бозон Хиггса

Чёрная дыра — область пространства-времени с настолько сильной гравитацией, что даже свет не может её покинуть — похожа на волчок, который в вакууме вращался бы вечно. Но если вокруг неё сформируется облако из сверхлёгких бозонов — гипотетических частиц с целым спином, — картина меняется.

У любого пульсирующего объекта есть момент, когда ритм сбивается. Для бозонных звёзд — гипотетических сгустков сверхлёгких частиц — таким моментом оказывается точка, где масса перестаёт расти. Авторы работы рассчитали низшую радиальную моду (основной тон «дыхания») для целого семейства таких звёзд, включая модели с само-взаимодействием — свойством частиц влиять друг на друга.

В протонных столкновениях на Большом адронном коллайдере иногда рождается не один бозон Хиггса, а сразу два. Частота таких событий — прямой отпечаток того, как поле Хиггса взаимодействует само с собой: параметр самодействия κλ определяет вероятность одновременного появления пары хиггсовских бозонов.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила стадию стремительного расширения — инфляцию. Даже физический вакуум тогда не был спокоен: квантовые флуктуации раскачивали фундаментальные поля, словно ветер колосья в поле.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила стремительное расширение — инфляцию. Движущей силой этого процесса было гипотетическое поле инфлатона, чья энергия расталкивала пространство подобно тому, как дрожжи заставляют подниматься тесто.

Океан под Луной послушно поднимается приливным горбом — классическая картина гравитационного взаимодействия. Но существуют объекты, где всё происходит с точностью до наоборот: прилив не вытягивает вещество, а продавливает впадину. Речь о бозонных звёздах — гипотетических невидимых сгустках, состоящих из бозонов, частиц, способных накапливаться в одном квантовом состоянии.

В центре почти каждой галактики прячется сверхмассивная чёрная дыра. Её гравитация настолько сильна, что меняет само пространство. Но мало кто задумывается: а что она делает с самой тканью реальности — с полями, которые пронизывают космос? Одно из таких полей — поле Хиггса.

Туго натянутая струна продолжает вибрировать после щипка. В физике элементарных частиц есть похожий объект — осциллон. Это сгусток энергии, который пульсирует, словно сердце, не расплываясь в пространстве. Возникают такие структуры в поле Хиггса — том самом поле, которое отвечает за массу частиц. Но обычно осциллоны живут недолго: они быстро теряют энергию и исчезают.

Бозон Хиггса похож на камертон, который звучит на строго определённой ноте. Но физики научились слышать его и тогда, когда нота сбита — в области, которую называют «вне резонанса». Именно там, в данных с детектора CMS, прятались ответы на вопросы о том, из чего на самом деле сделан хиггсовский механизм.

Когда частица несёт в себе большую внутреннюю энергию — как массивный волчок, — её движение можно разделить на быструю и медленную части. Быстрая часть — это дрожание, которое почти не влияет на главное. Физики разработали метод, позволяющий отбросить это дрожание и оставить только медленное, значимое движение. Словно сняли пенку с кипящего супа, чтобы увидеть чистый бульон.

Бозонные звёзды — это гравитационные атомы. Только вместо электрического заряда ядром служит сама гравитация, удерживающая облако скалярного поля в квантованных сгустках. Ещё в 1930-х Ф. Цвикки заподозрил нехватку видимой массы в скоплениях галактик, а В.

Представьте: сверхтекучий гелий-3 в тонкой плёнке получает резкий тепловой удар. В этот миг в нём просыпается целый оркестр коллективных колебаний — словно удар в невидимый барабан рождает многозвучный аккорд. Механизм Киббла–Зурека, знакомый по растрескиванию льда при быстрой заморозке, здесь обретает квантовое изящество.

В конце 1990-х звёздное небо преподнесло сюрприз: Сол Перлмуттер и Адам Рисс обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. С тех пор главной загадкой остаётся тёмная энергия — субстанция, составляющая почти 70% космоса, но ускользающая от лабораторного изучения.

При экстремально низкой интенсивности света фотоны прибывают на детектор поодиночке — словно капли из неплотно закрытого крана, никогда не образуя пар.

Гравитационные волны — рябь пространства-времени, порождённая далёкими катастрофами вроде слияния чёрных дыр, — настолько слабы, что зарегистрировать их напрямую всё равно что различить шёпот посреди урагана. Однако чёрная дыра способна многократно усилить этот сигнал.

В глубине детектора Большого адронного коллайдера сталкиваются протоны, и на короткий миг рождается нечто тяжёлое. Оно мгновенно рассыпается на два бозона Хиггса — частицы, которые, как матрёшки, скрывают в себе ещё по две пары b-кварков.

Вода в кастрюле закипает, и пузырьки пара появляются не где попало — они охотнее всего цепляются за царапины или пылинки на дне. В физике элементарных частиц работает похожий механизм: когда Вселенная остывает и переходит из одного состояния в другое, новая фаза часто рождается не в случайных точках, а на «дефектах» — неоднородностях, оставшихся от прежнего порядка.

Крошечные невидимые пули прошивают Солнце насквозь, почти не замечая его вещества. Это аксионы — гипотетические частицы, настолько лёгкие и неуловимые, что их сравнивают с призраками.

