Qu'est-ce que le boson de Higgs en termes simples. Le boson de Higgs en termes simples : qu'est-ce que c'est, ce qu'il fait et quelles sont les conséquences (vidéo)

Parlant dans un langage simple, le boson de Higgs est la particule la plus chère de tous les temps. S’il suffisait par exemple d’un tube à vide et de quelques esprits brillants, la recherche du boson de Higgs nécessitait la création d’une énergie expérimentale rarement vue sur Terre. Le Large Hadron Collider n'a pas besoin d'être présenté, étant l'un des plus célèbres et des plus réussis. expériences scientifiques, mais sa particule de profil, comme auparavant, est entourée de mystère pour la plupart de la population. On l’appelle la particule divine, mais grâce aux efforts de milliers de scientifiques, nous ne devons plus tenir son existence pour acquise.

La dernière inconnue

De quoi s’agit-il et quelle est l’importance de sa découverte ? Pourquoi est-il devenu l’objet de tant de battage médiatique, de financement et de désinformation ? Pour deux raisons. Premièrement, c’était la dernière particule non découverte nécessaire pour confirmer le modèle standard de la physique. Sa découverte signifie que toute une génération de publications scientifiques n’a pas été vaine. Deuxièmement, ce boson donne leur masse aux autres particules, ce qui lui donne signification particulière et un peu de "magie". Nous avons tendance à considérer la masse comme propriété interne choses, mais les physiciens pensent différemment. En termes simples, le boson de Higgs est une particule sans laquelle la masse n’existe fondamentalement pas.

Un champ de plus

La raison réside dans ce qu’on appelle le champ de Higgs. Il a été décrit avant même le boson de Higgs, puisque les physiciens l'ont calculé pour leurs besoins. propres théories et des observations qui nécessitaient la présence d'un nouveau champ dont l'action s'étendrait à l'Univers tout entier. Renforcer des hypothèses en inventant de nouvelles parties de l’univers est dangereux. Dans le passé, par exemple, cela a conduit à la création de la théorie de l’éther. Mais plus les calculs mathématiques étaient effectués, plus les physiciens se rendaient compte que le champ de Higgs devait exister dans la réalité. Le seul problème il y avait un manque de possibilités pratiques pour l'observer.

Dans le modèle standard, les physiciens obtiennent la masse grâce à un mécanisme basé sur l’existence du champ de Higgs qui imprègne tout l’espace. Il crée des bosons de Higgs, ce qui nécessite grand nombre l'énergie, et c'est raison principale pourquoi les scientifiques ont besoin d'accélérateurs de particules modernes pour mener des expériences à haute énergie.

D'où vient la masse ?

La force des faibles interactions nucléaires diminue rapidement avec l'augmentation de la distance. Selon théorie des quanta champ, cela signifie que les particules qui participent à sa création - les bosons W et Z - doivent avoir une masse, contrairement aux gluons et aux photons, qui n'en ont pas.

Le problème est que théories de jauge fonctionner uniquement avec des éléments sans masse. Si les bosons de jauge ont une masse, alors une telle hypothèse ne peut pas être raisonnablement définie. Le mécanisme de Higgs évite ce problème en introduisant un nouveau champ appelé champ de Higgs. À hautes énergies les bosons de jauge n'ont pas de masse et l'hypothèse fonctionne comme prévu. Aux basses énergies, le champ provoque une rupture de symétrie, ce qui permet aux éléments d'avoir une masse.

Qu'est-ce que le boson de Higgs ?

Le champ de Higgs produit des particules appelées bosons de Higgs. La théorie ne précise pas leur masse, mais à la suite de l'expérience, il a été déterminé qu'elle est égale à 125 GeV. En termes simples, l’existence du boson de Higgs a finalement confirmé le modèle standard.

Le mécanisme, le champ et le boson portent le nom du scientifique écossais Peter Higgs. Bien qu'il n'ait pas été le premier à proposer ces concepts, mais, comme cela arrive souvent en physique, il s'est simplement avéré être celui qui leur a donné leur nom.

Rupture de symétrie

On croyait que le champ de Higgs était responsable du fait que des particules qui ne devraient pas avoir de masse en avaient. Il s'agit d'un milieu universel doté de particules sans masse différentes masses. Cette violation de la symétrie s'explique par analogie avec la lumière : toutes les longueurs d'onde se déplacent dans le vide à la même vitesse, mais dans un prisme, chaque longueur d'onde peut être isolée. Il s’agit bien entendu d’une analogie incorrecte, puisque lumière blanche contient toutes les longueurs d'onde, mais l'exemple montre comment le champ de Higgs semble créer de la masse en raison de la rupture de symétrie. Le prisme brise la symétrie de vitesse des différentes longueurs d'onde de la lumière en les séparant, et on pense que le champ de Higgs brise la symétrie de masse de certaines particules qui, par ailleurs, seraient symétriquement sans masse.

Comment expliquer le boson de Higgs en termes simples ? Ce n'est que récemment que les physiciens ont réalisé que si le champ de Higgs existait réellement, son action nécessiterait la présence d'un porteur approprié possédant des propriétés qui le rendraient observable. On a supposé que cette particule appartenait aux bosons. En termes simples, le boson de Higgs est ce qu'on appelle la force porteuse, la même que les photons, qui sont des porteurs. champ électromagnétique Univers. Les photons, dans un sens, en sont des excitations locales, tout comme le boson de Higgs est une excitation locale de son champ. Prouver l’existence d’une particule possédant les propriétés attendues par les physiciens équivalait en réalité à une preuve directe de l’existence d’un champ.

Expérience

De nombreuses années de planification ont permis au Grand collisionneur de hadrons (LHC) de devenir une expérience suffisante pour potentiellement réfuter la théorie du boson de Higgs. L'anneau d'électroaimants super puissants de 27 km peut accélérer les particules chargées jusqu'à des fractions importantes, provoquant des collisions d'une force suffisante pour les séparer en composants, ainsi que déformer l'espace autour du point d'impact. D'après les calculs, à l'énergie de collision, il y a suffisamment haut niveau vous pouvez charger un boson pour qu'il se désintègre et cela peut être observé. Cette énergie était si grande que certains ont même paniqué et prédit la fin du monde, et l'imagination des autres est allée si loin que la découverte du boson de Higgs a été décrite comme un aperçu d'une dimension alternative.

