Бозон Хиггса. Предсказания математики.

Самое свежее математическое предсказание было высказано Хиггсом. Вскоре был запущен большой адронный коллайдер, который и должен был подтвердить данное предсказание. И, казалось бы, подтвердил это предсказание. По крайней мере разговоров и шума по этому поводу было много. Но вскоре все это быстро, как говорят ученые, редуцировалось, или проще “схлопнулось”, а по-народному – весь пар в свиток ушел. Но давайте все по порядку.

Я хочу поговорить об, как утверждают, открытой в последнее время частице, названной бозоном Хиггса. В ролике, который называется “Бозон Хиггса – открытие частицы БОГА” Алексей Михайлович Семихатов. и рассказывает все, что знает наука об этом бозоне. Вот начало:

“Бозон Хиггса воспринималась, как досужее изобретение. Как то, что человек это изобрел и всем показывает, знаете вот у меня есть такая теория, у меня есть вот такая как бы частица. Ну как ее называть, если Хиггс ходит и всем показывает? Ну стали ее называть бозоном Хиггса”.

Как видите бозон Хиггса родился на кончике пера. У математиков были некоторые уравнения, которые ученые решали. И вот оказалось при определенном решении нужна была частица с определенными параметрами. Ни протон, ни электрон, ни кварк, ни какая из известных частиц для данного решения не подходила. Но что это за частица, которая позволила бы решать данные уравнения? Какие ее параметры и свойства? Об этом и будет рассказывать Семихатов. Цитировать Алексея Михайловича и ведущих довольно сложно, поэтому я буду излагать их высказывания своими словами. А верно я их излагаю или нет, интересующийся этим вопросом человек, может узнать, просмотрев, вышеуказанный ролик.

Сначала Алексей Михайлович сделал не большой экскурс в стандартную модель. Он рассказал, что все частицы делятся на два класса: фермионы и бозоны. Фермионы – это то из чего все, буквально все, состоит. А бозоны – это то что переносит взаимодействие между фермионами. Он отметил, что “все фермионы ненавидят друг друга”, а “если бы электроны не ненавидели друг друга, все они садились бы близко, близко к ядру. Все на одну орбиту. И не было бы различия, химического различия, в свойствах электронных оболочек атомов и не было бы вообще никакой химии”.

Я не полностью согласен с этим утверждением Семихатова. Наверное, не все фермионы ненавидят друг друга, а только однотипные фермионы не любят друг друга. Это как бы христиане не любили друг друга или мусульмане ненавидели бы друг друга. Позитрон и электрон фермионы, а они очень любят друг друга до самопожертвования. Прямо Ромео и Джульетта. Да и протоны не далеко отпускают от себя электроны.

А вот бозоны оказались посыльными между фермионами, которые доставляют от одной частицы к другой частице весть о том, как одна частица относится к другой частице. И мало того исполняют это отношение. Они являются непосредственными исполнителями взаимодействия. Эти бозоны Семихатов сравнивает с бумажными самолетиками, которые бросают частицы друг в друга. Большое количество самолетиков и производит, например, отталкивающее действие на частицу.

“Так ведут себя все бозоны: фотоны, гравитоны, глюоны и возможно какие-то другие, кроме бозона Хиггса. Он стоит в стороне, он ничего не переносит” - резюмировал Алексей Михайлович.

Когда ученые поняли сущность взаимодействия между частицами им казалось, что проблема взаимодействия частиц решена. Зная параметры частиц фермионов и параметры частиц бозонов-переносчиков можно будет просчитать результат взаимодействия этих частиц. По логике, как я понимаю, это должно быть так. Для математика частица – это формула. Возьмем формулу Дирака. Она такая (средний ряд для безличной частицы):

В среднем ряду безликие данные, но если эти безликие данные заменить данными из верхнего ряда, то получим описание (импульс и координаты), скажем, электрона 1. Данные из нижнего ряда дадут описание электрона 2. Предположим, что эти частицы движутся навстречу друг другу. Раньше, до поумнения или замутнения человеческого сознания, данное столкновение частиц рассматривали, как столкновение обычных шариков. Но потом выяснилось, что мы ничего не знаем ни об устройстве этих частиц, ни об их упругости, ни о размерах и вообще почти ничего не знаем о параметрах взаимодействующих объектов. По этой причине их решили, как говорится, лбами не сталкивать, а поручили это дело частицам посредникам, которых назвали бозонами. Это по сути верно. Вальтер Ритц, несправедливо забытый, давно говорил о частицах, переносящих энергию. Но современные ученые вложили в понятие переносчика не энергию, а взаимодействие. Форму, а не содержание.

Таким образом ученые от близкодействия ушли к дальнодействию. Но им от этого легче не стало. Раньше при решении задачи в случае непосредственного столкновения они должны были бы получить две частицы в виде двух формул с другими параметрами импульса и координат. Это в случае, если частицы не распались на несколько частей. В последнем случае и формул было бы больше, точнее их решений.

