Применение бозона Хиггса. Работа №37073

Применение бозона Хиггса

Аманьязов Эмир, ученик 11 А класса МБОУ «СШ №30»

г. Норильска Красноярского края

Научный руководитель Игебаева Альфия Азаматовна,

Когда греческий физик Демокрит назвал простейшие нерасчленимые далее частицы атомами (слово «атом» в переводе означает «неделимый»), то ему, вероятно, все представлялось в принципе не очень сложным. Но в конце 19 века было открыто сложное строение атомов и был выделен электрон, как составная часть атома. Затем, были открыты протон и нейтрон - частицы, входящие в состав атомного ядра.

В последнее время очень часто мы слышим о бозоне Хиггса - описание этой чудесной частицы и её свойств можно найти на многих ресурсах. Но вот вопрос, зачем её искали и что же такого в ней есть важного для описания и понимания Вселенной, понять трудновато.

Данная работа описывает основные характеристики поля Хиггса. Для этого необходимо искать ответы на следующие вопросы:

Какие элементарные частицы существуют?

Почему на теорию с полем

Хиггса

такая надежда?

Главный вопрос: что можно сделать с полем

Хиггса

?

Что будет без поля

Хиггса

?

Актуальность данной работы в том, что в современном мире уделяется очень большое внимание элементарным частицам, и, данный аспект не совсем изучен. Исследовательская работа привела к следующим выводам: поле Хиггса есть фундаментальное явление возникновения массы. Без поля Хиггса каждая частица двигалась бы со скоростью света (не выше по ОТО), значит, что кварки и глюоны не сошлись бы в протоны и нейтроны, электроны, протоны и нейтроны не сошлись бы в атомы, а атомы в молекулы, молекулы в нас с вами. Именно поэтому поле Хиггса имеет такую важную роль в природе Вселенной.

Ссылки на сайты, используемые для исследовательской работы

1.https://youtu.be/7gr-oLApUkY 2.https://youtu.be/rFhrdwQ9-zQ 3. https://youtu.be/h97LAv5eu5g 4. https://youtu.be/5SFDj-tmHzI 5. https://ratenger.com

Содержание

Введение………………………………………………………………………………………..4

Основная часть…………………………………………………………………………………5

Заключение……………………………………………………………………………………..9

Ссылки на сайты, используемые для исследовательской работы............................………10

Приложения……………………………………………………………………………………11

Введение

Четвёртого июля 2012 года произошло событие, имеющее выдающееся значение для физики: на семинаре в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований) было объявлено об открытии новой частицы, которая, как осторожно заявляют авторы открытия, по своим свойствам соответствует теоретически предсказанному элементарному бозону Стандартной модели физики элементарных частиц. Его обычно называют бозоном Хиггса, хотя это название не вполне адекватно. Как бы то ни было, речь идёт об открытии одного из главных объектов фундаментальной физики, не имеющего аналогов среди известных элементарных частиц и занимающего уникальное место в физической картине мира.

Я еще в десятом классе заинтересовался исследованиями, проводимыми в области элементарных частиц. Самостоятельно изучал специальную теорию относительности Эйнштейна и решил найти ответы на некоторые вопросы.

Целю данной работы является изучение основных характеристик поля Хиггса.

Для этого необходимо ответить на следующие вопросы:

Какие элементарные частицы существуют?

Почему на теорию с полем

Хиггса

такая надежда?

Главный вопрос: что можно сделать с полем

Хиггса

?

Что будет без поля

Хиггса

?

Актуальность данной работы в том , что в современном мире уделяется очень большое внимание элементарным частицам, и, данный аспект не совсем изучен .

Основная часть

Какие элементарные частицы существуют?

К физике атомного ядра тесно прилегает физика элементарных частиц. Эта область  современной науки базируется на квантовых представлениях и в своем развитии всё дальше проникает в глубину материи, открывая загадочный мир ее первооснов. В физике элементарных частиц чрезвычайно велика роль теории. В силу невозможности прямого наблюдения таких материальных объектов их образы ассоциируются с математическими уравнениями, с наложенными на них запрещающими и разрешающими правилами.

