Значение:
Свидетельства о поле Хиггса и его свойствах были чрезвычайно значимыми по многим причинам. Важность бозона Хиггса в значительной степени заключается в том, что его можно исследовать, используя существующие знания и экспериментальные технологии, как способ подтверждения и изучения всей теории поля Хиггса. И наоборот, доказательство того, что поле Хиггса и бозон не существовали, также было бы значительным.
Физика элементарных частиц.
Проверка стандартной модели.
Бозон Хиггса подтверждает Стандартную модель посредством механизма генерации массы. По мере проведения более точных измерений его свойств могут быть предложены или исключены более продвинутые расширения. По мере разработки экспериментальных средств для измерения поведения поля и взаимодействий это фундаментальное поле может быть лучше понято. Если бы поле Хиггса не было открыто, Стандартную модель пришлось бы модифицировать или заменить.
В связи с этим среди физиков обычно существует убеждение, что, вероятно, существует "новая" физика за пределами стандартной модели, и Стандартная модель в какой-то момент будет расширена или заменена. Открытие Хиггса, а также многочисленные измеренные столкновения, происходящие на БАК, предоставляют физикам чувствительный инструмент для поиска в своих данных любых свидетельств того, что стандартная модель, по-видимому, не работает, и могут предоставить значительные доказательства, направляющие исследователей к будущим теоретическим разработкам.
Нарушение симметрии электрослабого взаимодействия.
Ниже чрезвычайно высокой температуры электрослабое нарушение симметрии приводит к тому, что электрослабое взаимодействие проявляется частично в виде слабой силы ближнего действия, которую несут массивные калибровочные бозоны. В истории Вселенной считается, что электрослабое нарушение симметрии произошло примерно через 1 пикосекунду (10-12 с) после Большого взрыва, когда температура Вселенной была 159,5±1,5 ГэВ/kB.Это нарушение симметрии требуется для образования атомов и других структур, а также для ядерных реакций в звездах, таких как Солнце. Поле Хиггса ответственно за это нарушение симметрии.
Приобретение частицей массы.
Поле Хиггса играет ключевую роль в генерации масс кварков и заряженных лептонов (благодаря связи Юкавы) и W и Z калибровочных бозонов (благодаря механизму Хиггса).
Стоит отметить, что поле Хиггса не "создает" массу из ничего (что нарушило бы закон сохранения энергии), равно как и поле Хиггса не отвечает за массу всех частиц. Например, приблизительно 99% массы барионов (составных частиц, таких как протон и нейтрон) обусловлено квантовой хромодинамической энергией связи, которая представляет собой сумму кинетических энергий кварков и энергий безмассовых глюонов, опосредующих сильное взаимодействие внутри барионов. В теориях, основанных на Хиггсе, свойство "массы" является проявлением потенциальной энергии, передаваемой элементарным частицам при их взаимодействии ("соединении") с полем Хиггса, которое содержало эту массу в форме энергии.
Скалярные поля и расширение стандартной модели.
Поле Хиггса является единственным обнаруженным скалярным полем (со спином 0); все остальные фундаментальные поля в стандартной модели являются спиновыми фермионы2/ 1 или бозоны со спином 1. По словам Рольфа-Дитера Хойера, генерального директора ЦЕРН, когда был открыт бозон Хиггса, это доказательство существования скалярного поля почти так же важно, как роль Хиггса в определении массы других частиц. Это наводит на мысль, что другие гипотетические скалярные поля, предложенные другими теориями, от инфлатона до квинтэссенции, возможно, также могли бы существовать.
Космология.
Инфлатон.
Было проведено значительное научное исследование возможных связей между полем Хиггса и инфлатоном – гипотетическим полем, предложенным в качестве объяснения расширения пространства в течение первой доли секунды существования Вселенной (известной как "инфляционная эпоха"). Некоторые теории предполагают, что фундаментальное скалярное поле может быть ответственно за это явление; поле Хиггса является таким полем, и его существование привело к появлению работ, анализирующих, может ли оно также быть инфлатоном, ответственным за это экспоненциальное расширение Вселенной во время Большого взрыва. Такие теории являются весьма предварительными и сталкиваются со значительными проблемами, связанными с унитарностью, но могут быть жизнеспособными, если их объединить с дополнительными функциями, такими как большая неминимальная связь, скаляр Бранса-Дикке или другая "новая" физика, и они получили обработку, предполагающую, что модели инфляции Хиггса все еще представляют теоретический интерес.
