Бозон Хиггса и образование массовых частиц

Кузнецов А. И., Кузнецов А. Р.

Вопрос о том, что является источником и каков механизм появления массовых частиц (массы) стал наиболее актуальным при создании теории возникновения Вселенной. Понятно, что при отсутствии у частиц массы, не было бы ни звезд, ни галактик, ни планет.

Долгое время библейское учение о сотворении Мира Богом, в виду своей простоты и общедоступности, устраивало основную массу людей от мала до велика и сдерживало их от излишнего любопытства в этом вопросе.

Современные научные представления о возникновении массы гораздо сложнее для понятия и базируются на Стандартной модели. В ее основе лежит математическая функция (лагранжиан), которая объясняет взаимодействие различных частиц. Пользуясь понятиями релятивистской квантовой теории, с ее помощью физики могут рассчитать поведение элементарных частиц (кварки и электроны) и описать, как они образуют протоны и нейтроны.

Согласно этой теории, не имеющие массы частицы в вакууме движутся со скоростью света и приобретают массу, взаимодействуя с квантовым полем Хиггса, пронизывающим всю Вселенную. Если оно есть на самом деле, то, согласно теории, должна существовать и связанная с ним частица – бозон Хиггса.

Подтверждение существования частицы Хиггса стало недостающим звеном в принятой большинством ученых на сегодня теории об устройстве Вселенной. Принято считать, что, когда она начала остывать после Большого взрыва, сформировалась гипотетическая сила, известная как поле Хиггса, вместе с ее квантом, частицей, названной бозоном Хиггса. Это поле объясняет появление массы у частиц, сформировавших атомы. Без его существования частицы просто пронзили бы космос со световой скоростью. Известно, что частицы, имеющие массу, разгоняться до скорости света не могут. Другие частицы приобретают массу, когда они соприкасаются с полем Хиггса [1].

В последнее время физики открыли настоящую охоту за бозоном Хиггса, носящим название «частица Бога», открытие которого должно было подтвердить наличие одноименного поля, наделяющего массой частицы Вселенной. Это отсутствующий элемент в основной на сегодня теоретической конструкции в физике элементарных частиц, известной как Стандартная модель. Он является теоретически предсказанной частицей, придающей массу прочим частицам.

Казалось бы, что наиболее реальным является способ поиска бозона Хиггса в естественных условиях их «существования», т.е. в открытом космосе. Учитывая доступность этого способа в современных условиях, а также минимум помех, из-за отсутствия там большого количества других частиц, это наиболее легкий путь для достижения поставленной цели. К примеру, если квантовое поле Хиггса, пронизывает всю Вселенную, то можно оснастить космический аппарат (зонд) источником излучения «безмассовых» частиц (фотонов) и детектором анализа образующихся частиц.

Оправданием невозможности этого способа наверняка будет ссылка на отсутствие условий, возникших при мифическом Большом Взрыве, повторение которого возможно только через миллиарды лет или вовсе невозможно, потому, что его никогда не было.

Ученые избрали наиболее трудный (древний) и сомнительный путь поиска бозона Хиггса с использованием не умственных, а физических усилий и «кувалды», который пытаются «героически» преодолеть, расходуя на это колоссальные народные средства и тратя уйму времени.

Возникает вопрос: «А хотят ли они получить ответ на поставленную задачу, или просто делают вид, что они ею занимаются?»

Поиск осложняется тем, что приходится исследовать широкий диапазон масс, поскольку пока никто (даже математики!) не может точно сказать, какие массы должны быть у бозонов Хиггса. Теоретические рассуждения и анализ экспериментальных данных позволяют лишь грубо оценить, какой массы следует ожидать [2].

Выбранный способ исследований требует сооружения мощных коллайдеров, обеспечивающих достаточную энергию столкновений частиц, чтобы получить различные бозоны Хиггса, и достаточную интенсивность, чтобы создавать их в больших количествах. Кроме того, коллайдеры должны быть оснащены очень хорошими детекторами для анализа получающихся в результате столкновения частиц.

Физики считают, что эти столкновения соответствуют условиям, при которых развивалась Вселенная сразу после Большого взрыва.

Это, извините за грубость, равносильно столкновению на сверхбольшой скорости мужчины и женщины, для того, чтобы в образовавшемся, от их столкновения, месиве пытаться обнаружить сперматозоид и яйцеклетку, из которых они появились на свет.

4 июля 2012 г. ученые, работающие с Большим адронным коллайдером, «обнаружили» какую-то новую частицу, объявив об обнаруженных доказательствах существования частицы бозона Хиггса, или "частицы Бога", которая, согласно Стандартной Модели физики, создала всю массу Вселенной.

