Британский физик Питер Хиггс был одним из нескольких исследователей, работающих над этой моделью. С тех пор его имя стало синонимом поля, его частицы и механизма действия. Что же такое бозон Хиггса? Как и все квантовые поля, поле Хиггса порождает свой собственный вид фундаментальной частицы - бозон Хиггса.
Это относительно тяжелый, незаряженный, высоко неустойчивый бозон (несущая силу частица, с нулевым спином), который существует для моргания перед тем, как разбиться на несколько различных других частиц. В 2012 году именно такая частица была обнаружена двумя детекторами Большого адронного коллайдера, что официально привело к включению бозона Хиггса в Стандартную модель и дало веские доказательства механизма Хиггса.
Что дает частицам их массу?
В повседневной жизни мы воспринимаем массу как сопротивление движению. Вещи с большой массой трудно перемещать; как только они находятся в движении, их трудно остановить. Формулировка особой относительности Альберта Эйнштейна дает нам еще один способ взглянуть на массу - это выражение энергии объекта.
Сидя на месте, объект имеет массу, равную его энергии, разделенной на квадрат скорости света - закрутка по знакомой формуле E=mc2. Заставьте объект двигаться, особенно со скоростью, близкой к скорости света, и он получит энергию, которая действует как масса. Атомы получают большую часть своей массы от энергетического жужжания частиц, называемых кварками, застёгивающимися внутри своих ядер, связанными между собой сильной силой.
Но даже сами по себе кварки имеют массу. Как и окружающие электроны. Когда внутри них нет ничего "жужжащего", требуется некая активность, чтобы учесть энергию, которая равнялась бы их массе, находясь в состоянии покоя. Более того, в середине 20-го века физики обнаружили, что предыдущие модели, описывающие калибровочные бозоны, не соответствовали наблюдениям; частицы малого радиуса действия, такие как W и Z-бозоны слабых сил, были в 80 раз массивнее целого протона, в то время как далеко идущий фотон электромагнитного поля вообще не имел массы.
Физики были в отчаянии, чтобы найти причину этих различий в плотности, и почему эти два поля были настолько разными.
Как поле Хиггса дает фундаментальным частицам их массу?
При безумно высоких температурах в моменты после Большого взрыва поля электромагнетизма и слабых ядерных сил были бы практически идентичны друг другу. По мере того, как Вселенная расширялась и охлаждалась, эти два поля стали бы разными - одно, работающее с тяжелыми бозонами, которые действовали на коротком расстоянии от ядра, другое, работающее с бозонами, достаточно легкими, чтобы охватить огромные участки космоса.
Подобные объяснения этого раскола - и разницы в массах - пришли от нескольких групп физиков во всем мире. История признает предложение, сделанное Хиггсом и его коллегами Франсуа Энглером и Робертом Броутом в 1964 году, основанное на новом типе квантового поля, которое действовало повсюду, даже в пустом пространстве.
Наличие поля с ненулевым значением в каждом уголке Вселенной нарушило бы фундаментальный баланс в квантовой механике, который в теории должен был бы генерировать некую частицу, уже исключенную экспериментами.
Но Хиггс, Энглерт и Брот показали, что если бы это гипотетическое поле было связано с полем, ответственным за слабую силу, проблемная частица, которую никто не видел, была бы сожрана, оставив после себя несколько тяжелых бозонов W и Z и относительно тяжелый, не требующий вращения, незаряженный бозон 'Хиггса' (который быстро развалился бы на части). Думайте о поле Хиггса, как о кондитерской, с босонами, не желающими торопиться, когда они обедают на шоколаде, только для того, чтобы оставить после себя кучу недолговечных "оберток Хиггса".
Вскоре стало ясно, что этот же процесс будет работать практически для любого квантового поля; поле Хиггса объясняет массу целого ряда других фундаментальных частиц - таких, как кварки и электроны - которые все сопротивляются тому, чтобы их толкнули, когда им требуется мгновение, чтобы обработать их сладкое.