А теперь же, в случае посредников, нужно учитывать их действие. Если они должны были оттолкнуть частицу, то несомненно, что в формуле частицы они изменяют ее импульс и координаты.

И когда ученые мужи начали решать эти уравнения, то у них получались бесконечности. Как говорит Семихатов: “… начинаете считать и в ответе у вас бесконечно большое число. То есть бессмысленное число, число которого не бывает”. Почему так? Оказалось, что в этом виновата масса бозона-посредника. Выходило так, что для осуществления взаимодействия необходимо было большое количество посредников. Уравнения вели себя прилично если посредники обладают нулевой массой. Это устраивало математиков, но не устраивало экспериментаторов. Они упорно твердили, что бозон обладает массой непременно. Схватка велась не на жизнь, а на смерть, правда в темной комнате и темной ночью. Ибо стоило попасть на свет и взглянуть на табличку стандартной модели все бы увидели, что глюон и фотон действительно не обладают массой, а Z-бозон и W-бозон обладают массой.

Как считается Z-бозон и W-бозон открыли в 1973 при помощи ускорителя. Но это было косвенное открытие. Наблюдали не за бозонами, а их наличие и свойства вычислили по поведению электрона, рождавшегося при взаимодействии частиц.

Непосредственное открытие полагают (получена Нобелевская премия) произошло на Супер-протонном синхротроне в 1983 году. В этом случае сталкивались два пучка протонов и антипротонов. Но и в этом случае следили за электроном, а не непосредственно за бозоном.

Но почему начали искать эти самые бозоны?

Над открытием нейтрона в 1930 - 1932 году работали Амбарцумян, Иваненко, Вальтер Боте и Герберт Беккер, Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они открыли излучение с большой проникающей способностью. И в 1932 году Джеймс Чедвик предположил и затем показал экспериментом, что это поток нейтронов. Так вот в этом потоке нейтроны находятся в свободном состоянии, и в той же Википедии говорится, что жизнь свободного нейтрона длится 880 ±0,9 секунды. После этого он распался. И на что он распадается? Удалось обнаружить протон и электрон, но как-то не совпадали величины энергии до и после распада. Как считают ученые, удовлетворительная теория бета-распада была создана в 1968 году Шелдоном Глэшоу, Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом, за что они и получили Нобелевскую премию в 1979 году.

Как видите, сначала нейтрон распадается на протон и W-бозон и тут же W-бозон распадается на электрон и нейтрино. Ясно, что масса и энергия W-бозона должна соответствовать массе и энергии электрона и нейтрино. Те же параметры для нейтрона должны соответствовать параметрам протона и W-бозона. Смотрим справочную литературу. И получается, что картинка бета-распада должна быть несколько другой. А именно:

Масса W-бозона оказывается много больше массы нейтрона. Что это такой большой дефект масс? Не большой кусочек массы в виде электрона, находящийся в нейтроне, вдруг вырывается из нейтрона со скоростью очень близкой к скорости света, увеличивая свою энергию до 80 ГэВ, и тут же распадается на две части. Причем одна часть в виде электрона теряет кинетический добавок энергии, гася скорость до скорости нейтрона.

Может быть я где-то ошибся, но если это так, то спрашивается: а зачем все это делалось в ускорителе? Нейтроны и так долго не живут. Помещай нейтроны в измерительную камеру и получишь тот же бета-распад, что и в коллайдере. И не нужна энергия коллайдера, не то что энергия большого взрыва. >/p>

Но, к сожалению, в то время мало кого из математиков интересовала величина массы. Когда они пытались описать этот распад, будь то в ускорителе или без оного, у них ничего не получалось. Любая масса вела в бесконечность. Нужна было нулевая масса. Но ввести в процесс бета-распада глюон или фотон ни у кого не хватало духу. Да никто и не понимал, как это сделать, ибо о физической сущности фотона или глюона, если таковой имеется (он пока только на бумаге), никто не знал, да и сейчас пока не знает. Требовалась не тривиальная идея.

И такая идея родилась в голове Питера Хиггса. До сих пор во всех формулах явно или не явно присутствовали потенциальные поля в виде ям, подобие глубоких тарелок или мисок. И чтобы двигать частицу в этой яме, особенно вверх по стенке, требовалось прикладывать большую силу. А частицу, кровь из носа, надо было высвободить из этой ямы, чтобы она могла про взаимодействовать с другой частицей или развалиться сама на части. Так вот оказалось, что эти ямы (потенциалы) настолько глубоки, что для вытаскивания частицы требуется бесконечная сила (бесконечное число бозонов - самолетиков). И то эти бозоны смогут выполнить эту задачу, если сами не будут отягощены массой, в противном случае они сами не смогут преодолеть эту стенку.

