Бозон Хиггса и бозонное поле¶
Бозон — это элементарная или составная частица, обладающая целым спином (0, 1, 2 и так далее) в единицах постоянной Планка, в отличие от фермионов, спин которых полуцелый. Название происходит от имени индийского физика Сатьендраната Боза; статистика бозонов, описывающая поведение таких частиц, носит название бозе — Эйнштейновской статистики.
¶Классификация
Бозоны делятся на две основные группы:
- Бозоны с нулевой массой покоя — к ним относятся калибровочные бозоны, переносящие фундаментальные взаимодействия: глюон (переносит сильное взаимодействие), фотон (электромагнитное), а также W и Z-бозоны (слабое взаимодействие).
- Бозоны с ненулевой массой покоя — прежде всего бозон Хиггса, отвечающий за механизм спонтанного нарушения электрослабой симметрии и наделение элементарных частиц массой.
К бозонам относятся также многочисленные мезоны (например, пи-мезон) и атомные ядра с целым спином.
¶Бозе — Эйнштейновская статистика
В 1924 году С. Н. Боз отправил Эйнштейну работу по квантовой статистике газа фотонов, которую тот перевёл и опубликовал. Расширение идеи на частицы с массой привело к понятию бозонов. Согласно этой статистике, бозоны не подчиняются принципу Паули: несколько частиц могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Это свойство приводит к таким явлениям, как конденсация Бозе — Эйнштейна, при которой макроскопическое число частиц занимает основное состояние, образуя квантовый конденсат. В России эксперименты по получению конденсата впервые были проведены в Институте физики РАН (Троицк) в 1990-х годах.
¶Бозон Хиггса
Бозон Хиггса — элементарный бозон со спином 0, предсказанный в 1964 году независимо друг от друга четырьмя группами физиков: Питером Хиггсом, Франсуа Энглером, Робертом Браутом и Джеральдом Гуральником. Механизм хиггсовского поля объясняет, почему элементарные частицы (кроме фотона и глюонов) обладают массой: поле заполняет всё пространство, и взаимодействие с ним придаёт частицам инертную массу.
В 2012 году на Большом адронном коллайдере (ЦЕРН, Швейцария) эксперименты ATLAS и CMS зарегистрировали новую частицу с массой около 125 ГэВ/c², идентифицированную как бозон Хиггса. Открытие получило Нобелевскую премию по физике 2013 года, присуждённую Хиггсу и Энглеру.
¶Роль в Стандартной модели
Бозоны играют ключевую роль в Стандартной модели физики элементарных частиц:
| Частица | Спин | Переносимое взаимодействие | Масса |
|---|---|---|---|
| Фотон | 1 | Электромагнитное | 0 |
| Глюон | 1 | Сильное | 0 |
| W-бозон | 1 | Слабое | ≈80,4 ГэВ/c² |
| Z-бозон | 1 | Слабое | ≈91,2 ГэВ/c² |
| Бозон Хиггса | 0 | — | ≈125 ГэВ/c² |
Отсутствие массы у фотона и глюонов связано с калибровочной симметрией, а масса W и Z-бозонов — результат спонтанного нарушения симметрии при электрослабом взаимодействии.
¶Бозоны в ядерной физике
Помимо элементарных бозонов, целым спином обладают составные системы: пи-мезоны (спин 0), атомные ядра с чётной суммой нуклонных спинов (например, дейтерон, гелий-4). В ядерной физике бозонная природа этих систем определяет их поведение при низких температурах и в сверхпроводящих состояниях.
¶Эксперименты в России
Исследования по физике бозонов ведутся в Объединённом институте ядерных исследований (Дубна) и в НИЯУ МИФИ. Российские физики участвуют в коллаборациях ЦЕРН, в частности в экспериментах по изучению свойств бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере.
Источники: Энциклопедический словарь «Физика», учебник «Квантовая механика» Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшица, публикации ЦЕРН, журнал «Успехи физических наук».