По определению элементарные частицы – это первичные, неразложимые образования, из которых, по предположению, состоит вся материя. На самом же деле этот термин употребляется в более широком смысле – для обозначения обширной группы микрочастиц материи, структурно не объединенных в ядра и атомы. Большинство объектов исследования физики элементарных частиц не отвечают строгому определению элементарности, поскольку представляют собой составные системы. Поэтому частицы, удовлетворяющие этому требованию, принято называть истинно элементарными.

Первой элементарной частицей, открытой в процессе изучения микромира еще в конце XIX в., был электрон. Следующим был открыт протон (1919), затем пришла очередь нейтрона, открытого в 1932 г.  Существование позитрона теоретически было предсказано П. Дираком в 1931 г., и в 1932 г. этот положительно заряженный «двойник» электрона был обнаружен в космических лучах Карлом Андерсоном. Предположение о существовании в природе нейтрино было выдвинуто В. Паули в 1930 г., а экспериментально оно было обнаружено только в 1953 г. В составе космических лучей в 1936 г. были найдены мю-мезоны (мюоны) – частицы обоих знаков электрического заряда с массой около 200 масс электрона. Во всем остальном свойства мюонов очень близки к свойствам электрона и позитрона. Также в космических лучах в 1947 г. были открыты положительный и отрицательный пи-мезоны, существование которых было предсказано японским физиком Хидэки Юкавой в 1935 г. В дальнейшем выяснилось, что существует также нейтральный пи-мезон. А 04 июля 2012 года было объявлено об открытии новой частицы …

Сейчас я попробую объяснить, что такое поле Хиггса. Опираться я буду на квантовую теорию поля. В релятивистской физике не существует частиц. Да-да, частиц нет, но не совсем, чтобы нет. На самом деле квантовая теория полей говорит нам о том, что любая частица – это определенные колебания поля этой частицы (к примеру, у электрона своим полем будет электрическое поле. Все обычные поля имеют нулевую напряженность, так как почти любые системы во Вселенной, даже сама Вселенная, стремятся к форме с минимальной энергией. Эта система с минимальной энергией – это ямка с углубление, а показатель энергии поля есть шарик, который скатывается ко дну системы, принимая нулевое значение. Также любое поле имеет спин, кроме Хиггсового поля, которое имеет не только нулевой спин, то есть является первым скалярным полем, но и ненулевую напряженность поля. Почему поле Хиггса имеет ненулевую напряженность? Потому что для того, чтобы в Хиггсовом поле возникло колебание, нужно энергии больше нулевой, то есть если бы поле Хиггса было нулевым, то при появлении колебания, система энергии этого поля получило бы отрицательный знак.

Именно поэтому напряженность поля Хиггса имеет отличное от нуля значение. Представьте себе ямку с двумя углублениями и горбинкой между ними (в этих углублениях был бы мяч – показатель напряженности – а горбинка была бы точкой нуля) – это и есть значения напряженности поля Хиггса. Поля частиц имеют нулевую напряженность, однако эти поля все еще колеблются с очень маленькой, незначительной амплитудой, но если в каком-то месте возникает возбуждение поля, то появляется частица.

На самом деле частицы, которые мы видим – это способ представления поля этой частицы. Приведу аналогию с нашим зрением, которое воспринимает мир в двухмерном пространстве, хотя мир является трехмерным пространством. То есть двухмерное пространство – это способ представления трехмерного мира. Примерно так мы видим квантовые поля). Поле Хиггса пронизывает все пространство, даже в пустом пространстве (вроде вакуума) поле Хиггса будет обладать ненулевой напряженностью. Поле Хиггса можно представить в виде желе, а частицу в виде пули, которая входит в это «желе». (Приложение 1) Желе обволакивает пулю, пуля приобретает большую массу, теряет свою скорость. Также можно представить это поле, как толпу детишек на пляже в жаркий летний денек, а частицу как мороженщика. Мороженщик начинает двигаться сквозь детишек, а те подбегают к нему, задавая ему большую массу. Механизм действия поля Хиггса примерно такой же, однако вместо мороженщика – частица, а вместо детей – бозоны Хиггса.