Confirmation finale

Les premières observations semblaient en réalité réfuter les prédictions et aucun signe de la particule n’a pu être trouvé. Certains chercheurs impliqués dans la campagne visant à dépenser des milliards de dollars sont même apparus à la télévision et ont docilement déclaré que la réfutation théorie scientifique tout aussi important que sa confirmation. Après un certain temps, cependant, les mesures ont commencé à donner une image globale et le 14 mars 2013, le CERN a officiellement annoncé la confirmation de l'existence de la particule. Il existe des preuves suggérant l’existence de plusieurs bosons, mais cette idée nécessite une étude plus approfondie.

Deux ans après que le CERN a annoncé la découverte de la particule, les scientifiques travaillant au Grand collisionneur de hadrons ont pu la confirmer. D’un côté, il s’agit d’une immense victoire pour la science, mais de l’autre, de nombreux scientifiques ont été déçus. Si quelqu'un espérait que le boson de Higgs serait la particule qui mènerait à des régions étranges et merveilleuses au-delà du modèle standard - supersymétrie, matière noire, énergie sombre, - Malheureusement, cela ne s'est pas avéré être le cas.

Une étude publiée dans Nature Physics a confirmé la désintégration en fermions. prédit que, en termes simples, le boson de Higgs est la particule qui donne leur masse aux fermions. Le détecteur CMS du collisionneur a finalement confirmé leur désintégration en fermions – quarks down et leptons tau.

Le boson de Higgs en termes simples : qu’est-ce que c’est ?

Cette étude a définitivement confirmé qu'il s'agit bien du boson de Higgs prédit par le Modèle Standard de la physique. particules élémentaires. Il est situé dans la région masse-énergie de 125 GeV, n'a pas de spin et peut se désintégrer en de nombreux éléments plus légers - paires de photons, fermions, etc. Grâce à cela, nous pouvons affirmer avec certitude que le boson de Higgs, en termes simples, est une particule, donnant de la masse à tout.

Le comportement standard de l’élément nouvellement découvert était décevant. Si sa désintégration était ne serait-ce que légèrement différente, elle serait liée différemment aux fermions, et de nouvelles pistes de recherche émergeraient. D'un autre côté, cela signifie que nous n'avons pas avancé d'un cran au-delà du modèle standard, qui ne prend pas en compte la gravité, l'énergie noire, matière noire et d'autres phénomènes bizarres de la réalité.

Maintenant, nous ne pouvons que deviner ce qui les a provoqués. La théorie la plus populaire est la supersymétrie, selon laquelle chaque particule du modèle standard possède un superpartenaire incroyablement lourd (qui représente ainsi 23 % de l'Univers : la matière noire). La mise à niveau du collisionneur pour doubler son énergie de collision à 13 TeV permettra probablement de détecter ces superparticules. Autrement, la supersymétrie devra attendre la construction d’un successeur plus puissant au LHC.

Perspectives d'avenir

Alors, à quoi ressemblera la physique après le boson de Higgs ? Le LHC vient de rouvrir ses portes avec des améliorations majeures et est capable de tout voir, de l'antimatière à l'énergie noire. On pense qu’il interagit avec le corps normal uniquement par la gravité et par la création de masse, et l’importance du boson de Higgs est essentielle pour comprendre exactement comment cela se produit. Le principal inconvénient du modèle standard est qu’il ne peut pas expliquer l’effet de la gravité – un tel modèle pourrait être appelé le Grand Modèle. théorie unifiée, - et certains pensent que la particule et le champ de Higgs pourraient être le pont que les physiciens cherchent désespérément à trouver.

L’existence du boson de Higgs a été confirmée, mais sa compréhension complète est encore très loin. Les expériences futures réfuteront-elles la supersymétrie et l’idée de sa décomposition en matière noire elle-même ? Ou confirmeront-ils dans les moindres détails les prédictions du modèle standard sur les propriétés du boson de Higgs, et ce domaine de recherche sera définitivement terminé ?

Tout le monde se souvient du battage médiatique entourant la découverte du boson de Higgs en 2012. Tout le monde s’en souvient, mais beaucoup ne comprennent toujours pas vraiment de quel genre de vacances il s’agissait ? Nous avons décidé de le comprendre, de nous éclairer et en même temps de parler de ce qu'est le boson de Higgs. en mots simples!

Modèle standard et boson de Higgs

Commençons par le tout début. Les particules sont divisées en bosons Et fermions. Les bosons sont des particules à spin entier. Fermions - avec un demi-entier.

Le boson de Higgs est une particule élémentaire théoriquement prédite en 1964. Un boson élémentaire résultant du mécanisme de rupture spontanée de la symétrie électrofaible.

Il est clair? Pas bon. Pour que ce soit plus clair, nous devons parler de Modèle standard.

Modèle standard- l'un des principaux modèles modernes descriptions du monde. Il décrit l'interaction des particules élémentaires. Comme on le sait, il y en a 4 dans le monde interactions fondamentales: gravitationnel, fort, faible et électromagnétique. Nous ne considérons pas immédiatement la gravité, car il a une nature différente et n'est pas inclus dans le modèle. Mais les interactions fortes, faibles et électromagnétiques sont décrites dans le cadre du modèle standard. De plus, selon cette théorie, la matière est constituée de 12 particules élémentaires fondamentales - fermions. Bosons Ils sont également porteurs d’interactions. Vous pouvez postuler directement sur notre site internet.

Ainsi, parmi toutes les particules prédites dans le modèle standard, celle qui n’a pas été détectée expérimentalement était Boson de Higgs. Selon le modèle standard, ce boson, étant un quantum du champ de Higgs, est responsable du fait que les particules élémentaires ont une masse. Imaginons que les particules soient des boules de billard posées sur une nappe. DANS dans ce cas Le tissu est le champ de Higgs, qui fournit la masse des particules.

Comment a-t-on recherché le boson de Higgs ?

