Ето как Хигс бозонът помага да се разкрият тайните на Вселената?

През 2012 г. учените съобщиха за едно от най-значимите събития в квантовата физика. Това е откриването на Хигс бозона – фундаментална частица, която е носител на силите на полето на Хигс и е отговорна за придаването на маса на другите частици. Съществуването на полето на Хигс е предположено за пръв път от физика Питър Хигс в средата на 60-те години (и полето, и частицата са наречени в негова чест).

Но 2024 г., уви, е последната в живота на този изключителен учен. На 8-ми април Питър Хигс умира в дома си в Единбург на 94-годишна възраст. Безпрецедентното му наследство обаче продължава да оказва огромно влияние върху бъдещето на физиката на елементарните частици, както никое друго откритие преди него. Нещо повече, ако сегашните измервания на Хигс бозона са верни, то Вселената е нестабилна в сегашното си състояние. Това на свой ред означава, че ще трябва да преосмислим всичките си досегашни знания както за космоса, така и за физиката на елементарните частици. Новото откритие, което ще обсъдим в тази статия, само налива масло в огъня.

Откриването на Хигс бозона чрез съвместните усилия на ATLAS и CMS изигра решаваща роля за разгадаването на тайните на Хигс полето и неговия потенциал. Много учени считат, че „Новата физика“ е съвсем близо.

Наследството на Хигс

Английският физик Питър Уейд Хигс е роден през 1929 г. По онова време разбирането за материята и Вселената е съвсем различно, а водещият модел на материята гласи, че съществуват само три фундаментални неделими частици. Това са протоните (намиращи се в атомните ядра), електроните (обкръжаващи протоните) и фотоните (частици светлина, отговорни за електромагнитното взаимодействие).

През живота на Хигс се извършва невероятна революция, чиято кулминация е създаването на Стандартния модел на физиката на елементарните частици. Това е най-успешната система в историята за разбиране на структурата на Вселената. Пътят на Хигс към едно от най-великите открития в историята на науката обаче е бил труден. Повече от половината от живота си физикът чака потвърждение на теоретичните си прогнози.

Идеята за съществуването на частица, способна да придаде маса на всички останали частици, Хигс обявява през 1964 г. Но съществуването ѝ е окончателно потвърдено едва през 2013 г. с помощта на Големия адронен колайдер. През същата година британският учен е удостоен с Нобелова награда за физика, а частицата, наречена в негова чест, става световноизвестна.

Европейската организация за изследване на елементарните частици ЦЕРН обяви с голяма пищност откриването на Хигс бозона. Самият Хигс обаче изглеждаше смутен от това и винаги подчертаваше, че много други учени са допринесли за теорията и са изказвали подобни идеи“, се казва в неговия некролог.

Първата статия на Хигс е публикувана през 1964 г. в списанието Physical Review Letters, в която се говори за нов вид масивни бозони (един от видовете субатомни частици). По това време и други теоретици работят в същата посока, но известната сега като „божествена частица“ по това време съществува само на теория.

Уникалните свойства на „Божествената частица“

И така, както знаем днес, Вселената се основава на уникалните свойства на Хигс бозона. Подобно на твърдото, течното и газообразното състояние на материята, полето на Хигс съответства на фазата на Вселената, която може да се определи чрез измерване на взаимодействието на Хигс бозона с другите частици.

През десетилетието след откриването на Хигс бозона много от тези взаимодействия бяха открити в Големия адронен колайдер. (LHC- Large Hadron Collider). Изглежда, че стабилността на Вселената – нейната способност да се запази в сегашното си състояние повече или по-малко завинаги – зависи от масата и взаимодействията на Хигс бозона.

Ако сегашните измервания на тази частица са верни, Вселената е просто нестабилна. А това означава, че в някакъв момент тя може да премине в друга форма. Отговорите, които учените търсят днес, може да докажат, че Стандартният модел е погрешен.

Физиците искат също така да разберат дали полето на Хигс наистина обяснява всички маси на елементарните частици, както е предвидено в Стандартния модел. Що се отнася до редкия разпад на Хигс бозоните, изследователите все още не са успели да разберат в какви други частици се разпадат те. Това тепърва предстои да се разбере.

За да разберат най-накрая сложните заплитания на субатомните частици, учени от Европа, САЩ и Китай работят по изграждането на нови колайдери на частици, фокусирани върху изучаването на Хигс бозона. Наследството на изтъкнатия учен ще бъде една нова програма за експериментална физика на елементарните частици през XXI век.

Трябва да се отбележи, че Хигс е физик от друга епоха. Днес е почти невъзможно да си представим, че човек с неговия опит би могъл да се задържи в академичните среди. Той е публикувал само няколко статии, почти всички от които е написал сам. Това е така, защото днешната академична среда е изградена на базата на жестока конкуренция и учените са принудени да публикуват колкото се може по-често.

Трудно е да си представя, че в сегашната среда имам достатъчно спокойствие и тишина, за да правя това, което правех през 1964 г… Днес не бих получил академична работа… Не мисля, че биха ме сметнали за достатъчно продуктивен“,

казва Хигс в интервю през 2013 г.

Симетрията и новите експерименти

Тъй като научните открития (и още повече пробивите) отнемат време, е малко преждевременно да се говори за пълно преразглеждане на разбирането ни за структурата на Вселената и Космоса. Но все пак има причина да преразгледаме Стандартния модел. Хигс бозонът е само един от резултатите от „спонтанното нарушаване на симетрията“ на Хигсовото поле. А това означава, че може да съществуват и други подобни бозони.

Тези допълнителни субчастици биха могли да взаимодействат помежду си и с Хигс бозона. Ако тяхното съществуване бъде потвърдено експериментално, учените може би ще успеят да обяснят дисбаланса между материята и антиматерията във Вселената.

Неотдавна учени от колаборацията ATLAS публикуваха резултатите от търсенето на два нови Хигс бозона. Те бяха наречени X и S и биха могли да взаимодействат с Хигс бозона (H) от стандартния модел. Предполага се, че бозонът S се разпада на b-кварки, докато бозонът H се разпада на фотони.

„По този начин непроменените маси на тези продукти на разпадане могат да се използват за възстановяване на масите на съответните бозони“,

пишат авторите на научния труд.

Тъй като физиците не знаят масите на хипотетичните други Хигс бозони, те прибягват до помощта на параметризирана невронна мрежа (PNN). Този метод им дава възможност не само да изследват диапазона на масите на Х и S с висока степен на детайлност, но и да получат ясна представа за масите на новите бозони, ако те бъдат открити.

Несъмнено всичко това е изключително сложно. Но ако погледнем в бъдещето можем да кажем, че моделите, изследвани в новия анализ, си остават обещаващи възможности за разкриване на нови физични явления отвъд Стандартния модел. Данните, събрани по време на третото стартиране на Големия адронен колайдер (LHC), и бъдещата работа на този гигантски ускорител ще хвърлят още повече светлина както върху бозоните на Хигс, така и върху тайните на Вселената.