Почему на теорию с полем Хиггса такая надежда?

Ответ очень простой, так как это единственная вполне нормальная теория, показывающая принцип возникновения массы у частиц. Также эта теория помогает нам понять, почему слабые силы взаимодействия действуют на огромные расстояния, а сильные – на более малые. Почему слабые взаимодействия действуют на огромные расстояния? Ответив на это, мы ответим на еще один вопрос: почему некоторые частицы обладают нулевой массой покоя, а некоторые очень большими массами (к примеру: глюоны обладают нулевой массой покоя, пока W и Z бозоны обладают сравнительно большими массами. Эти бозоны обладают такой большой массой, чтобы ограничить радиус слабого ядерного взаимодействия. С их помощью фермионы (к фермионам относятся кварки и лептоны. Протон (два верхних (q=+1) и один нижний кварки (q=-1\2)) и Нейтрон (два нижних кварка и один верхний) состоят из кварков и глюонов (глюон как клей склеивает кварки, однако глюон безмассовая частица, поэтому глюон – это вечно движущаяся со скоростью света частица, которая не дает кваркам распасться). К фермионам мы относим электрон (также есть и другие частицы)) перекидываются массой, энергией, и могут превращаться друг в друга. W бозоны способны менять заряд частицы на противоположный, а Z бозон является нейтральным. Также есть и сильное ядерное взаимодействие, за которое отвечают глюоны, но о них мы уже поговорили. Знаете, почему фотон имеют нулевую массы покоя? Все потому, что у фотона большой радиус распространения, и чтобы действительно переносить энергию на большие расстояние, нужно иметь нулевую массу покоя. Также частицы с нулевой массой покоя обладают двумя спинами: +1 и -1, именно поэтому электромагнитные поля имеют две степени поляризации, а у массовых же частиц спин: 2j +1, что подразумевает большое количество степеней поляризации. Также если бы фотон обладал ненулевой массой покоя, то мы бы наблюдали дисперсию электромагнитных волн, то есть, смотря на небо, мы бы видели размазанную картину галактики, чего, собственно, не происходит.

Вообще, считается, что взаимодействие между частицами есть обмен элементарными частицами, это явление я уже объяснил в предыдущем абзаце. Можно сказать, что бозон Хиггса ограничивает скорость распространения частиц для удобства в взаимодействии.

Главный вопрос: что можно сделать с полем Хиггса?

Мы пришли к самому интересному, мы пришли к управлению Вселенной. Вы когда-нибудь хотели бы стать командиром судна под названием «Мироздание»? Думаю, что да, определенно да! И контроль над полем Хиггса даст нам эту возможность. В силу того, что поле Хиггса есть фундаментальное явление возникновения массы и явление соединения в более сложные системы, мы можем предположить, что, обуздав поле Хиггса, мы сможем контролировать эти более сложные системы. Только представьте, на что мы будем способны, отключив поле Хиггса где-нибудь. На нашу планету летит огромный астероид, способны запросто уничтожать нашу планету вместе с нами, но тут ученые рассчитывают координаты астероида в определенный момент времени и отключают поле Хиггса вокруг астероида. Бум! От астероида не осталось и следа… Или, к примеру, мы будем способны телепортироваться мгновенно! Взяв конфигурацию поля Хиггса вокруг нашего тела и конфигурацию частиц, из которых состоит тело, мы отключим вокруг него поле Хиггса. Как-нибудь будем держать все частицы, словно детали от конструктора, в одном месте, зададим им выбранное направление, а в месте прибытия включим поле Хиггса, учитывая изначальные конфигурации. Все! Мы только что совершили мгновенный телепорт с Южного полюса на Северный. Однако тут встает маленькая проблема. Хотя далеко не маленькая… Чтобы частицы не разлетелись, их нужно держать в кучности, а для этого нужно поле Хиггса, возникает недочет. Но это не единственная проблема… Посудите сами, вы играете в «Дженгу» с друзьями. Ваша задача изменить эту идеально сложившуюся систему, точнее изменить ее фундамент. Вы убираете один блок, второй, вдруг вся эта башня начинает падать… Поздравляю, вы разрушили Вселенную! Подумайте сами, отключая поле Хиггса, вы рвете его целостность. Из-за того, что поле Хиггса – однородное поле, которые пронизывает все пространство, вы в каком-то месте просто убираете его. Что это должно создать? Коллабс! Вы образуете дыру в поле Хиггса, эта дыра приведет к неминуемым последствиям. Как-никак Вселенная не так проста, чтобы вот так вот взять и начать управлять ею. Вселенная – это продуманная и гениальная система, имеющая огромное количество секретов и тайн!