Il n’est pas possible de répondre avec précision à la question de savoir quand le boson de Higgs a été découvert. Après tout, cela a été théoriquement prédit en 1964, et son existence n'a été confirmée expérimentalement qu'en 2012. Et pendant tout ce temps, ils cherchaient l'insaisissable boson ! Ils ont cherché longuement et durement. Avant le LHC, un autre accélérateur fonctionnait au CERN, le collisionneur électron-positon. Il y avait aussi un Tevatron dans l'Illinois, mais sa puissance n'était pas suffisante pour accomplir la tâche, même si les expériences ont bien sûr donné certains résultats.

Le fait est que le boson de Higgs est une particule lourde et qu'il est très difficile de le détecter. L'essence de l'expérience est simple, la mise en œuvre et l'interprétation des résultats sont complexes. Deux protons sont capturés à une vitesse proche de la lumière et entrent en collision frontale. Les protons, constitués de quarks et d'antiquarks, issus de ce collision puissante s'effondrent et de nombreuses particules secondaires apparaissent. C'est parmi eux que le boson de Higgs a été recherché.

Le problème est que l’existence de ce boson ne peut être confirmée qu’indirectement. La période pendant laquelle le boson de Higgs existe est extrêmement courte, tout comme la distance entre les points de disparition et d'apparition. Il est impossible de mesurer directement ce temps et cette distance. Mais le Higgs ne disparaît pas sans laisser de trace, et il peut être calculé par les « produits de désintégration ».

Bien qu'une telle recherche soit très similaire à la recherche d'une aiguille dans une botte de foin. Et même pas dans un seul, mais dans tout le champ des meules de foin. Le fait est que le boson de Higgs se désintègre avec différentes probabilités en différents « ensembles » de particules. Il pourrait s'agir d'une paire quark-antiquark, de bosons W, ou des leptons les plus massifs, les particules tau. Dans certains cas, ces désintégrations sont extrêmement difficiles à distinguer des désintégrations d’autres particules, pas seulement du Higgs. Dans d’autres, il ne peut pas être enregistré de manière fiable par les détecteurs. Bien que les détecteurs du LHC soient les instruments de mesure les plus précis et les plus puissants fabriqués par l’homme, ils ne peuvent pas tout mesurer. La transformation de Higgs en quatre leptons est mieux détectée par les détecteurs. Cependant, la probabilité que cet événement se produise est très faible : seulement 0,013 %.

Cependant, au cours de six mois d'expériences, alors que des centaines de millions de collisions de protons se produisent en une seconde dans le collisionneur, jusqu'à cinq cas de ce type à quatre leptons ont été identifiés. De plus, ils ont été enregistrés sur deux détecteurs géants différents : ATLAS et CMS. Selon un calcul indépendant utilisant les données de l'un et de l'autre détecteur, la masse des particules était d'environ 125 GeV, ce qui correspond à la prédiction théorique pour le boson de Higgs.

Pour confirmer pleinement et précisément que la particule détectée était précisément le boson de Higgs, de nombreuses autres expériences ont dû être réalisées. Et malgré le fait que le boson de Higgs ait maintenant été découvert, les expériences dans un certain nombre de cas s'écartent de la théorie, donc Modèle standard, pensent de nombreux scientifiques, fait très probablement partie d’une théorie plus avancée qui n’a pas encore été découverte.

La découverte du boson de Higgs est certainement l'une des découvertes majeures du 21ème siècle. Sa découverte constitue une étape majeure dans la compréhension de la structure du monde. Sans lui, toutes les particules seraient sans masse, comme les photons, et rien de ce qui constitue la nôtre n'existerait. univers matériel. Le boson de Higgs est une étape vers la compréhension du fonctionnement de l’univers. Le boson de Higgs a même été appelé la particule divine ou la particule maudite. Cependant, les scientifiques eux-mêmes préfèrent l’appeler le boson de la bouteille de champagne. Après tout, un événement comme la découverte du boson de Higgs peut être célébré pendant des années.

Mes amis, aujourd'hui, nous avons été époustouflés par le boson de Higgs. Et si vous en avez déjà assez de vous époustoufler avec des tâches de routine sans fin ou des tâches d'étude écrasantes, tournez-vous vers . Comme toujours, nous vous aiderons à résoudre rapidement et efficacement tout problème.

Nous pouvons parier que la plupart d'entre vous (y compris les personnes intéressées par la science) n'ont pas une très bonne idée de ce que les physiciens ont découvert au Grand collisionneur de hadrons, pourquoi ils l'ont recherché pendant si longtemps et ce qui va se passer ensuite. .

C'est pourquoi nouvelle sur ce qu'est le boson de Higgs.

Il faut partir du fait que les gens sont généralement très incapables d’imaginer mentalement ce qui se passe dans le microcosme, à l’échelle des particules élémentaires.

Par exemple, de nombreux élèves de l'école imaginent que les électrons sont de petites boules jaunes, comme des mini-planètes, tournant autour du noyau d'un atome, ou qu'ils ressemblent à une framboise composée de protons-neutrons rouges et bleus. Ceux qui connaissent un peu mécanique quantique selon les livres populaires, ils représentent des particules élémentaires sous forme de nuages ​​​​flou. Lorsqu’on nous dit que toute particule élémentaire est aussi une onde, on imagine des vagues sur la mer (ou dans l’océan) : la surface d’un milieu tridimensionnel qui oscille périodiquement. Si on nous dit qu'une particule est un événement dans un certain champ, nous imaginons un champ (quelque chose qui bourdonne dans le vide, comme une boîte de transformateur).

Tout cela est très mauvais. Les mots « particule », « champ » et « onde » reflètent extrêmement mal la réalité et il n'y a aucun moyen de les imaginer. Quel que soit image visuelle tout ce qui vous passe par la tête sera incorrect et gênera la compréhension. Les particules élémentaires ne peuvent en principe pas être vues ou « touchées », et nous, les descendants des singes, sommes conçus pour imaginer uniquement de telles choses. Il n’est pas vrai qu’un électron (ou un photon, ou un boson de Higgs) « soit à la fois une particule et une onde » ; c'est quelque chose de troisième, pour lequel il n'y a jamais eu de mots dans notre langue (car inutile). Nous (au sens de l'humanité) savons comment ils se comportent, nous pouvons faire des calculs, nous pouvons organiser des expériences avec eux, mais nous ne pouvons pas en choisir une qui soit bonne pour eux. image mentale, car des choses même approximativement similaires aux particules élémentaires ne se produisent pas du tout à notre échelle.