Природа Вселенной и ее возможные судьбы.
В стандартной модели существует вероятность того, что основное состояние нашей Вселенной, известное как "вакуум", долговечно, но не полностью стабильно. В этом сценарии вселенная, какой мы ее знаем, могла бы быть эффективно уничтожена путем коллапсирования в более стабильное вакуумное состояние. Иногда об этом ошибочно сообщалось как о "конце" Вселенной бозоном Хиггса. Если массы бозона Хиггса и верхнего кварка известны более точно, а Стандартная модель обеспечивает точное описание физики элементарных частиц вплоть до экстремальных энергий планковского масштаба, то можно рассчитать, является ли вакуум стабильным или просто долгоживущим. Масса Хиггса 125-127 ГэВ /c2, по-видимому, чрезвычайно близка к границе стабильности, но для окончательного ответа требуются гораздо более точные измерения массы полюса верхнего кварка. Новая физика может изменить эту картину.
Если измерения бозона Хиггса предполагают, что наша вселенная находится внутри ложного вакуума такого рода, то это будет означать – более чем вероятно, что через многие миллиарды лет – что силы, частицы и структуры Вселенной могут прекратить свое существование в том виде, в каком мы их знаем (и быть заменены другими), если произойдет зарождение истинного вакуума. Это также предполагает, что самосвязь λ и его β, может быть очень близка к нулю в масштабе Планка, с "интригующими" последствиями, включая теории гравитации и инфляции, основанной на Хиггсе. Будущий электрон–позитронный коллайдер сможет обеспечить точные измерения верхнего кварка, необходимые для таких расчетов.
Энергия вакуума и космологическая постоянная.
Более умозрительно, поле Хиггса также было предложено как энергия вакуума, которая при экстремальных энергиях первых моментов Большого взрыва придала Вселенной вид невыразительной симметрии недифференцированной, чрезвычайно высокой энергии. В такого рода спекуляциях единое поле Великой объединенной теории идентифицируется как поле Хиггса (или моделируется на его основе), и именно через последовательные нарушения симметрии поля Хиггса или какого-либо подобного поля при фазовых переходах возникают известные в настоящее время силы и поля Вселенной.
Связь (если таковая имеется) между полем Хиггса и наблюдаемой в настоящее время плотностью энергии в вакууме Вселенной также является предметом научного изучения. Как было замечено, нынешняя плотность энергии вакуума чрезвычайно близка к нулю, но плотности энергии, предсказанные на основе поля Хиггса, суперсимметрии и других современных теорий, обычно на много порядков больше. Неясно, как их следует согласовывать. Проблема с космологической постоянной остается главной нерешенной проблемой в физике.
Свойства бозона Хиггса:
В апреле 2014 года коллаборация CMS сообщила, что ширина распада этого бозона меньше 22 МэВ. Как любая элементарная частица, бозон Хиггса участвует в гравитационном взаимодействии. Бозон Хиггса обладает нулевыми спином, электрическим зарядом, цветным зарядом. Предварительно подтверждена на 125 ГэВ чётность +1. Есть 4 основных канала рождения бозона Хиггса: после слияния 2 глюонов (основной), слияние WW- или ZZ-пар, в сопровождении W- или Z-бозона, вместе с топ-кварками. Распадается на пару b-кварк-b-антикварк, на 2 фотона, на две пары электрон-позитрон и/или мюон-антимюон или на пару электрон-позитрон и/или мюон-антимюон с парой нейтрино.
На прошедшей в начале июля 2017 года конференции EPS HEP 2017 ATLAS и CMS сообщили, что они наконец-то начали видеть намёки на распад бозона Хиггса на b-кварк-антикварковую пару, что ранее невозможно было увидеть на практике (трудно отделить от фоновых процессов рождения тех же кварков другим образом); согласно Стандартной модели, этот распад самый частый: в 58 % случаев. Как стало известно в начале октября 2017 года, ATLAS и CMS заявили в соответствующих статьях, что они наблюдают сигнал распада уверенно.
