Частица Бога (бозон Хиггса)¶
Частица Бога — разговорное и журналистское название бозона Хиггса, элементарной частицы, открытие которой было объявлено 4 июля 2012 года на конференции в ЦЕРН. Термин «частица Бога» не является научным и возник в массовой культуре как метафора: бозон Хиггса связан с механизмом, наделяющим другие элементарные частицы массой, что породило ассоциации с «источником свойств материи». В физике частица называется бозоном Хиггса (H), согласно Стандартной модели.
¶Происхождение названия
Слово «бозон» происходит от имени индийского физика Сатендры Натха Боза, соавтора Эйнштейна в разработке статистики бозе-эйнштейновских частиц. Суффикс «-сон» был предложен Полем Дираком. Название «частица Бога» (God particle) закрепилось после книги физика Леона Ледермана «Бог частиц» (The God Particle, 1993), переведённой на русский язык. По воспоминаниям Ледермана, изначальный рабочий вариант названия был более вольным («бог-проклятая частица»), но издатель предложил смягчить формулировку. В русскоязычной научной среде устоялся термин «бозон Хиггса», а «частица Бога» используется преимущественно в публицистике.
¶Теоретическая основа
В Стандартной модели физики элементарных частиц бозон Хиггса — это квант поля Хиггса, скалярного поля, заполняющего всё пространство-время. Механизм спонтанного нарушения электрослабой симметрии (механизм Хиггса — Энглера — Бута) объясняет, почему векторные бозоны W и Z, переносящие слабое взаимодействие, обладают конечной массой, в то время как фотон остаётся безмассовым. Электроны, кварки и другие фермионы также приобретают массу через взаимодействие с полем Хиггса: чем сильнее частица «сцеплена» с этим полем, тем она массивнее.
Само поле Хиггса было предложено независимо в 1964 году тремя группами физиков: Питером Хиггсом, Франсуа Энглером и Робертом Браутом (а также Джеральдом Гуральником, Карлом Хагеном и Томом Килби). В 2013 году Нобелевская премия по физике была присуждена Энглеру и Хиггсу «за открытие механизма, важного для нашей теории понимания происхождения массы субатомных частиц».
¶Экспериментальное открытие
Поиск бозона Хиггса вёлся десятилетиями на различных ускорителях. К 2011 году ни на БАК (Большом адронном коллайдере) в ЦЕРН, ни на Теватроне в Фермилабе (США) сигнала не было обнаружено, что ограничивало возможный диапазон массы бозона.
4 июля 2012 года коллаборации ATLAS и CMS на БАК объявили о наблюдении новой частицы с массой около 125 ГэВ/c², свойства которой согласовывались с предсказаниями для бозона Хиггса. Статистическая значимость превышала 5 сигм — порог, принятый в физике частиц для подтверждения открытия. В 2013 году ЦЕРН подтвердил, что открытая частица соответствует бозону Хиггса. В 2014 году Хиггс и Энглер подписали акт дарения своих архивов ЦЕРН.
¶Свойства
По данным на 2020-е годы, масса бозона Хиггса составляет 125,25 ± 0,17 ГэВ/c². Частица имеет нулевой спин и чётность +1, что делает её единственным известным скалярным бозоном в Стандартной модели. Время жизни оценивается порядка 1,6 × 10⁻²² секунды. Бозон Хиггса распадается на различные пары частиц — W-бозоны, Z-бозоны, топ-кварки, боттом-кварки, гамма-кванты, тау-лептоны — и именно по продуктам распада он регистрируется детекторами.
¶Значение и открытые вопросы
Открытие бозона Хиггса стало подтверждением последнего недостающего элемента Стандартной модели и важнейшим экспериментальным результатом физики XXI века. Однако механизм Хиггса не отвечает на все вопросы: он не объясняет природу тёмной материи, тёмной энергии, массы нейтрино и асимметрии вещества и антивещества. Многие теории за пределами Стандартной модели (суперсимметрия, модели с дополнительными измерениями) предсказывают существование не одного, а нескольких бозонов Хиггса, что остаётся предметом экспериментальных поисков на БАК.
История России в этой области включает участие российских физиков и институтов (Объединённый институт ядерных исследований в Дубне, Институт ядерной физики СО РАН в Новосибирске и другие) в коллаборациях ЦЕРН, в том числе в анализе данных по бозону Хиггса.
Источники:
- Ледерман Л., Тераси Д. «Бог частиц»
- Документация ЦЕРН по результатам коллабораций ATLAS и CMS (2012)
- Статьи P. W. Higgs, F. Englert, R. Brout (Physical Review Letters, 1964)
- Нобелевская лекция Ф. Энглера и П. Хиггса (2013)
- Публикации Particle Data Group по свойствам бозона Хиггса