Les physiciens professionnels n'essaient même pas visuellement (ou de toute autre manière en termes sentiments humains) imaginez ce qui se passe dans le microcosme ; Ce mauvaise façon, ça ne mène nulle part. Ils développent progressivement une certaine intuition sur les objets qui y vivent et sur ce qui leur arrivera s'ils font ceci ou cela, mais il est peu probable qu'un non-professionnel soit capable de la reproduire.

Alors, j'espère que vous ne pensez plus aux petites boules. Parlons maintenant de ce qu’ils cherchaient et trouvaient au Grand collisionneur de hadrons.

La théorie généralement acceptée sur la façon dont le monde fonctionne aux plus petites échelles est appelée le modèle standard. Selon elle, notre monde fonctionne ainsi. Il a plusieurs fondamentaux différents types substances qui de diverses manières interagir les uns avec les autres. Il est parfois commode de parler d'interactions telles que l'échange de certains « objets » dont on peut mesurer la vitesse, la masse, les accélérer ou les pousser les uns contre les autres, etc. Dans certains cas, il est pratique de les appeler (et de les considérer) comme des particules porteuses. Il existe 12 types de particules de ce type dans le modèle. Je vous rappelle que tout ce que j'écris maintenant est encore inexact et profanateur ; mais, je l'espère, encore beaucoup moins que ce que la plupart des médias rapportent. (Par exemple, « L'Écho de Moscou » du 4 juillet s'est distingué par l'expression « 5 points sur l'échelle sigma » ; les connaisseurs l'apprécieront).

D'une manière ou d'une autre, 11 des 12 particules du modèle standard ont déjà été observées auparavant. Le 12ème est un boson correspondant au champ de Higgs – ce qui donne la masse à de nombreuses autres particules. Une très bonne (mais bien sûr également incorrecte) analogie, que je n'ai pas inventée : imaginez une table de billard parfaitement lisse sur laquelle se trouvent des boules de billard - des particules élémentaires. Ils se séparent facilement différents côtés et déplacez-vous n'importe où sans interférence. Imaginez maintenant que la table soit recouverte d'une sorte de masse collante qui empêche le mouvement des particules : c'est le champ de Higgs, et la mesure dans laquelle une particule adhère à un tel revêtement est sa masse. Le champ de Higgs n'interagit en aucune façon avec certaines particules, par exemple avec les photons, et leur masse est donc nulle ; On peut imaginer que les photons sont comme une rondelle de hockey sur air et que le revêtement n'est pas du tout remarqué.

Toute cette analogie est incorrecte, par exemple, parce que la masse, contrairement à notre revêtement collant, empêche la particule de se déplacer, mais d'accélérer, mais elle donne une certaine illusion de compréhension.

Le boson de Higgs est la particule correspondant à ce « champ collant ». Imaginez-vous frapper très fort sur une table de billard, endommager le feutre et l'écraser. petite quantité masse collante en une bulle pliée, qui se propagera très rapidement. C'est ça.

En fait, c'est exactement ce que le Grand collisionneur de hadrons a fait toutes ces années, et voici à peu près à quoi ressemblait le processus d'obtention du boson de Higgs : nous frappons la table de toutes nos forces jusqu'à ce que le tissu lui-même commence à se transformer d'un état très surface statique, dure et collante en quelque chose de plus intéressant (ou jusqu'à ce que quelque chose d'encore plus merveilleux se produise, non prédit par la théorie). C'est pourquoi le LHC est si grand et si puissant : ils ont déjà essayé de se lancer sur la table avec moins d'énergie, mais sans succès.

Parlons maintenant du fameux 5 sigma. Le problème avec le processus ci-dessus est que nous ne pouvons que frapper et espérer que quelque chose en résultera ; Il n'existe pas de recette garantie pour obtenir le boson de Higgs. Pire encore, lorsqu'il naît enfin au monde, il faut avoir le temps de l'enregistrer (naturellement, il est impossible de le voir, et il n'existe que une part insignifiante secondes). Quel que soit le détecteur que nous utilisons, nous pouvons seulement dire qu’il semble que nous ayons observé quelque chose de similaire.

Imaginez maintenant que nous avons un spécial dés; il tombe au hasard sur l'une des six faces, mais si le boson de Higgs est proche à ce moment précis, alors les six ne tomberont jamais. Il s'agit d'un détecteur typique. Si nous lançons le dé une fois et en même temps frappons la table de toutes nos forces, alors aucun résultat ne nous dira quoi que ce soit : est-ce que le résultat est un 4 ? Un événement tout à fait probable. Avez-vous obtenu un 6 ? Peut-être avons-nous juste touché la table un peu au mauvais moment, et le boson, bien qu'existant, n'a pas eu le temps de naître en bon moment, ou vice versa, a réussi à s'effondrer.

Mais on peut faire cette expérience plusieurs fois, et même plusieurs fois ! Super, lançons les dés 60 000 000 de fois. Disons que le six est revenu « seulement » 9 500 000 fois, et non 10 000 000 ; Cela signifie-t-il qu'un boson apparaît de temps en temps, ou est-ce juste une coïncidence acceptable - nous ne pensons pas que le dé devrait être un six lisse 10 millions de fois sur 60 ?

Eh bien, euh. De telles choses ne peuvent pas être évaluées visuellement ; vous devez considérer l’ampleur de l’écart et son rapport avec d’éventuels accidents. Plus la déviation est grande, moins il est probable que l’os ait été placé ainsi par accident, et plus plus probable le fait que de temps en temps (pas toujours) une nouvelle particule élémentaire apparaissait, l'empêchant de former un six. Il est pratique d’exprimer l’écart par rapport à la moyenne en « sigmas ». « Un sigma » est le niveau d'écart « le plus attendu » (son signification spécifique Tout étudiant de troisième année de la Faculté de Physique ou de Mathématiques peut le calculer). S'il y a beaucoup d'expériences, alors un écart de 5 sigma est le niveau où l'opinion « le hasard est peu probable » se transforme en une confiance absolument ferme.