Оркестр без дирижёра. Каждый музыкант слышит не только соседа, но и отзвуки со всей сцены. Примерно так устроена идея нелокального поля Хиггса: частица «чувствует» происходящее не в одной точке, а сразу в целой области пространства. В привычной картине масса возникает, когда частицы проходят сквозь вездесущее поле Хиггса — словно ложка в мёде.

Два ослепительно ярких луча сталкиваются лоб в лоб. В месте их встречи на мгновение рождается частица — та самая, что отвечает за массу всего на свете. Это бозон Хиггса. Обычно его получают, разгоняя протоны или электроны, но здесь в качестве снарядов выступают сами частицы света — фотоны.

В 1920-х Эдвин Хаббл заметил, что галактики разбегаются, — так было открыто расширение Вселенной.

Тёмная материя — великий невидимка космоса. Она не излучает, не поглощает, не отражает свет, но её гравитационная хватка чувствуется в каждом движении галактик. Семьдесят лет назад Вера Рубин показала, что окраины галактик вращаются слишком быстро — словно их подхлёстывает незримый пастух.

Космос полон мимикрии. Бабочка-стеклянница носит маску осы, безобидная муха жужжит как пчела. А в мире гравитации роль притворщика, возможно, играет бозонные звёзды — исполинские сгустки скалярного поля, до неразличимости похожие на чёрные дыры.

Бросьте камень в пруд — круги расходятся, меняя масштаб волны. Примерно так же работает новая теория: она наделяет каждую частицу своим «масштабным кругом», и именно это искривление невидимого пространства оказывается источником массы.

На Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются миллиарды раз в секунду, и лишь однажды на триллион столкновений рождается пара бозонов Хиггса (частиц, отвечающих за массу всего сущего). В эксперименте CMS физики выслеживали именно такие события.

Бозон Хиггса — как дирижёр, задающий массу всем остальным частицам. Без него электроны были бы безмассовыми, а атомы развалились бы. Но как именно дирижёр взаимодействует сам с собой? Это главный вопрос, на который должен ответить будущий мюонный коллайдер. В статье рассмотрена установка MUSIC, спроектированная для столкновений мюонов при энергии 10 ТэВ.

На Большом адронном коллайдере сталкиваются протоны, и из вспышки рождаются десятки частиц. Среди них могут быть следы редких процессов — например, распад бозона Хиггса на два W-бозона. Но эти частицы разлетаются так быстро, что их следы сливаются в одну широкую струю. Выделить такую струю среди тысяч похожих — всё равно что найти нужную ветку в шумящем лесу.

Представьте оркестр, где каждый музыкант играет одну и ту же ноту, — звук сливается в мощный унисон. Так рождается конденсат Бозе — Эйнштейна: множество частиц-бозонов при крайне низкой температуре переходят в единое квантовое состояние и ведут себя как одно…

Две частицы, разлетевшиеся в противоположные стороны, ведут себя как единое целое: измерение одной мгновенно определяет состояние другой. Такая квантовая запутанность давно известна для лёгких частиц, но теперь её впервые увидели у тяжёлых Z-бозонов — переносчиков слабого взаимодействия.

На Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются почти со скоростью света. Иногда они не разбиваются, а обмениваются фотонами — частицами света. Эти фотоны могут породить пару: одну частицу, которую детектор видит, и другую, которая улетает незамеченной.

В детекторе ATLAS на Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются с огромной энергией, и среди обломков иногда рождается бозон Хиггса — частица, которая даёт массу другим частицам.

Бозон Хиггса живёт невообразимо мало — меньше миллиардной доли секунды. Поймать его напрямую нельзя, поэтому физики смотрят на то, что остаётся после его распада: струи частиц, мюоны, нейтрино. Но часть информации теряется, если учитывать только явные следы распада, а не всё событие целиком.

На Большом адронном коллайдере физики разгоняют протоны почти до скорости света и сталкивают их. Обычно в таких столкновениях участвуют сами протоны, но иногда они пролетают рядом, не задевая друг друга, а взаимодействуют их электрические поля. Эти поля можно представить как облака из фотонов — частиц света, которые окружают каждый протон.

Первичные чёрные дыры — объекты размером с атом, но с массой, превышающей массу астероида, — могли родиться в первые мгновения после Большого взрыва. Сегодня их рассматривают как главных кандидатов на роль тёмного вещества — той невидимой субстанции, чьё гравитационное влияние удерживает галактики от разлёта.

Пустота обманчива. Уильям Унру показал, что для ускоряющегося наблюдателя вакуум перестаёт быть холодным — он ощущается как тепловая ванна.

Сразу после Большого взрыва Вселенная напоминала бурлящую газировку: всё пространство было заполнено пузырями. Это области нового, стабильного вакуума, подчиняющегося Стандартной модели, вытесняли прежнее нестабильное состояние — физики называют такой процесс фазовым переходом, подобным закипанию воды.

Исследователи описали новый тип невидимой звезды, ведущей себя как дышащая гравитационная линза. Такая звезда состоит из сверхлёгких скалярных бозонов — гипотетических частиц, которые пока не обнаружены экспериментально.