бозон хиггса

На прохання кореспондента «ВП» астрофізик Олександр ІВАНЧИК розповів спеціально для «чайників» про відкриття століття

Астрофізик Олександр Іванчик.

Під землею крутяться дуже великі гроші

Це питання ми поставили старшому науковому співробітнику сектора теоретичної астрофізики Фізико-технічного інституту ім. А. Ф. Іоффе Олександру Іванчику і попутно попросили його розтлумачити гранично популярно, що ж таке цей самий бозон і як співвідноситься він з нашим повсякденним життям і співвідноситься взагалі.

- Величезний інтерес обивателів до бозона Хіггса підігріває те, що на його пошуки витрачена сверхогромная сума. Спеціально «під бозон Хіггса» побудований Великий адронний коллайдер - один з найдорожчих фізичних експериментів в історії людства, в якому втілилися останні досягнення наукової і інженерної думки. Його вартість порівнянна з космічними проектами. Як ви розумієте, це - кошти платників податків. Вони хочуть знати, у що вкладаються їхні гроші. Звідси - широкий піар коллайдера. Крім того, в якийсь момент в суспільстві виникли панічні настрої, був поданий позов до суду: обивателі боялися, що експеримент може закінчитися страшною катастрофою, що загрожує всьому живому. Але суд позов відхилив як неспроможний. Насправді коллайдер нікому нічим не загрожує. Варто також сказати, що це - надзвичайно унікальний міжнародний експеримент, в який залучено велику кількість країн, в основному європейських. Коллайдер, як багато хто знає, знаходиться на кордоні двох країн. Частина - в Швейцарії, частина - у Франції. На глибині ста метрів під землею прорито дуже потужний тунель за типом метро, ​​всередині якого прокладено кільце протяжністю 30 км. У ньому розганяються частки - протони. Так що, фігурально висловлюючись, можна сказати, що під землею крутяться дуже великі гроші.

- Шкільна програма з фізики практично забута через непотрібність, тому виникають глибоко неосвічені питання: що таке протони і звідки вони беруться в трубі колайдера?

- Протон - ядро ​​водню - найпростішого хімічного елемента, одна зі стандартних структурних одиниць, які є де завгодно, в тому числі і в нашому повітрі. У трубі колайдера встановлені спеціальні машини. У них надходить звичайний водень, який там іонізується, в результаті чого атом цієї речовини, що складається з ядра - протони і обертається навколо нього електрона, розбивається і виходять окремо вільний електрон і окремо ядро ​​атома водню - протон. Ось ці ядра і запускаються в трубу коллайдера. У ній за допомогою різних складних пристроїв створюються електричні поля, які розганяють протони до величезних швидкостей; і магнітні поля, які змушують їх рухатися по колу. Протони запускаються відразу з двох ежекторів, таким чином два пучки протонів рухаються назустріч один одному.

Протягом тридцяти кілометрів на кільці колайдера на певних ділянках встановлені чотири потужних приладу - детектори, які коригують траєкторії руху протонів. Усередині цих приладів магнітні поля влаштовані так, що два зустрічних пучка протонів направляються лоб в лоб, тобто відбуваються лобові зіткнення протонів, розігнаних до дуже великих швидкостей - практично до швидкості світла. Це, як ми знаємо, гранична швидкість, відома людству. Розганяючись, протони накопичують величезні енергії, можна сказати навіть - гігантські, а у фізиці елементарних частинок енергія еквівалентна масі. Тому протони, розганяючись, отримують масу, що перевищує масу самих протонів, що знаходяться в стані спокою, в тисячу разів. За теорією відносності при зіткненні частинок з такою важкою масою можуть висікатися або народжуватися нові елементарні частинки. Взагалі колайдери призначені для вивчення структури матерії і народження нових елементарних частинок, які нестабільні і дуже швидко розпадаються. А безпосередньо Великий адронний коллайдер будувався, як уже було сказано, під програму пошуку бозона Хіггса, проте попутно він вирішує багато завдань, які вимагають вивчення у фізиці елементарних частинок.

Детектор направляє протони лоб в лоб.

Наступний крок - пошук нових форм матерії

- Як вчені здогадалися, що перед ними та сама частка?
- Все відкриті до сих пір елементарні частинки мали особливим набором властивостей: певної масою, спіном (власний момент обертання), негативним або позитивним зарядом, а у бозона Хіггса спин дорівнює 0, у нього немає електричного заряду - він нейтральний, і у нього величезна маса , тобто дуже велика енергія. Якби ми на одну чашу терезів поклали електрон, а на іншу бозон Хіггса, то другий переважив би дуже сильно. Ця частка нестабільна, вона моментально розпадається на більш легкі елементарні частинки. Всі ці параметри були передбачені. Бозони Хіггса народжуються в результаті обурення, зрозуміліше кажучи, сплеску поля Хіггса, який викликає зіткнення протонів на величезних швидкостях. Це можна порівняти з водою: коли відбувається сплеск, народжуються краплі. Те, що ця частка має дуже великою енергією, ускладнювало її відкриття. До сих пір у людства не було таких потужних прискорювачів, в яких можна було б отримувати такі енергії.