Les physiciens ont annoncé le 4 juillet avoir atteint approximativement ce niveau d'écarts sur deux détecteurs différents. Les deux détecteurs se sont comportés de manière très similaire à la façon dont ils se comporteraient si la particule produite en frappant violemment la table était en réalité un boson de Higgs ; À proprement parler, cela ne signifie pas que c’est exactement ce que nous avons devant nous ; nous devons en mesurer toutes sortes d’autres caractéristiques avec toutes sortes d’autres détecteurs. Mais il ne reste que peu de doutes.

Enfin, sur ce qui nous attend dans le futur. Une « nouvelle physique » a-t-elle été découverte et une avancée majeure a-t-elle été réalisée qui nous aidera à créer des moteurs hyperspatiaux et du carburant absolu ? Non; et même vice versa : il est devenu clair que dans cette partie de la physique qui étudie les particules élémentaires, les miracles ne se produisent pas, et la nature est structurée presque comme les physiciens l'avaient toujours supposé (enfin, ou presque). C'est même un peu triste.

La situation est compliquée par le fait que nous savons avec une certitude absolue qu’en principe, elle ne peut pas être structurée exactement de cette manière. Le modèle standard est purement mathématiquement incompatible avec théorie générale La relativité d’Einstein, les deux ne peuvent tout simplement pas être vraies en même temps.

Et où creuser maintenant n'est pas encore très clair (ce n'est pas qu'il n'y a pas de pensées du tout, bien au contraire : il y a trop de possibilités théoriques différentes, et il y a beaucoup moins de façons de les tester). Eh bien, c’est peut-être clair pour quelqu’un, mais certainement pas pour moi. J'ai déjà dépassé mes compétences à ce poste il y a longtemps. Si j'ai mal menti quelque part, corrigez-moi.

La théorie moderne des particules élémentaires repose sur une certaine symétrie entre les interactions électromagnétiques et faibles - symétrie électrofaible. On pense que cette symétrie était en univers primitif et à cause de cela, les particules étaient initialement sans masse, mais à un moment donné, elles se sont spontanément brisées et les particules ont acquis de la masse. En théorie des particules, pour cette rupture de symétrie électrofaible, il a été inventé Mécanisme de Higgs. C'est ce que le LHC devra étudier.

Pour ce faire, l'expérience nécessitera l'ouverture Boson de Higgs- un écho de particules du mécanisme de Higgs. Si ce boson est découvert et étudié, les physiciens apprendront comment la rupture de symétrie s’est produite et pourraient même créer une nouvelle théorie plus profonde de notre monde. Si ce boson n'est pas trouvé (sous quelque forme que ce soit !), alors une révision sérieuse du modèle standard des particules élémentaires sera nécessaire, car il ne peut pas fonctionner sans le mécanisme de Higgs.

Toutes les expériences réalisées jusqu'à présent n'ont pas pu remplir cette tâche en raison d'un manque haute énergie particules. Il est prévu que Collisionneur LHC avec son énergie protonique record, il apportera des réponses à toutes les questions clés.

Un peu plus de détails

La théorie moderne des particules élémentaires - le modèle standard - ne s'intéresse pas tant à la liste des particules fondamentales qu'à la description de leurs interactions. Il est basé sur l’idée que deux interactions apparemment différentes, telles qu’électromagnétique et faible, sont en réalité les deux faces d’une « même médaille » : interaction électrofaible.

Dans le cadre de cette théorie, il s’avère que lorsque haute température entre les faibles et interactions électromagnétiques il y a une symétrie. Mais la symétrie électrofaible n’est possible que lorsque les particules fondamentales sont sans masse, et nous savons par expérience que dans notre monde, ces particules sont massives. Cela signifie que la symétrie doit être brisée. Mécanisme de Higgs c'est exactement ce que c'est force motrice, ce qui brise cette symétrie. On peut dire que tâche principale Mécanisme de Higgs - pour rendre les particules massives.

Cela se passe comme ça. Dans la théorie quantique, toutes les particules ne sont pas du tout des « boules solides », mais des quanta, des « morceaux » vibrants d’un champ. Les électrons sont des vibrations domaine électronique, photons - oscillations du champ électromagnétique, etc. Chaque champ a un état avec l'énergie la plus basse - on l'appelle le « vide » de ce champ. Pour les particules ordinaires, le vide se produit lorsqu’il n’y a pas de particules, c’est-à-dire lorsque leur champ est nul partout. Si des particules sont présentes (c'est-à-dire que le champ n'est pas nul partout), alors cet état du champ a une énergie supérieure à celle du vide.

Et le champ de Higgs est structuré d'une manière particulière : il y a un vide non nul. En d’autres termes, l’état avec la plus faible énergie du champ de Higgs se produit lorsque tout l’espace est imprégné d’un champ de Higgs d’une certaine force, contre lequel d’autres particules se déplacent. Les oscillations du champ de Higgs par rapport à cette « moyenne sous vide » sont Bosons de Higgs, quanta du champ de Higgs.

La présence omniprésente du champ de Higgs de fond affecte le mouvement des particules d'une manière strictement définie - ce qui rend difficile accélération particules, mais ne les interfère pas mouvement uniforme. Les particules deviennent plus inertes lorsqu'elles sont exposées à forces extérieures ils commencent à bouger à contrecœur - en d'autres termes, ils commencent à poids. Cette masse est d'autant plus grande qu'ils « s'accrochent » fortement au champ de Higgs. Cependant, certaines particules, comme les photons, ne s'accrochent pas directement au champ de Higgs et restent sans masse.

Il existe de nombreuses tentatives pour expliquer l'essence du mécanisme de Higgs sur les doigts, avec les mots les plus simples. Certains d'entre eux sont donnés sur la page Mécanisme de Higgs par analogies.

Les bosons de Higgs sont également massifs car le champ de Higgs interagit avec lui-même. Particularité Bosons de Higgs - ils interagissent avec différentes particules proportionnelle à leur masse - après tout, la moyenne du vide de Higgs et le boson de Higgs sont deux manifestations du même champ de Higgs. Cette propriété des bosons de Higgs est très importante pour leur recherche au LHC.

