История одного поля: поля Хиггса

Все мы знаем про бозон Хиггса, «частицу Бога», подтверждение существования которой завершает Стандартную модель, и объясняет многие загадки. Но сегодня мы поговорим о кое-чём более захватывающем: о поле Хиггса.

На самом деле сложно описать механизм действия поля Хиггса так, чтобы это было сразу понятно. Поэтому я хочу воспользоваться одной хорошей аналогией. Для наглядного представления действия поля Хиггса можно представить снежную равнину… Лыжник, скользящий по снегу испытывает незначительное сопротивление. Женщина, идущая в снегоступах, передвигаясь по снегу, испытывает затруднение при передвижении, а мужчина в тяжёлых сапогах идёт с трудом, то и дело проваливаясь. В то время как птицы совершенно беспрепятственно пролетают над снежным покровом. Так же работает и поле Хиггса: подобно снежному полю, но вместо снежинок оно состоит из множества элементарных частиц, которые были открыты в 2012-2013 г. при помощи Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе — бозонов Хиггса.

Частицы, которые взаимодействуют с полем Хиггса, имеют массу. Наш лыжник — это электрон. Он слабо взаимодействует с полем, а значит оказывает малое воздействие на снег. Женщина в снегоступах — кварки, из которых состоят нуклоны (протоны и нейтроны). Они взаимодействуют сильнее. А Z- и W-бозоны продираются сквозь поле Хиггса, как мужчина в тяжёлых сапогах, бредущий с трудом по снежному полю. Их массы в тысячи раз больше. А птицы, пролетающие над снежным покровом — фотоны и глюоны. Они вообще не взаимодействуют с полем, так как не имеют массы.

50 лет назад физики не понимали, почему одни частицы имеют массу, а другие нет. Вообще Стандартная модель (теоретическая модель в физике элементарных частиц, описывающая фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы) без бозона Хиггса математически последовательна, но до тех пор, пока все частицы движутся с максимально возможной скоростью — скоростью света. Такие частицы не могут иметь массу, поэтому физики утверждают, что поле Хиггса необходимо, чтоб придать частицам массы. Хотя формулировка эта неудачная. Но это необходимый пример того, как физические поля влияют на константы.

Большинство полей в физике являются векторными – это означает, что они имеют не только напряжённость, но и направление. А вот поле Хиггса является скалярным. Оно не имеет направления и им несоизмеримо трудно управлять. Для того чтобы изменить поле Хиггса на ничтожную величину понадобиться огромное количество энергии.

Вот ещё одна загадка. Элементарные частицы обладают массой: электроны, кварки, и даже нейтрино. Но фотоны и глюоны оказываются чудаками, когда речь заходит об их массе. Фотоны никогда не покоятся, они всегда движутся с одной и той же скоростью. Фотоны не могут находится в покое, но вместо того, чтобы замедляться, они просто исчезают. Любые частицы, двигающиеся со скоростью света — безмассовые. Но масса остальных частиц зависит от величины поля Хиггса.

Давайте вернёмся в 1905 год, когда Альберт Эйнштейн предложил нелепую для того времени гипотезу: он утверждал, что электромагнитное поле состоит из огромного количества невидимых частиц, которые он назвал квантами. Когда квантов мало, они ведут себя как частицы, но когда огромное количество квантов движется скоординированно, они ведут себя как поле — квантовое поле. Это отношение частица-поле всеобщее. Для каждого типа частиц своё поле, для каждого поля — своя частица. Поэтому поля и частицы называют одинаковыми именами. Значит для поля Хиггса… Правильно! Бозон Хиггса. Он то и является квантом поля Хиггса и теми самыми снежинками на снежной равнине. Бозон Хиггса обладает нулевым спином (собственный момент импульса элементарной частицы). Впервые его предсказывал физик Питер Хиггс в своих статьях, вышедших в 1964 году. Предсказанный первоначально в теории, после нескольких десятков лет поисков, 4 июля 2012 года, в результате исследований на Большом адронном коллайдере, был обнаружен кандидат на его роль — новая частица с массой около 125—126 ГэВ/c². Имелись веские основания считать, что эта частица является бозоном Хиггса. В марте 2013 года появились сообщения от отдельных исследователей ЦЕРНа, что найденная полгода назад частица действительно является бозоном Хиггса. Его открытие завершает Стандартную модель.

Величина большинства полей в обычном вакууме равняется нулю. Они могут флуктуировать, но их среднее значение остаётся нулевым. Создание ненулевого поля потребует энергии. Но поле Хиггса исключение: его среднее значение в вакууме всегда отлично от нуля. Как мы уже говорили, управлять полем Хиггса неимоверно сложно. Создание области с нулевым значением этого поля требует огромное количество энергии. Для того чтобы освободить один кубический сантиметр пространства-времени от бозонов Хиггса понадобиться примерно 10^40 Дж. Такое количество энергии излучает наша звезда за миллион лет. Так что проводить какие-либо эксперименты с изменением поля Хиггса в ближайшем будущем невозможно. Но примерно 13,8 млрд лет назад, спустя несколько секунд после Большого взрыва, энергии было достаточно, чтоб вымести поле Хиггса из новорождённой Вселенной.

Физики считают, что Вселенная родилась с нулевым полем Хиггса, что помешало мгновенному возникновению обычной материи, так как все частицы были безмассовые. В ходе дальнейшего охлаждения Вселенная обрела ненулевое значение поля Хиггса, и стало возможным появление протонов и нейтронов, а в дальнейшем и самого простого элемента — водорода. В итоге появилась жизнь, которая задаётся вопросами об этом самом поле…

Добавить комментарий