Нобелевскими лауреатами по физике в этом году стали Питер Хиггс и Франсуа Энглер. Их выбрали за теоретические работы, в которых описано, каким образом у элементарных частиц появляется масса и как слабое поле перестает быть похожим на электромагнитное. Ключевую роль в этом процессе играет знаменитый ныне бозон Хиггса, существование которого окончательно подтвердили этой весной.
Сумма каждой из Нобелевских премий в 2013 году составила 8 миллионов шведских крон (1,2 миллиона долларов).
Церемония награждения представленных лауреатов прошла10 декабря в Стокгольме в день кончины основателя Нобелевских премий - шведского предпринимателя и изобретателя Альфреда Нобеля.
Первые указания на открытие бозона Хиггса появились в конце 2011 года, но тогда результаты носили предварительный характер. В 2012-м о частице говорили более уверенно, а в марте 2013-го ее открытие подтвердили окончательно. Так как Нобелевский комитет отмечает только экспериментально подтвержденные работы, Хиггсу и Энглеру пришлось ждать своей премии очень долго — 48 лет.
начале 1964 года физика элементарных частиц находилась довольно далеко от своего современного состояния. Лишь в том году были опубликованы работы американских ученых Марри Гель-Манна и Георга Цвейга, которые предложили концепцию кварков, так что вместо стройной системы с тремя поколениями элементарных частиц физики имели дело с настоящей кунсткамерой. Строительство мощных ускорителей и изучение космических лучей позволило экспериментально зафиксировать множество частиц, которые явно не могли быть элементарными.
Мир с несколькими десятками элементарных частиц выглядел слишком сложным, нелогичным и некрасивым. Взять хотя бы бета-распад, за счет которого радиоактивен стронций или цезий: нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино. Или протон становится нейтроном, позитроном и нейтрино — здравый смысл подсказывает, что нейтрон не может состоять из электрона, антинейтрино и протона, который сам состоит из позитрона, нейтрино и нейтрона, так что термин «распад» тут, вероятно, неуместен вовсе. Но если это не распад, то что? Превращение частиц? Превращение частиц было описано в работе Энрико Ферми 1933 года, которую поначалу даже не приняли к публикации в Nature, но одно дело сказать «превращение» и совсем другое — описать то, почему нейтрон превращается именно в протон и электрон, а не в россыпь каких-нибудь иных частиц.
Бета-распад
Что происходит при бета-распаде на самом деле: d-кварк испускает W-бозон и становится u-кварком. Затем W-бозон превращается в электрон и антинейтрино. Такой способ представления частиц и взаимодействия между ними предложен Ричардом Фейнманом и называется диаграммами Фейнмана.
Физики открывали один пример таких странных реакций за другим, и в 1957 году появилась теория, которая описала превращение одних частиц в другие внутри единой системы, с помощью понятия слабого взаимодействия. Однако с новой фундаментальной силой сразу возникли определенные проблемы: кванты слабого поля должны были иметь массу — хотя бы для того, чтобы не было противоречия с экспериментальными данными. У кванта электромагнитного поля, фотона, массы нет, как нет ее и у квантов сильного поля, глюонов — а переносчики слабого взаимодействия почему-то массивны. Поля несимметричны, как говорят ученые.
Если бы поля были симметричны, то кванты слабого поля, W- и Z-бозоны, были бы лишены массы. Это привело бы к тому, что слабое взаимодействие проявляло бы себя на сколь угодно больших расстояниях, подобно электромагнитным силам, и тогда никаких привычных протонов и нейтронов в мире просто бы не было. Но так как они есть, а поля разные, симметрию что-то нарушает. Что именно? Физики в разных научных центрах стали искать решение этой проблемы, параллельно с попытками проредить число элементарных частиц.
За некоторое время до появления прорывных работ по нарушению электрослабой симметрии японский исследователь Ёитиро Намбу написал статью, в которой вместе с итальянским физиком Джованни Йона-Лазиньо рассмотрел спонтанное нарушение другой симметрии и разделение элементарных частиц на два класса с разными свойствами. Их модель не затрагивала электрослабую симметрию, но в 1962 году такую попытку предпринял физик-теоретик из США Филип Андерсон, который, впрочем, не построил полноценной релятивистской модели. Это удалось сделать сразу трем группам в 1964 году: Роберту Брауту вместе с Франсуа Энглером, Питеру Хиггсу и еще одной группе.
Таким образом, в 1964 году ученые придумали способ разделить два разных поля. Тогда же «зоопарк» из сотни элементарных частиц сократили до небольшого числа кварков и лептонов, но экспериментальная проверка этих теорий затянулась на несколько десятков лет. С кварками удалось разобраться довольно быстро, а вот за бозоном Хиггса пришлось поохотиться.
Теоретические расчеты гласили, что бозон Хиггса имеет массу. Это означало среди всего прочего и то, что обнаружить его можно будет только в экспериментах с частицами, энергия которых значительно больше: а для этого необходимы были мощные ускорители.
В декабре 2011 года физики из ЦЕРН говорили о том, что найдена частица массой около 125 гигаэлектронвольт, которая ведет себя как бозон Хиггса. В марте 2013 было сказано официально: это именно бозон Хиггса, со спином равным нулю (иные варианты исключены с вероятностью 99,9 процента), с массой около 125,5 плюс-минус 0,6 гигаэлектронвольт.
Понравилась новость? Добавьте ее в свои закладки! Добавив новость в закладки Вы также поделитесь ею со своими друзьями. Пользуйтесь этой возможностью как можно чаще!
Учителю физики и ученикам