Est-ce que tout est connu sur le mécanisme de Higgs ?

Pas du tout! De plus, on sait très peu de choses sur lui.

Le fait est que presque toutes les données expérimentales sur lesquelles le modèle standard a « grandi » ne nécessitent que le fait lui-même violations de symétrie, mais ne disent presque rien de son mécanisme. Par conséquent, le problème n’est pas maintenant que les physiciens ne savent pas comment expliquer la violation de la symétrie électrofaible, mais qu’ils ont déjà trouvé beaucoup d'options cette violation.

Certains d'entre eux sont très simples - comme dans le modèle standard, d'autres sont simples dans leur concept, mais un peu plus complexes dans leur exécution (par exemple, dans les modèles avec plusieurs bosons de Higgs), et certains s'appuient sur des idées fondamentalement nouvelles, telles que la supersymétrie, des espaces multidimensionnels ou nouveau type interactions. Toutes ces options sont collectivement appelées " mécanismes de Higgs non minimaux" On saura lequel sera le plus proche de la réalité après plusieurs années d’exploitation du LHC.

Est-il possible de se passer du mécanisme de Higgs ?

En principe, oui, mais vous vous retrouverez alors inévitablement avec une théorie bien plus exotique que le Modèle Standard avec le mécanisme de Higgs habituel.

Ici, vous devez comprendre la chaîne logique. Si nous acceptons l'idée de symétrie électrofaible, alors cette symétrie doit être brisée d'une manière ou d'une autre. Le mécanisme de Higgs est le moyen le plus naturel et le plus minime d'une telle violation. Il existe des tentatives pour construire un mécanisme sans Higgs, mais elles sont toutes très exotiques et nécessitent l'introduction de nouvelles particules, interactions ou même coordonnées spatiales. Bien sûr, il serait très intéressant qu'un tel modèle soit réalisé dans notre monde, mais du point de vue de la construction de modèles, ce sont des théories beaucoup plus complexes et moins naturelles que le mécanisme de Higgs.

Si nous n'acceptons pas l'idée de symétrie électrofaible, alors le mécanisme de Higgs n'est plus nécessaire, mais il faudra alors créer une théorie différente des interactions faibles qui expliquerait toutes les propriétés observées des particules. Permettez-moi de vous rappeler que le modèle standard non seulement résout parfaitement cela, mais que c'est sur cette base que les propriétés des bosons W et Z responsables de interaction faible. Il n’existe pas encore d’autre théorie qui pourrait remplacer le modèle standard.

Le mécanisme de Higgs répond-il à toutes les questions ?

Encore une fois, non. Le mécanisme de Higgs n'explique pas tout, il ne fait que compléter le Modèle Standard, en faisant une théorie adaptée aux calculs à des énergies bien inférieures à 1 TeV.

Par conséquent, des problèmes surviennent lorsqu’on tente d’extrapoler le modèle standard à de très hautes énergies. Soulignons qu'il ne s'agit pas de problèmes liés au mécanisme de Higgs lui-même, mais à l'ensemble du modèle standard. Ils reflètent le fait que le SM n’est pas complet et n’est qu’une théorie « approximative » qui ne fonctionne bien qu’à basses énergies.

Aux hautes énergies, au lieu du modèle standard, une nouvelle théorie, plus profonde et non encore construite, devrait fonctionner, dans laquelle ces problèmes seront (en partie ?) résolus. De quel type de théorie il s’agit n’est pas connu avec certitude, mais il y a déjà de nombreux développements. Par conséquent, la tâche principale du LHC est d’essayer au moins d’entrevoir les manifestations de cette théorie afin de comprendre où aller ensuite. La plupart des physiciens sont convaincus que cela peut être réalisé grâce à la recherche sur le mécanisme de Higgs.

Lectures complémentaires :

• Des informations de base sur le mécanisme de Higgs peuvent être trouvées dans le livre de L. B. Okun « Physique des particules"(au niveau des mots et des images) et" Leptons et quarks"(à un niveau sérieux mais accessible).
• S.Dawson. Introduction à la rupture de symétrie électrofaible // hep-ph/9901280 - Conférences de 83 pages sur le mécanisme de Higgs et les propriétés du boson de Higgs dans le modèle standard et dans les théories supersymétriques.
• C. Quigg. Rupture spontanée de symétrie comme base de la masse des particules // représentant Programme. Phys. 70 1019-1053 (2007) ; l'article est disponible gratuitement.

Nous, l'équipe Quantuz, (essayant de rejoindre la communauté GT) vous proposons notre traduction de la section du site particulesadventure.org dédiée au boson de Higgs. DANS ce texte nous avons exclu les images non informatives ( version complète voir original). Le matériel intéressera toutes les personnes intéressées dernières réalisations physique appliquée.

Le rôle du boson de Higgs

Théorie de 1964

Indépendamment, d'autres physiciens ont développé une théorie des particules fondamentales, finalement appelée modèle standard, qui a fourni une précision phénoménale (la précision expérimentale de certaines parties du modèle standard atteint 1 sur 10 milliards. Cela équivaut à prédire la distance entre New York et San Francisco. Francisco avec une précision d'environ 0,4 mm). Ces efforts se sont révélés étroitement liés. Le modèle standard avait besoin d'un mécanisme permettant aux particules d'acquérir de la masse. La théorie des champs a été développée par Peter Higgs, Robert Brout, François Englert, Gerald Guralnick, Carl Hagen et Thomas Kibble.

boson

Quelle est la masse du boson ?

Rappelons que selon E=mc 2, plus la masse de la particule est grande, plus il faut d'énergie pour la créer.

Lorsque le LHC a commencé à collecter des données en 2010, des expériences réalisées avec d'autres accélérateurs ont montré que la masse du boson de Higgs devrait être supérieure à 115 GeV/c2. Au cours des expériences au LHC, il était prévu de rechercher des preuves de la présence d'un boson dans la gamme de masse comprise entre 115 et 600 GeV/c2, voire supérieure à 1 000 GeV/c2.