- Припустимо, бозон Хіггса виявлений. Що змінилося?
- Якщо його вдалося виявити, це буде підтвердженням фундаментальної теорії будови матерії. Якби поле Хіггса не вдалося виявити, довелося б переглядати повністю концепцію побудови матерії. Але фізики сьогодні розуміють: намальована ними картина будови матерії вже не є повною. Можливо, існують нові частинки, ще не відкриті. Більш того, сучасні космологія і астрофізика говорять про те, що 90 відсотків речовини у Всесвіті складається не з звичайної матерії, а з нових форм матерії, і фізика елементарних частинок вже може дати приблизний відповідь, які це нові форми. Щоб розвивати фізичні знання далі, необхідно бути впевненими, що принципи, на яких ми працюємо, вірні. У цьому сенсі бозон Хіггса - та сама сходинка, на яку, як це не дивно, і в прямому і в переносному сенсі може спертися людство, міжнародне співтовариство вчених, щоб піти далі. Наступний крок в експериментах на колайдерах - пошук нових форм матерії, який не звичний і незвичні і з яких, можливо, полягає велика частина Всесвіту.

- Відомо, що наші українські вчені теж беруть участь в експериментах, проведених на Великому адронному колайдері ...
- Україна входить до числа країн-спостерігачів разом з США, Індією, Японією, Ізраїлем та іншими.

- Значить, Нобелівська премія за відкриття бозона Хіггса нам не загрожує?
- Саме так. Хоча наша країна брала участь у виготовленні деяких елементів обладнання коллайдера і наші вчені постійно присутні в ЦЕРНі. Але основні результати будуть належати європейцям, оскільки саме їм вдалося реалізувати цей грандіозний проект.

Схема Великого адронного коллайдера.

Як з хаосу народжується порядок

- Вчені дійсно ще не до кінця впевнені, що відкрили саме бозон Хіггса, а лише на 99,9 відсотка?
- Бозон Хіггса відноситься до елементарних частинок, які живуть мізерні частки секунди, тому засікти його надзвичайно важко. В результаті зіткнення протонів в колайдері народжуються мільйони елементарних частинок. Вони розлітаються по всьому детектору, велика частина з них - ті, які вже відомі науці і тому нецікаві вченим. Треба відібрати одну-єдину з мільйонів, яка буде відповідати передбаченим параметрам нової частинки - бозона Хіггса. CERN (ЦЕРН) - Європейський центр ядерних досліджень - так офіційно називається весь дослідний комплекс - являє собою не тільки установку для розгону протонів, а й потужний комп'ютерний центр, де встановлено величезну кількість комп'ютерів і обробних систем, перемелюють безперервний потік інформації в режимі онлайн. Вони відбирають і реєструють нові елементарні частинки, що виникають в колайдері, а вже відомі відсівають. І ось нарешті було заявлено, що дві незалежні групи на 99,9 відсотка впевнені, що знайшли бозон Хіггса. Зараз ведеться більш детальна комп'ютерна обробка даних, але заяву досить обнадійливе. До нього потрібно ставитися з оптимізмом, і тим не менш в фізиці є багато прикладів, коли такі заяви потім сходили нанівець.

- Чому так важливо було знайти цей бозон?
- Сьогодні фізики знають, як влаштований світ з точки зору фундаментального будови матерії. Нам відомо, що ми самі і вся матерія, яка нас оточує, - словом, все складається з молекул, молекули - з атомів, атоми - з ядра і що обертаються навколо нього електронів. Це знає будь-який школяр. З чого складається ядро, теж відомо: з протонів і нейтронів. Вони - в свою чергу - з кварків. Існує так звана стандартна модель будови матерії. Вона називається кварк-Лептонний. Ця теорія вчить, що кварки і лептони (електрони) - це первокірпічіков, з яких побудована вся наша матерія, вважається, що вони вже неподільні. Це - дрібні елементарні частинки. Проведено безліч експериментів з вивчення елементарних частинок, з яких складаються земля, людина, квіти, дерева - все видиме, і їх взаємодії. Вони підтверджують вірність кварк-лептонний моделі. У ній повністю є все, за винятком одного елемента. У цій теорії передбачається, що кварки і лептони знаходять масу за рахунок взаємодії з полем Хіггса. Воно було передбачено теоретично. Це єдиний елемент, який не був спостерігаємо на практиці. Всі інші компоненти моделі будови матерії наукою відкриті, а цей - ні.

- Цей елемент був передбачений, як, припустимо, таблиця Менделєєва, де спочатку були порожні клітинки для хімічних елементів, які тільки повинні були відкрити, а зараз вся ця таблиця заповнена?
- Абсолютно вірно. Так само і тут. Було передбачено, що кварки і електрони без бозона Хіггса були б безмасовими. Тобто не мали б масою спокою і безперервно, хаотично рухалися б зі швидкістю світла. Щоб з них можна було щось скласти - планету, людини, - вони повинні мати масу спокою, яка у них виникає тільки при взаємодії з полем Хіггса. Передбачив це поле нині живий британський вчений Пітер Хіггс близько 50 років тому. Воно пронизує все суще, і протони, з яких ми складаємося, і кварки, з яких складаються протони, взаємодіють з цим полем і тому мають масу, тобто, образно кажучи, поле Хіггса з хаосу народжує порядок. А бозон Хіггса - дрібна частка цього поля. Не випадково один японський вчений назвав цей елемент часткою Бога.

Виняткові права на матеріали, розміщені на інтернет-сайті www.vppress.ru, відповідно до законодавства України про охорону результатів інтелектуальної діяльності, належать ТОВ «Видавничий Дім« Вечірній Харків », і не підлягають використанню іншими особами в якій би то не було формі без згоди власника авторських прав.