Как Хигс бозонът може да разкрие съдбата на нашата Вселена

Ваня Милева Последна промяна на 08 ноември 2022 в 00:01 9277 0

Хигс бозонът е открит в Големия адронен колайдер. Кредит: Daniel Dominguez/CERN

Открити седем астрофизични частици тау неутрино

15/04/2024

Първата естествена фрактална молекула - неочаквано геометрично творение на еволюцията

Преди малко повече от десет години за първи път бе открит Хигс бозонът.

Физикът Тойоко Оримото пише в статия за New Scientist, че частицата може да ни доведе до още открития, като например дали съществуват други пространствени измерения и каква е евентуалната съдба на Вселената.

"Преди десет години, на 4 юли 2012 г., бях едновременно възхитен и изумен от откритието, което беше обявено на света. Колаборациите CMS и ATLAS в Големия адронен колайдер на ЦЕРН вече са категорични - Хигс бозонът е истински", разказва Тойоко Оримото (Toyoko Orimoto), експериментален физик на елементарните частици от Североизточния университет в Бостън, Масачузетс.

Тойоко Оримото е част от екипа на CMS (Compact Muon Solenoid - Компактен мюонен соленоид), така че знае, че съобщението предстои, но да публичните изявления, които го потвърждават, е вълнуващо за него.

Питър Хигс изказва хипотезата си 50 години по-рано, според която частицата може да е последното липсващо парче от Стандартния модел на физиката на елементарните частици.

След десетилетия на издирване се потвърждава нейното съществуване и това, че съществува ново силово поле - полето на Хигс, което прониква в цялото пространство.

Чрез взаимодействието на Хигс бозона с това поле на Хигс елементарните частици придобиват наблюдаваните си маси. Колкото по-силно е взаимодействието им с полето, толкова по-големи са масите им.

Как частиците придобиват маса в полето на Хигс

Eдна опростена аналогия:
Представете си, че цялата Вселена е пълна до горе с пластична глина, през която си проправят път безмасовите частици – по по-бързите изпитват по-малко съпротивление, по-бавните – стават по-масивни, а тези, които се движат със скоростта на светлината минават, без да бъдат повлияни.

"Във връзка с тазгодишната десетгодишнина се замислих за това къде ще ни отведе Хигс бозонът занапред. Въпреки че пъзелът на Стандартния модел вече е завършен, ние, физиците, вярваме, че той е непълно описание на Вселената, част от по-голям космически пъзел", споделя Тойоко Оримото.

Стандартният модел описва как обектите и частиците взаимодействат с електромагнитните, слабите ядрени и силните ядрени сили, но все още в тази картина не е включена успешно гравитацията. Стандартният модел не включва и тъмната материя, която съставлява 85% от материята във Вселената, нито за тъмната енергия, която според съществуващите възгледи допринася за ускореното разширяване на Вселената.

Хигс бозонът може да се окаже най-добрият инструмент за разрешаване на някои от тези загадки, смята Тойоко Оримото. Благодарение на високоенергийните експерименти в ЦЕРН той може да се превърне в компас в тази неизследвана територия на новата физика. При условие, че нещата започнат да се променят.

Два Хигс бозона е по-добре от един

Експериментите ATLAS и CMS преглеждат огромни количества високоенергийни данни за Хигс бозона, но досега не са разкрили нищо неочаквано. Измерени са много аспекти на Хигс бозона, като например неговата маса, спин и връзки с други частици, които съответстват на предсказанията на Стандартния модел.

Има обаче един важен аспект на Хигс бозона, за който все още има много да се изучава: взаимодействието между Хигс бозоните. Стандартният модел предвижда, че елементарните частици получават масите си от взаимодействието си с полето на Хигс, а Хигс бозонът не е по-различен. Той взаимодейства с полето на Хигс, за да придобие наблюдаваната си маса от 125 GeV/c².