Chaque année, il était possible expérimentalement d'exclure les bosons avec en masses plus importantes. En 1990, on savait que la masse requise devait être supérieure à 25 GeV/c2, et en 2003, il s'est avéré qu'elle était supérieure à 115 GeV/c2.

Les collisions au Large Hadron Collider pourraient produire beaucoup de choses intéressantes

« ...les restes de [l'explosion] dans cette partie du cosmos n'ont pas été vus depuis le refroidissement de l'Univers il y a 14 milliards d'années - la source de la vie est éphémère, encore et encore dans toutes ses formes. options possibles, comme si l'Univers participait à propre version film "Le jour de la marmotte"»

L’un de ces « restes » pourrait être le boson de Higgs. Sa masse doit être très importante et elle doit se désintégrer en moins d’une nanoseconde.

Annonce

À dix mille milles d'ici, de l'autre côté de la planète, sur un site prestigieux conférence internationale en physique des particules à Melbourne des centaines de scientifiques du monde entier globe réunis pour écouter le séminaire diffusé depuis Genève.

Mais d’abord, jetons un coup d’œil au contexte.

Feux d'artifice le 4 juillet

Effectivement, lorsque les résultats ont été présentés, les deux collaborations qui ont réalisé les expériences ont rapporté avoir trouvé des preuves de l'existence d'une particule « de type boson de Higgs » d'une masse d'environ 125 GeV. Il s’agissait bien d’une particule, et si ce n’est pas le boson de Higgs, alors c’est une imitation de très haute qualité.

Les preuves n'étaient pas concluantes ; les scientifiques ont obtenu des résultats de cinq sigma, ce qui signifie qu'il y avait moins d'une chance sur un million que les données soient simplement une erreur statistique.

Le boson de Higgs se désintègre en d'autres particules

Chaque mode de désintégration du boson de Higgs est appelé « canal de désintégration » ou « mode de désintégration ». Bien que le mode bb soit courant, de nombreux autres processus produisent des particules similaires. Ainsi, si vous observez une désintégration bb, il est très difficile de dire si les particules sont dues au boson de Higgs ou à autre chose. Nous disons que le mode de désintégration du bb a un « large arrière-plan ».

Les meilleurs canaux de désintégration pour rechercher le boson de Higgs sont les canaux de deux photons et de deux bosons Z.*

*(Techniquement, pour une masse de boson de Higgs de 125 GeV, la désintégration en deux bosons Z n'est pas possible, puisque le boson Z a une masse de 91 GeV, ce qui donne à la paire une masse de 182 GeV, supérieure à 125 GeV. Cependant, ce que nous observons est une désintégration en un boson Z et un boson Z virtuel (Z*), dont la masse est beaucoup plus petite.)

Désintégration du boson de Higgs en Z + Z

Le mode de désintégration Z + Z était assez simple pour les expériences ATLAS et CMS, les deux bosons Z se désintégrant dans l'un des deux modes (Z → e+ e- ou Z → µ+ µ-). La figure montre quatre modes de désintégration observés du boson de Higgs :

Le résultat final est que parfois l'observateur verra (en plus de certaines particules non liées) quatre muons, ou quatre électrons, ou deux muons et deux électrons.

À quoi ressemblerait le boson de Higgs dans le détecteur ATLAS

Exemple d'événement avec une possible désintégration du boson de Higgs sous la forme d'une belle animation de la collision de deux protons dans le Large Hadron Collider, vous pouvez la voir sur le site source à ce lien.

Dans ce cas, un boson de Higgs peut être produit, puis se désintégrer immédiatement en deux bosons Z, qui à leur tour se désintègrent immédiatement (laissant deux muons et deux électrons).

Mécanisme qui donne de la masse aux particules

Imaginez un espace rempli du champ de Higgs, comme un groupe de physiciens communiquant calmement entre eux autour de cocktails...
À un moment donné, Peter Higgs entre et crée de l'enthousiasme en traversant la pièce, attirant un groupe de fans à chaque pas...

Avant d'entrer dans la pièce, le professeur Higgs pouvait se déplacer librement. Mais après être entré dans la pièce plein de physiciens sa vitesse a diminué. Un groupe de fans ralentit son mouvement à travers la pièce ; en d'autres termes, il a pris de la masse. Ceci est analogue à une particule sans masse acquérant de la masse lors de son interaction avec le champ de Higgs.

Mais tout ce qu'il voulait, c'était aller au bar !

(L'idée de l'analogie appartient au professeur David J. Miller de l'University College London, qui a remporté le prix pour une explication accessible du boson de Higgs - © CERN)

Comment le boson de Higgs obtient-il sa propre masse ?

Trouver la masse du boson de Higgs

Si vous décidez de monter un vélo et souhaitez connaître sa masse, vous devez additionner les masses des pièces du vélo : deux roues, cadre, guidon, selle, etc.

Mais si vous souhaitez calculer la masse du boson de Higgs à partir des particules dans lesquelles il s'est désintégré, vous ne pouvez pas simplement additionner les masses. Pourquoi pas?

L'addition des masses des particules de désintégration du boson de Higgs ne fonctionne pas, car ces particules ont une énergie cinétique énorme par rapport à l'énergie au repos (rappelez-vous que pour une particule au repos E = mc 2). Cela est dû au fait que la masse du boson de Higgs est bien supérieure aux masses des produits finaux de sa désintégration, de sorte que l'énergie restante va quelque part, à savoir dans l'énergie cinétique des particules qui apparaissent après la désintégration. La relativité nous dit d'utiliser l'équation ci-dessous pour calculer la « masse invariante » d'un ensemble de particules après désintégration, ce qui nous donnera la masse du « parent », le boson de Higgs :

E 2 =p 2 c 2 +m 2 c 4

Trouver la masse du boson de Higgs à partir de ses produits de désintégration

Quand on parle de désintégration comme H → Z + Z* → e+ + e- + µ+ + µ-, puis quatre combinaisons possibles, illustré ci-dessus, peut résulter à la fois de la désintégration du boson de Higgs et de processus de fond. Nous devons donc examiner l'histogramme de la masse totale des quatre particules dans ces combinaisons.