В феврале 2021 года на БАК учёные ЦЕРН обнаружили очень редкий распад бозона Хиггса на два лептона и фотон с суммарной массой лептонов меньше 30 ГэВ (распад Далитца).
Предсказание открытия бозона Хиггса:
В теории при минимальной реализации механизма Хиггса должен возникать нейтральный бозон Хиггса (в научных работах такая частица называется бозон Хиггса Стандартной модели).
Впрочем, существуют модели, не требующие введения бозона Хиггса для объяснения масс наблюдаемых частиц Стандартной модели, так называемые бесхиггсовские модели. Отрицательный результат поисков бозона Хиггса послужил бы косвенным аргументом в пользу подобных моделей.
В расширенных моделях спонтанного нарушения симметрии может возникнуть несколько хиггсовских бозонов различной массы, в том числе и заряженные. Массы любых бозонов Хиггса, как не заряженных (H0), так и заряженных (H±), не предсказываются в теории.
История открытия бозона Хиггса:
Стандартная модель предсказывает существование поля (называемого Поле Хиггса), которое имеет ненулевую амплитуду в основном состоянии, то есть ненулевое вакуумное ожидаемое значение. Существование ненулевого вакуумного ожидаемого значения приводит к спонтанному нарушению электрослабой калибровочной симметрии (см. хиггсовский механизм).
Обнаружить бозон удалось, только хорошо зная его свойства.
Эксперименты по поиску и оценке массы хиггсовского бозона:
Поиски хиггсовского бозона в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) (в 1993 году эксперимент установил нижнюю границу массы бозона Хиггса >52 ГэВ, эксперимент завершён в 2001 году, энергия 104 ГэВ на каждый пучок, то есть суммарная энергия пучков в системе центра масс 208 ГэВ) не увенчались успехом: были зафиксированы три события-кандидата на детекторе ALEPH при массе 114 ГэВ, два — на DELPHI и одно — на L3. Такое количество событий приблизительно соответствовало ожидавшемуся уровню фона. Предполагалось, что вопрос о существовании бозона Хиггса прояснится окончательно после вступления в строй и нескольких лет работы Большого адронного коллайдера (БАК, LHC).
В 2004 году была проведена повторная обработка данных эксперимента D0 по определению массы t-кварка, проводившегося на синхротроне Тэватрон в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, в ходе этой обработки была получена уточнённая оценка массы, что привело к переоценке верхней границы массы бозона Хиггса до 251 ГэВ.
В 2008—2009 гг. группой российских учёных Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ) и др. была представлена более точная оценка значения массы бозона Хиггса около 118(±2) ГэВ из данных по анизотропии реликтового излучения.
В 2010 году в ходе экспериментов на Тэватроне исследовательской группой DZero была обнаружена 1-процентная разница в числе образующихся при распаде В-мезона мюонов и антимюонов. Вскоре было объявлено о том, что причиной расхождения могло стать существование не одного, а пяти бозонов Хиггса — в рамках теории суперсимметрии могут существовать заряженные положительно и отрицательно, скалярные (лёгкий и тяжёлый) и псевдоскалярный бозоны. Ожидалось, что подтвердить или опровергнуть данную гипотезу помогут эксперименты на Большом адронном коллайдере.
В июле 2011 года коллаборации ATLAS и CMS выявили отклонение статистики в районе массы 130—150 ГэВ в результатах, представленных на конференции EPS-HEP’2011 в Гренобле, что, возможно, указывает на существование бозона Хиггса. Однако данные с Большого адронного коллайдера продолжали поступать, и была возможность, что последующая обработка нивелирует полученные отклонения. Между тем, на той же конференции был закрыт (с 3%-м отклонением) диапазон от 150 ГэВ до 400 ГэВ (за исключением небольших окон), где бозон Хиггса существовать не может.
В ноябре 2011 года коллаборации ATLAS и CMS сузили интервал масс возможного существования бозона до 114—141 ГэВ. Интервал от 141 до 443 ГэВ был исключён с вероятностью 99 % за исключением трёх узких окон между 220 и 320 ГэВ.