Параметрите, които описват взаимодействието на Хигс бозона също друг Хигс бозон, са предсказани от Стандартния модел и всяко отклонение от очакванията би подсказало за нова физика. Един от начините, по които се изследва самовзаимодействието на Хигс бозона, е чрез процес, наречен двойно производство на Хигс или производство на Хигс двойки, при който в един и същи процес се произвеждат два Хигс бозона.

Стандартния модел прогнозира, че на всеки 10 000 сблъсъци на протони в Големия адронен колайдер, които произвеждат един бозон на Хигс, който приблизително на шест бозона ще даде двойка. Раждането на два Хигс едновременно трябва да създаде хаотични потоци други частици, което прави още по-трудно да откриването им. Големият адронен колайдер вероятно е произвел около 1000 събития на раждане на двойки Хигс бозони, но ATLAS и CMS все още не могат да се справят с пресяването на сигнала от фоновия шум.

Въпреки това експериментаторите са оптимисти, особено с подобряването на методите им за определяне на Хигс бозоните. През 2018 г. те обявяват, че са открили особено "замръсен" режим на разпад, в който Хигс бозона поражда двойка масивни частици, наречени дънни кварки (вж "Един неуловим разпад на Хигс бозона бе наблюдаван най-сетне"). И това се случва в 60% от всички разпадания. Това е добър знак за търсенето на двойни бозони.

За съжаление скоростта, с която Големият адронен колайдер може да произвежда двойки Хигс бозони според Стандартния модел, е много, много малка. Скоростта всъщност е толкова малка, че не изследователите не могат да произведат достатъчно двойки Хигс бозони в Големия адронен колайдер, за да получат достатъчно доказателства за откриването на двойно производство на Хигс бозони.

В друго измерение

Ако обаче Стандартният модел е погрешен, това може да се отрази и на скоростта, с която се създават тези двойки Хигс бозони. Един интригуващ нов сценарий отвъд Стандартния модел е този за допълнителни измерения на пространство-времето. Ако те съществуват, скоростта на производство на Хигс двойки може да се увеличи, което прави възможно измерването на процеса в Големия адронен колайдер.

"Ние не бихме осъзнали тези допълнителни измерения по същия начин, по който мравка, затворена в лист хартия, изпитва само две измерения (ляво-дясно, напред-назад). Тя не осъзнава, че нейното двуизмерно парче хартия съществува в по-високо, триизмерно пространство. Можем да открием, че приличаме на мравки, които се разхождат по триизмерна плоскост в по-високоизмерна вселена", обяснява Тойоко Оримото.

Тези допълнителни измерения биха могли да обяснят огромните разлики в силата на гравитацията и силите, които съставляват Стандартния модел (електромагнитни, слаби и силни взаимодействия). В теорията за изкривените допълнителни измерения има две "брани" - по-нискоизмерни светове, вградени в по-високоизмерно пространство. Първият е нашият триизмерен свят, в който съществуваме ние и частиците от Стандартния модел. Вторият е този, в който частиците, наречени гравитони, които предават гравитационната сила, са концентрирани, но не са ограничени. Гравитоните могат да проникват и в по-високоизмерното "обемно" пространство между две брани.

Слабостта на гравитацията може да идва от това, че тя е фактически разредена, докато прониква в допълнителните измерения. Изкривяването на по-високоизмерното пространство изостря изключително голямата разлика в енергийните мащаби.

Моделът на Рандал-Сундръм

_{Във физиката моделът на Рандал-Сундръм (наричан още 5-измерна теория на изкривената геометрия) описва света от гледна точка на вселена с по-високо измерение с изкривена геометрия или по-конкретно като 5-измерно анти-де Ситер пространство, където елементарните частици (с изключение на гравитона) са локализирани върху (3 + 1)-мерна брана или брани.}

