด้วยความเร็วแสง ดังนั้นเราจึงไม่น่าจะมีเวลาตระหนักถึงผลที่ตามมาของมัน เชื่อกันว่าภัยพิบัตินี้สามารถเกิดขึ้นได้ทุกเมื่อ แต่เป็นไปได้มากว่าภัยพิบัติจะคลี่คลายไปจากเรา ดังนั้นเราจึงมีจุดเริ่มต้นเป็นเวลาหลายพันล้านปี

เปิดยังไง

เพื่อค้นหาอนุภาคนี้ Large Hadron Collider ถูกสร้างขึ้น นี่อาจเป็นโครงการที่แพงที่สุดในประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติ โดยผสมผสานความสำเร็จล่าสุดของวิทยาศาสตร์และ อัจฉริยะด้านวิศวกรรม... เฉพาะผู้ยิ่งใหญ่เท่านั้นที่สามารถเปรียบเทียบกับราคาได้ โครงการอวกาศ... ในวงแหวนใต้ดินซึ่งมีความยาวประมาณ 27 กม. นิวเคลียสไฮโดรเจน - โปรตอน - ถูกเร่งด้วยสนามไฟฟ้า ลำแสงโปรตอนถูกปล่อยไปในทิศทางตรงกันข้าม โปรตอนจะชนกันด้วยความเร็วมหาศาล ซึ่งน้อยกว่าความเร็วแสงเล็กน้อย พลังงานมหาศาลที่โปรตอนได้รับนั้นเทียบเท่ากับมวล ดังนั้นผลจากการชนกันของอนุภาคขนาดใหญ่จึงทำให้เกิดอนุภาคใหม่ พวกมันไม่เสถียรและอาจสลายตัวอย่างรวดเร็ว ร่องรอยการชนจะถูกบันทึกและประมวลผลโดยเครื่องตรวจจับพิเศษ จากการศึกษาร่องรอยของการชนเหล่านี้หลายครั้ง พวกเขาค้นพบฮิกส์โบซอน

ความสำคัญของการค้นพบฮิกส์โบซอนสำหรับวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ได้รับการยืนยันโดยข้อเท็จจริงที่ว่ามันได้รับการขนานนามว่า "อนุภาคของพระเจ้า"

5 กรกฎาคม 2012 14:11 МР
ฉบับพิมพ์

พูดง่ายๆ ว่า Higgs boson เปรียบได้กับเรื่องซุบซิบที่เกิดขึ้นที่ปลายด้านหนึ่งของห้องโถงใหญ่ และทุกคนที่อยู่ในนั้นก็เริ่มส่งมันไปเป็นลูกโซ่ พบ Higgs boson ที่ CERN (อันเดียวกับที่กล่าวถึงใน "Da Vinci Code") ตอนนี้นักฟิสิกส์ทั่วโลกเชื่อว่าการค้นพบฮิกส์โบซอนคือ การค้นพบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในโลกของอนุภาคมูลฐาน

ฮิกส์โบซอน: มันคืออะไร?

ฮิกส์ โบซอน พูดง่ายๆ พยายามอธิบายอยู่นาน ในปี 1993 รัฐมนตรีกระทรวงวิทยาศาสตร์ของอังกฤษ วิลเลียม วัลด์เกรฟ ได้ประกาศการแข่งขันเพื่อหาคำอธิบายที่ง่ายที่สุดของโบซอนฮิกส์ รุ่นที่พบบ่อยที่สุดคือรุ่นปาร์ตี้ เพื่อให้เข้าใจว่าฮิกส์โบซอนคืออะไร เราต้องจินตนาการถึงห้องขนาดใหญ่สำหรับจัดงานเลี้ยง

พบฮิกส์ โบซอน

ในบางจุดบุคคลเข้ามาในห้อง (เช่น ร็อคสตาร์) ซึ่งทุกคนต้องการพูดคุยด้วย เมื่อมีคนย้ายแขกหลายคนตามเขา - ดูเหมือนว่าผู้คนจำนวนมากกำลังติดตามเขา ในขณะเดียวกันความเร็วในการเคลื่อนที่ของร็อคสตาร์ก็ต่ำกว่าแขกคนอื่นๆ แขกของปาร์ตี้สามารถรวมตัวกันเป็นกลุ่ม - หากพวกเขาเริ่มพูดคุยเกี่ยวกับเรื่องซุบซิบในฝูงชน ผู้คนจะเริ่มถ่ายทอดการได้ยินของพวกเขาให้กัน ก่อตัวเป็นแมวน้ำขนาดเล็ก