13 декабря 2011 года коллаборации ATLAS и CMS представили предварительные результаты обработки данных 2011 года, основной вывод состоял в том, что бозон Хиггса Стандартной модели, если он существует, скорее всего, имеет массу в интервале 116—130 ГэВ по данным эксперимента ATLAS, и 115—127 ГэВ — по данным CMS. Оба эксперимента наблюдают превышение сигнала над фоном в этих интервалах в различных предполагаемых каналах распада бозона Хиггса. Интересно то, что несколько независимых измерений указывали на область от 124 до 126 ГэВ. Было слишком рано говорить о том, что ATLAS и CMS открыли бозон Хиггса, но эти обновлённые результаты вызвали большой интерес в сообществе физики элементарных частиц. Тем не менее, для окончательных утверждений о существовании или несуществовании бозона Хиггса требовался больший объём данных, который ожидался в 2012 году.
2 июля 2012 года коллаборации D0 и CDF заявили, что по результатам анализа данных ускорителя Тэватрон имеется некоторый избыток, который может быть интерпретирован как вызванный бозоном Хиггса с массой в диапазоне 115—135 ГэВ со статистической значимостью 2,9 стандартных отклонения, что меньше порога в 5 сигм, необходимого для того чтобы заявить об открытии частицы.
4 июля 2012 года, на научном семинаре ЦЕРН, проходившем в рамках научной конференции ICHEP 2012 в Мельбурне, были изложены предварительные результаты экспериментов ATLAS и CMS по поиску бозона Хиггса за первую половину 2012 года. Оба детектора наблюдали новую частицу с массой около 125—126 ГэВ с уровнем статистической значимости в 5 сигм. Предполагается что данная частица — бозон, при этом она — самый тяжёлый из когда-либо обнаруженных бозонов. На семинар были приглашены физики Франсуа Энглер, Карл Хаген, Питер Хиггс и Джеральд Гуральник, которые являются одними из «авторов» механизма Хиггса.
В марте 2013 года в СМИ появились сообщения от отдельных участников исследований о том, что открытая ими в июле 2012 года частица действительно является бозоном Хиггса, так как она имеет совпадающую с ним чётность и измеренные вероятности распадов. Ещё в марте 2013 года исследователи с осторожностью отвечали на вопрос, является ли эта частица бозоном Хиггса, предсказанным Стандартной моделью, или это другой вариант бозона Хиггса, о котором говорят некоторые другие теории, выходящие за рамки Стандартной модели. Но уже к концу 2013 года обе коллаборации, обработав массив полученных данных, пришли к предварительным выводам: выявленный бозон Хиггса не выходит за пределы Стандартной модели и пока нет никаких экспериментальных указаний на физику за её пределами.
Нобелевская премия 2013 года по физике получена Франсуа Энглером и Питером Хиггсом за предсказание этого бозона.
В марте 2015 года коллаборации ATLAS и CMS уточнили предыдущие данные по массе бозона: 125,09±0,24 ГэВ, что примерно на 0,2 % точнее предыдущего значения.
В декабре 2015 года учёные из ЦЕРН объявили, что у них есть свидетельства существования другого бозона с массой около 700 ГэВ, который может оказаться вторым бозоном Хиггса, предсказываемым суперсимметричными расширениями Стандартной модели.
Также в декабре 2015 года со статистической значимостью 2,4σ физики ATLAS нашли возможное по интерпретации проявление заряженного бозона Хиггса с массой в районе 250—450 ГэВ.
На прошедшей в марте 2017 года серии конференций Moriond 2017 была представлена масса 125,26±0,20±0,08 ГэВ/c2, это по данным Большого адронного коллайдера 2016 года.
Бозон Хиггса в массовом сознании:
Бозон Хиггса — последняя найденная частица Стандартной модели. Частица Хиггса так важна, что в заголовке книги нобелевского лауреата Леона Ледермана «Частица Бога: если Вселенная это ответ, то каков вопрос?
» она названа «god particle» (частица бога или божья частица), а сам Ледерман изначально предлагал вариант «чёртова частица» , отвергнутый редактором. Это ироничное название широко употребляется средствами массовой информации. Многие учёные не одобряют это прозвище, считая более удачным «бозон бутылки шампанского» ) — из-за игры образами, так как потенциал комплексного поля Хиггса напоминает донышко бутылки шампанского, а его открытие явно приведёт к опустошению не одной такой бутылки[
.&comment=Live-is){kind=small}