_{Това е модел на извитите допълнителни измерения, теория, разработена от Lisa Randall (Лиса Рандал) и Raman Sundrum (Раман Сундръм). Идеята им, показана на изображението по-долу, е, че гравитацията е също толкова силна, колкото другите три сили (електромагнитно, слабо и силно взаимодействие), само че не в нашата триизмерна вселена. Гравитацията в пълната си сила е в друга триизмерна вселена, която има много малко изместване от нашата вселена в четвъртото измерение на пространството (или петото, ако отделим времето), от само 10 ³¹ метра.}

_{Следователно гравитацията е скрита в извито пространство и това, което „изтича“ в нашата собствена вселена, е просто лоша имитация. Извитото пространство може да е било създадено по време на първите мигове след Големия взрив и освободената енергия може да е подхранила последващия период на инфлация, така че тази теория на Рандал и Съндръм също дава обяснение. Теорията включва допълнителен пакет от частици, не суперсиметрични (SUSY) частици, а така наречените частици на Клайн-Калуца, частици, които са резултат от това извито пространство. Индикация за съществуването на такава частица, с маса от 600 GeV, беше открита много отдавна и Голеният адронен колайдер може да потвърди това.}

^{Теорията предполага, че ще има по-тежки версии на стандартните частици в други измерения, т. нар. частици на Калуца-Клайн, които имат по-голяма маса от тази на стандартните частици. Една от възможните форми на допълнителни измерения, усукани, "смачкани" до размери, милиарди пъти по-малки от размера на един атом, така че не може да ги видим. В рамките на всяка от тези форми вибрира и се движи струна - основният компонент на Вселената според теорията на Калуца-Клайн и теорията на струните. Илюстрация: Wikimedia Commons.}

Производството на повече двойки Хигс бозони в Големия адронен колайдер също би могло да осигури доказателства за наличието на частици гравитони. В теориите за допълнителни измерения масивните гравитони биха се разпаднали до двойки Хигс, които впоследствие биха се разпаднали до частици от Стандартния модел. Гравитонът би могъл да се разпадне на други видове частици от Стандартния модел, което ще ни даде допълнителни начини за изучаване на тази теоретична частица.

Освен че ни дава представа за допълнителните измерения, образуването на двойни Хигс двойки може да ни даде възможност да разберем евентуалната съдба на нашата Вселена. Първо, нека да направим крачка назад и да разберем "вакуума", който съставлява нашата Вселена.

В квантовата физика "вакуумът" е най-ниското енергийно състояние на дадена система, но не е непременно празен, както обикновено си представяме. Всъщност от гледна точка на квантовата физика състоянието на вакуума в нашата Вселена гъмжи от виртуални двойки частица-античастица, които се появяват и изчезват. Обикновено, освен ако няма физическа частица, намираща се в определена точка от пространството, полето, свързано с тази частица, има средна стойност, наречена вакуумна очаквана стойност, равна на нула. Това обаче не е вярно за полето на Хигс, което има ненулева вакуумна очаквана стойност. Това означава, че вакуумът е пълен с Хигс бозони.

Ненулевата вакуумна очаквана стойност на Хигс бозона се дължи на необичайната форма на потенциала на Хигс полето. Във физиката потенциалната функция определя еволюцията на дадена система. Например гравитационният потенциал около масивно тяло определя как други масивни обекти около него ще взаимодействат с него. Гравитационният потенциал около сферична маса ще има формата на купа, като минимумът е в центъра ѝ. Ако пуснете топче в този потенциал, то ще се търкулне към центъра. От друга страна, потенциалната функция на Хигс има необичайна форма, която прилича повече на дъното на бутилка вино - ако пуснете в нея топче, то ще се търкулне надолу по стените и ще падне в най-ниската точка в пръстен около центъра.