L'histogramme de masse implique que nous observons une somme énormeévénements et notez le nombre de ces événements lorsque la masse invariante finale est obtenue. Cela ressemble à un histogramme car les valeurs de masse invariantes sont divisées en colonnes. La hauteur de chaque colonne indique le nombre d'événements dans lesquels la masse invariante se situe dans la plage correspondante.

On pourrait imaginer que ce sont les résultats de la désintégration du boson de Higgs, mais ce n’est pas le cas.

Données sur le boson de Higgs en arrière-plan

La zone bleue (voir animation) représente la prédiction du « signal », dans laquelle le nombre d'événements à quatre leptons suggère le résultat de la désintégration du boson de Higgs. Le signal est placé en haut de l'arrière-plan car pour obtenir le nombre total d'événements prévu, il vous suffit d'additionner toutes les issues possibles des événements qui pourraient se produire.

Les points noirs indiquent le nombre d'événements observés, tandis que les lignes noires passant par les points représentent incertitude statistique dans ces chiffres. L'augmentation des données (voir diapositive suivante) à 125 GeV est le signe d'une nouvelle particule de 125 GeV (boson de Higgs).

Une animation de l'évolution des données sur le boson de Higgs au fur et à mesure de leur accumulation se trouve sur le site Web original.

Le signal du boson de Higgs s'élève lentement au-dessus du fond.

Données du boson de Higgs se désintégrant en deux photons

Il s'agit d'un histogramme de la masse invariante de la désintégration du boson de Higgs en deux photons. Comme vous pouvez le constater, le fond est très large par rapport au graphique précédent. Cela se produit parce qu'il y en a beaucoup plus de processus produisant deux photons que les processus avec quatre leptons.

La ligne rouge pointillée montre l'arrière-plan et la ligne rouge épaisse montre la somme de l'arrière-plan et du signal. Nous constatons que les données sont en bon accord avec une nouvelle particule autour de 125 GeV.

Inconvénients des premières données

Le « rapport de branchement » est simplement la probabilité qu'une particule se désintègre cette chaîne pourriture. Ces proportions sont prédites par le modèle standard et mesurées en observant à plusieurs reprises les désintégrations des mêmes particules.

Graphique suivant montre meilleures mesures proportions de branchement que nous pouvons faire à partir de 2013. Puisqu’il s’agit des proportions prédites par le modèle standard, l’espérance est de 1,0. Les points sont les mesures actuelles. Évidemment, les barres d’erreur (lignes rouges) sont pour la plupart encore trop grandes pour tirer des conclusions sérieuses. Ces segments sont raccourcis à mesure que de nouvelles données sont reçues et les points peuvent éventuellement bouger.

Comment savoir qu'une personne observe un événement candidat pour le boson de Higgs ? Il existe des paramètres uniques qui distinguent de tels événements.

La particule est-elle un boson de Higgs ?

En d’autres termes, le 4 juillet, la particule ressemblait à un canard, mais nous devions nous assurer qu’elle nageait comme un canard et cancanait comme un canard.

Tous les résultats des expériences ATLAS et CMS du Grand collisionneur de hadrons (ainsi que du collisionneur Tevatron du Laboratoire Fermi) après le 4 juillet 2012 ont montré un accord remarquable avec les proportions de branchement attendues pour les cinq modes de désintégration évoqués ci-dessus, et un accord avec le spin attendu. (égal à zéro) et parité (égale à +1), qui sont les nombres quantiques fondamentaux.

Ces options ont important pour déterminer si la nouvelle particule est bien le boson de Higgs ou une autre particule inattendue. Ainsi, toutes les preuves disponibles pointent vers le boson de Higgs du modèle standard.

Certains physiciens considéraient cela comme une déception ! Si la nouvelle particule est le boson de Higgs du modèle standard, alors le modèle standard est essentiellement complet. Il ne reste plus qu'à mesurer avec une précision croissante ce qui a déjà été découvert.

Mais si la nouvelle particule s’avère être quelque chose qui n’est pas prédit par le modèle standard, elle ouvrira la porte à de nombreuses nouvelles théories et idées à tester. Les résultats inattendus nécessitent toujours de nouvelles explications et aident à pousser physique théorique avant.

D’où vient la masse dans l’Univers ?

Les protons et les neutrons sont constitués de trois quarks qui gagnent leur masse en interagissant avec le champ de Higgs.

MAIS... les masses des quarks contribuent à hauteur d'environ 10 MeV, soit environ 1 % de la masse du proton et du neutron. Alors d’où vient la masse restante ?

Il s'avère que la masse du proton apparaît en raison de énergie cinétique ses quarks constitutifs. Comme vous le savez bien sûr, la masse et l’énergie sont liées par l’égalité E=mc 2.

Ainsi, seule une petite fraction de la masse de matière ordinaire de l’Univers appartient au mécanisme de Higgs. Cependant, comme nous le verrons dans la section suivante, l’Univers serait totalement inhabitable sans la masse de Higgs, et il n’y aurait personne pour découvrir le mécanisme de Higgs !

S'il n'y avait pas de champ de Higgs ?

Ce n'est pas si évident.

Rien ne pourrait certainement lier les électrons des atomes. Ils s'envoleraient à la vitesse de la lumière.

Mais les quarks sont connectés forte interaction et ne peut pas exister sous forme libre. Quelques états associés les quarks auraient pu être préservés, mais les protons et les neutrons ne sont pas clairs.

Tout cela serait probablement une matière de type nucléaire. Et peut-être que tout cela s’est effondré à cause de la gravité.

Un fait dont nous sommes certains : l’Univers serait froid, sombre et sans vie.
Le boson de Higgs nous sauve donc d’un univers froid, sombre et sans vie où il n’y a personne pour découvrir le boson de Higgs.

Le boson de Higgs est-il un boson du modèle standard ?

1. Bien que le boson de Higgs provienne du modèle standard, il existe de petites divergences indiquant l'existence nouvelle physique(maintenant inconnu).
2. Il existe plusieurs bosons de Higgs, avec des masses différentes. Cela suggère également qu’il y aura de nouvelles théories à explorer.

Seuls le temps et de nouvelles données révéleront soit la pureté du modèle standard et de son boson, soit de nouvelles théories physiques passionnantes.