Бозон Хіггса та його властивості

Бозон Хіггса — елементарна частинка, квант поля Хіггса, що з необхідністю виникає в Стандартній моделі внаслідок хіггсового механізму, спонтанного порушення електрослабкої симетрії. Передбачений британським фізиком-теоретиком Пітером Хіггсом у 1964 році.

Про відкриття було заявлено у 2012 році після аналізу результатів роботи Великого адронного колайдера. Бозон Хіггса є єдиною відомою скалярною елементарною частинкою, тобто такою, що має спін 0 і парність +1. Його маса 125,09 ГеВ — приблизно у 130 разів більша за масу протона.

Електронвольт(еВ) - позасистемна одиниця енергії. Енергію один електронвольт набуває один електрон, коли проходить через електростатичний бар'єр з потенціалом один вольт.

Квант - елементарна дискретна неподільна частка певної фізичної величини. У фізиці квантом (множина: кванти) є якнайменша кількість будь-якого фізичного утворення, що бере участь у взаємодії.

Основоположне судження про те, що фізична властивість може бути "квантована", називається "гіпотезою квантування". Це означає, що величина фізичної властивості може набувати лише дискретні значення, які складаються з цілих кратних одного кванту.

Наприклад, фотон це єдиний квант світла (або будь-якої іншої форми електромагнітного випромінення). Так само, енергія електрона, пов'язаного в атомі, квантована і може існувати лише в певних дискретних значеннях. (Дійсно, атоми і матерія взагалі стабільні, оскільки електрони можуть існувати лише на дискретних енергетичних рівнях в атомі.)

Стандартна модель у фізиці елементарних частинок — теоретична конструкція, що описує електромагнітну, слабку і сильну взаємодію всіх елементарних частинок. Стандартна модель не є теорією всього, бо не описує темну матерію, темну енергію і не включає в себе гравітацію.

Стандартна модель, як основа у фізиці елементарних частинок

Поле Хі́ггса — поле, що забезпечує спонтанне порушення симетрії електрослабких взаємодій завдяки порушенню симетрії вакууму, назване на честь розробника його теорії, британського вченого, фізика — теоретика Пітера Хіггса. Квант поля — частинка Хіггса (бозон Хіггса).

На відміну від більшості елементарних полів природи, поле Хіггса має ненульове вакуумне очікуване значення 246 ГеВ. За рахунок цієї особливості, багато частинок, таких як електрон, кварки, бозони слабкої взаємодії W та Z, через взаємодію з полем Хіггса набувають масу.Процес надання маси частинці відомий як механізм Хіггса.

Ненульове середнє значення поля Хіггса не є сукупністю відповідних елементарних частинок, оскільки бозон Хіггса є пульсацією поля Хіггса найменш можливої інтенсивності.

Пульсація, яка змінюється в просторі і часі, як будь-яка хвиля, а ненульове значення поля залишається незмінним у просторі і часі. Маса бозона Хіггса не повністю походить від поля Хіггса. Не всі частинки отримують масу від взаємодії з полем Хіггса. Дослідження властивостей бозона Хіггса у ЦЕРН продовжується з метою краще зрозуміти саме поле.

Останні дослідження з визначення маси та властивостей бозона Хіггса

Згідно з дослідженням, опублікованим у журналі Physical Review Letters, провели експеримент на БАК, під час якого вони зіштовхували величезну кількість протонів на великій швидкості, щоб отримати на короткий час кілька мільйонів бозонів Хіггса. Але побачити напряму вдалося лише невелику кількість цих елементарних частинок.

Але фізикам вистачило цієї кількості, щоб визначити найточніше на сьогодні масу бозона Хіггса. Ця загадкова елементарна частинка виникає з квантового поля, що поширюється по всьому Всесвіту і надає іншим елементарним частинкам масу.

Фізики визначили, що маса бозона Хіггса становить 125,11 гігаелектронвольт (Гев) з похибкою 0,11 Гев. Це значення трохи менше, ніж було отримано 2019 року. Тоді фізики визначили, що маса бозона Гігсса становить 125,35 Гев. За словами вчених, на сьогодні це найточніше вимірювання маси цієї загадкової частинки. Хоча, можливо, нові вимірювання в майбутньому дадуть змогу ще більше уточнити це значення.

Подібні точніші вимірювання маси елементарних частинок допомагають фізикам перевіряти передбачення Стандартної моделі фізики елементарних частинок і знаходити можливі відхилення в цій моделі, якщо вони існують.

Наприклад, найточніший вимір маси W-бозона, який провели фізики 2022 року, показав, що вона більша, ніж передбачає Стандартна модель.

За словами вчених, те, що існують такі відхилення, говорить про існування невідомого поки що науці явища, яке виходить за межі Стандартної моделі фізики елементарних частинок. Але ця модель не пояснює всього у Всесвіті.

Хоча вченим вдалося виміряти максимально точно масу бозона Хіггса, вони все ж так і не змогли точно визначити його властивості. Річ у тім, що ця частинка насправді не з'являється щоразу з однією і тією самою масою, а має трохи різний діапазон мас.

Хоча вченим вдалося виміряти максимально точно масу бозона Хіггса, вони все ж так і не змогли точно визначити його властивості Фото: CERN

Все-таки з отриманням нової важливої інформації про цю загадкову елементарну частинку, фізики поступово наближаються до отримання відповідей на такі запитання:

чи взаємодіє бозон Хіггса сам із собою так, як передбачає Стандартна модель?
як бозон Хіггса взаємодіє з іншими елементарними частинками?
чи існують різні версії бозона Хіггса, які вчені ще не виявили?
чи може бозон Хіггса стати джерелом розуміння природи темної матерії, яка точно існує, але її ще ніхто не бачив?

Учені продовжують пошук інших елементарних частинок, за допомогою яких можна пояснити, чому бозон Хіггса такий легкий. Цю аномалію не можуть зрозуміти з моменту відкриття цієї частинки у 2012 році.