_{Квантово-механичното тунелиране се случва, когато една квантова система спонтанно се преминава от едно състояние в друго състояние с по-ниска енергия, при наличие на енергийна бариера, придружено с излъчване на излишъка от енергия. Основната концепция на енергийната бариера може да се покаже с помощта на следната аналогия. Представете си топка, която се търкаля в падина между два хълма. Дори при липса на триене, топката ще се търкаля само напред и назад в падината, но никога няма да премине от другата страна, защото няма достатъчно енергия, за да се изкачи на хълма, разделящ двете падини. Хълмът е енергийната бариера, която предотвратява преминаването от едната падина в другата. Топката е затворена в падината наляво, независимо, че дясната падина съответства на по-ниска енергия.}

В нашата Вселена топчето на Хигс е спряло на определено място, но тази точка може да не е стабилна. Наричаме това явление метастабилност и то има важни последици за евентуалната съдба на нашата Вселена. Това означава, че квантовите флуктуации могат да доведат до тунелиране на нашата Вселена в друго състояние, което да доведе до един неразпознаваем свят, подчиняващ се на напълно различни закони на физиката. По-прецизните измервания на Хигс бозона и други частици могат да ни помогнат да установим колко точно стабилна е нашата Вселена.

Физиците предполагат, че в космическия вакуум се крие полето на Хигс. Частиците взаимодействат с полето, за да произведат енергия и чрез известното уравнение на Алберт Айнщайн E = mc 2, масата.

Този механизъм на Хигс получи твърда подкрепа преди 6 години, когато експериментатори, работещи с двата най-големи детектора на частици ATLAS и CMS, разбиват частица 133 пъти по-тежка от протона. Частицата се разпада по начините, по които се предполага, че се разпада Хигс бозона - например на двойка фотони. Но физиците не са сигурни дали са наблюдавали Хигс бозона от Стандартния модел или нещо съвсем различно.

Събитията на двойно раждане на Хигс бозони обещават начин да кажат със сигурност колко силно взаимодейства полето на Хигс със себе си. Електрическото поле изчезва, ако няма заряд, но полето на Хигс винаги се запазва във вакуума, иначе не би могло да даде маса на другите частици.

Стандартният модел предполага, че това се случва с полето на Хигс, което взаимодейства със себе си и достига минимума на своята енергия не когато изчезва, а приемайки ненулева стойност.

_{Свикнали сме да наричаме минимума на потенциалната енергия “вакуум” . Но в случая на потенциал с отрицателно µ²<0, вакуумът не отговаря на нулевата стойност на полето, а за стойност v.}

Математически има много начини за създаване на такава схема и Стандартният модел използва най-простия, контролиран от един параметър. Този параметър прогнозира скоростта, с която трябва да се появят двойките Хигс при сблъсъка на частиците и дава на физиците начин да тестват Стандартния модел.

Нова ера на изследване на границата на най-високите енергии

Вместо да затвори една глава във физиката на елементарните частици, откриването на Хигс бозона отвори нова, поставяйки началото на нова ера на изследване на границата на най-високите енергии.

През юли тази година започва третата фаза на Големия адронен колайдер, в която се провеждат протон-протонни сблъсъци с по-високо енергийно ниво от всякога.

"Данните, които ще се съберем от този цикъл, ще ни позволят да продължим да изследваме тези вълнуващи възможности, както и много други потенциални нови физични сценарии", споделя Тойоко Оримото.

След няколко години Големият адронен колайдер ще бъде модернизиран така, че ще сблъсква протони с много по-висока скорост, осигурявайки още повече данни за по-кратко време.

"Това ще ни позволи най-накрая да измерим производството на двойки Хигс и самосвързването на Хигс и се надяваме да разберем по-добре съдбата на нашата Вселена", заключава Оримото.

Източник:

How the Higgs boson could reveal the fate of our universe, New Scientist

Physicists' search for rare Higgs boson pairs could yield new physics, Science magazine

Още по темата

05/08/2022
Физика

Елементарните частици озадачават физиците с нова двойственост

06/07/2022
Физика

Големият адронен колайдер откри 3 нови екзотични частици, невиждани досега

06/07/2022
Физика

Физици от ЦЕРН публикуваха нови резултати за свойствата на Хигс бозона

27/06/2022
Физика

Грешка във физичните закони? Резултати от дълбок подземен експеримент потвърждават интересна аномалия