Большой адронный коллайдер построен на 100-метровой глубине под границей Франции и Швейцарии. Он представляет собой 27-километровый кольцевой туннель, в котором установлен ускоритель заряженных частиц в виде гигантской трубы. Цель исследований - запустить пучки протонов в разные стороны, разогнать их до огромных скоростей, близких к световым, после чего часть из них столкнется между собой с энергией 14 тераэлектронвольт. При таких энергиях должны рождаться новые элементарные частицы, и ученые намерены приблизиться к ответу, как была создана Вселенная, в частности, - экспериментально доказать существование бозона Хиггса [2].

Вся эта их деятельность напоминает неосознанные действия маленьких детей, желающих узнать устройство игрушки, разламывая ее на части.

Не получится ли так и у ученых, которые ради поиска одной мифической частицы могут разрушить не только несколько реальных частиц, но и целую планету, запустив таким образом какую-нибудь неизвестную им цепную реакцию.

фактором, под влиянием которого мог идти процесс образования частиц, можно предположить, было наличие флуктуаций (отклонений значений физической величины от ее среднего значения), произошедших в отдельных, относительно небольших, объемах Вселенной (галактиках).

Учитывая масштабы Вселенной, относительную неравномерность распределения галактик в ней и постоянно идущий процесс ее расширения, можно предположить, что Большой Взрыв не имеет к этому никакого отношения. Образование массовых частиц шло раньше и постоянно идет во Вселенной в настоящее время. Несомненно, мы все наблюдаем этот процесс и настолько к нему привыкли, что не обращаем на него никакого внимания.

Учитывая, что Солнечная система и Земля являются частичкой Вселенной, то аналогичные процессы должны иметь место и на нашей планете.

Наиболее реальным подтверждением такого процесса является образование пыли, наличие которой можно обнаружить даже в закрытых, пустующих помещениях и пещерах. Образование ее идет не видимым для нас образом до приобретения частицами определенных размеров. Пыль - это то, от чего невозможно избавиться. Именно такое свойство массовых частиц позволяет объяснить устройство и длительность существование Вселенной. Об этом свидетельствуют пылегазовые облака и туманности в космическом пространстве.

На начальной стадии образования массовые частицы, очевидно, отличаются от наблюдаемой нами пыли не только размером и составом, но и агрегатным состоянием. Не это ли состояние частиц принято называть «темной материей»?

Особыми свойствами характеризуются элементарные частицы (протон, электрон и нейтрон), обладающие неизвестным видом массы и агрегатного состояния. Наверняка образование противоположно заряженных частиц шло в первую очередь. Характерным подтверждением этого, как показали исследования ученых, является склонность пылевидных частиц к электризации при соударении и трении друг с другом. Способность образовывать пространственные структуры, позволяет предположить наличие сил притяжения между заряженными пылинками противоположного знака.

В результате взаимодействия и распада этих элементарных частиц, при наличии электрических разрядов (молний), шел процесс образования химических элементов, космической пыли, суперзвезд, звезд и планет [3].

Космическая пыль состоит из микрочастиц, которые могут соединяться в более крупные фрагменты неправильной формы, пористость которых варьируется в широких пределах. Из-за их высокой степени трансформации частицы межпланетной пыли представляют собой мелкозернистые смеси, состоящие от тысяч до миллионов минеральных частиц и аморфных компонентов. За сутки в атмосферу Земли попадает, по различным оценкам, от 5 до 300 тонн вещества внеземного происхождения [4].

Современная космическая пыль отличается от первозданных частиц более крупными размерами и разнообразием состава. Ее образование идет в межзвездном и межпланетном пространстве при наличии исходящих из звезд ионов и атомов химических элементов.

В настоящее время исследования космической пыли представляют собой междисциплинарную отрасль, включающую физику (физику твёрдого тела, электромагнетизм, физику поверхностей, статистическую физику, теплофизику), теорию фракталов, химию, метеоритику, а также все отрасли астрономии и астрофизики. Эти формально не связанные области исследований объединяются в силу того, что частицы космической пыли проходят эволюционный цикл, включающий химические, физические и динамические изменения. В эволюции космической пыли таким образом «отпечатываются» процессы эволюции Вселенной в целом [4].

Таким образом, на основании аналитического обзора Стандартной модели предложена природа образующихся во Вселенной массовых частиц.

ЛИТЕРАТУРА

1 "Частицу Бога" показали людям. [Электронный ресурс]. – URL:  https://www.interfax.ru/russia/253841 [дата обращения 18.06.2021].

2 Капитонов И. М. Загадки массы. [Электронный ресурс]. – URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/pop/higgs.htm [дата обращения 17.06.2021].

3 Кузнецов А.И. Нейтронная гипотеза образования Вселенной // Материалы Международной научной конференции молодых ученых, магистрантов, студентов и школьников «ХIX Сатпаевские чтения», посвященной 120-летию академика К.И. Сатпаева. – Павлодар, 2019. – Т. 21. – С. 235 – 240.

4 Космическая пыль. [Электронный ресурс]. – URL:  https://ru.wikipedia.org/wiki  [дата обращения 25.06.2021].