Таким образом, изучив литературу и информацию Интернета, я расширил и обобщил представления о частицах. Многое узнал о новой частице бозоне Хиггса и нашел ответы на интересующие меня вопросы. Могу сказать, что будет без поля Хиггса

По сути, кроме движущихся со скоростью света частиц ничего не будет. Ведь поле Хиггса есть фундаментальное явление возникновения массы. Без поля Хиггса каждая частица двигалась бы со скоростью света (не выше по ОТО), значит, что кварки и глюоны не сошлись бы в протоны и нейтроны, электроны, протоны и нейтроны не сошлись бы в атомы (да, я сторонник теории, что электрон, протон и нейтрон взаимодействуют благодаря виртуальным фотонам. Эти виртуальные фотоны есть колебания электрических полей частиц), а атомы в молекулы, молекулы в нас с вами. Именно поэтому поле Хиггса имеет такую важную роль в природе Вселенной.

Заключение

Было ли вам когда-нибудь интересно узнать, из чего состоит мир? Что такое масса, существуют ли параллельные вселенные, подобные нашим, или мы одни во всем пространстве мироздания? На эти и многие другие вопросы может ответить наличие бозона Хиггса и его масса.

Издавна считалось, что электрон, протон и нейтрон – это неделимые частицы, из которых состоит все, что нас окружает. Это совсем не так! Наш мир не так уж и прост. Найдя ответ на один вопрос, мы получаем две новые загадки.

Квантовая физика одна из самых интересных и безумно красивых разделов физики. Изучая тему этой научной работы, я погрузился в мир, полный красот и неожиданных вещей, о которых я даже не подозревал. Странно осознавать то, что это все было прямо перед тобой, а ты и не подозревал о существовании таких чудес!

Вы даже представить себе не можете, что скрывает от нас мироздание. Это недосягаемо нашему разуму. Загадки Вселенной век за веком все сложнее и нерешаемее, однако мы не сдаемся, мы не «опускаем руки». И что нам дадут эти ответы? Станет ли нам жить легче? Не знаю, но могу сказать, что человечество никогда не остановится. Могут случиться застои и остановки, однако наука движется лишь вперед!

Поле Хиггса – это составляющая фундамента мира. Это основное учение, на котором держатся множество других теорий и гипотез. Вы не сможете смотреть на мир так же, как смотрели до прочтения этой научной работы, ваше представление мира должно перевернуться! Мир не скучен, как может показаться, стоит всего-то приглядеться!

Ссылки на сайты, используемые для исследовательской работы

https://youtu.be/7gr-oLApUkY

https://youtu.be/rFhrdwQ9-zQ

https://youtu.be/h97LAv5eu5g

https://youtu.be/5SFDj-tmHzI

Приложение 1

Бозон Хиггса. Higgs boson

Поиск этой неуловимой «частицы Бога», предсказанной еще в 70-х годах, сегодня является одной из приоритетных задач физики частиц.