И Питер Хиггс подумал, а что, если эти бозоны изначально разогнать, дать им дополнительный импульс. На горку то они с трудом лезут, а с горки? А с горки будут лететь за милую душу. А где взять такую горку? Да вот же. Построим ее в центре тарелки (потенциальной ямы). И запоминать такую модифицированную яму легко: она похожа на донышко бутылки из-под шампанского. Все пили шампанское, сразу запомнят.

Сказать то легко – сделать горку, а, как и чем? А для чего нам Эйнштейн разрабатывал 10 лет ОТО? Вот мы ею и воспользуемся. Подложим по центру под низ тарелки тяжелый объект, он и прогнет нам пространство-время. Назовем этот объект бозоном Хиггса. Его величину мы выберем больше любого посредника. Нам сколько нужно посредников? Z-бозон с энергией 91,2 ГэВ и W-бозон с энергией 80,4 ГэВ. Возьмем бозон Хиггса с запасом 126 ГэВ. Через потенциальный скат он как бы передаст свою массу (энергию) бозону Z и/или W. На картинке это выглядит примерно так:

Если бы не бозон Хиггса, то поле было бы подобно тарелке. Как обозначено пунктирной линией, но бозон Хиггса прогнул поле. Это его единственная задача, в передаче взаимодействия он непосредственно не участвует. Как говорит Семихатов “ничего не переносит”. И не удивляйтесь тому, что он своей массой прогнул пространство-время вверх. Это наши издержки привычек: мы ходим голова вверху, а ноги внизу. В космосе нет ни низа, ни верха. Космонавт в своем корабле может сидеть на полу, на потолке и даже на стенах с одинаковым успехом.

Теперь нейтрон, находящийся над бозоном Хиггса, может распасться на протон и небольшой кусочек с массой электрона. Но это не электрон, а пока маленький W-бозон, который незамедлительно срывается с горы над бозоном Хиггса и набирает скорость до энергии 80, 4 ГэВ в нижней точке ската. Дальше он поднимается по другому скату и теряет свою скорость и соответственно энергию. Но поскольку скат вниз больше нежели вверх, то излишек энергии, полученной на скате, будет излучен этим уже маленьким W-бозоном в виде нейтрино и останется чистый электрон (см. выше). Все бета-распад произошел. Что происходило во время этого распада с протоном обозначено не четко.

Поскольку такой распад может произойти с любым нейтроном, то заведомо необходимо, чтобы рядом с ним всегда находился рядом бозон Хиггса. Такое бывает, в математике конечно. Например, в теории струн, для каждой струны существует суперпартнер. Почему бы не быть и бозону Хиггса суперпартнером для нейтрона? Вот эти все бозоны Хиггса и создают повсеместное бозонное поле. То есть вокруг нас существует не электромагнитное поле, а бозоноэлектромагнитное поле.

А существуют ли эти бозоны Хиггса в самом деле? А как же – существуют. Доказано большим коллайдером. Две группы искали этот бозон и можно сказать, что нашли. Жаль, что только маловато нашли. Ведь по идее при таких скоростях может быть даже один протон приобретал большую релятивистскую массу. Умельцы это могли бы посчитать, но как обычно у них другие дела. Если бы можно без коллайдера слепить протоны в один объект, то энергию в 125 ГэВ можно было бы получить из 125 протонов. А поскольку мы протон разогнали близко к скорости света, то может быть хватило бы и 10 протонов. Тогда и треков этих бозонов Хиггса в 125 ГэВ должно было бы быть больше.

Но для меня еще есть проблема. Зачем нам вообще парится над этим слабым взаимодействием? А если бы нейтроны были бы стабильны так же, как и протоны и электроны? Это как-то влияло бы на нашу жизнь? Ну хорошо мы изучаем сильное взаимодействие. Как ни как, а изобрели такую нужную вещь, как атомную бомбу. А со слабого взаимодействия, какой нам прок? Что? Нам не хватит электромагнитного излучения?

Почему мы никак не можем понять взаимодействия между короновирусом и клеткой, а лезем в нейтрон? Может быть между короновирусом и клеткой тоже существует какой-нибудь коронобозон и лучше бы его нам изучать? А мы лезем, то в черные дыры, то в бозоны да глюоны.

В общем если посмотреть все материалы по бозону Хиггса, то невозможно уверится в том, что данный бозон существует и обладает свойствами, о которых ученый рассказывает в своем ролике. Вполне возможно, что в коллайдере можно обнаружить частицу с энергией 125 ГэВ. Когда на огромных скоростях сталкиваются два объекта, то они могут не только разбиваться на мелкие фрагменты, но застревать друг в друге и образовывать большие объекты. Как обычно такие объекты распадаются на части.