Что такое бозон

Совсем недавно, в 2012 году, на Большом Адронном Коллайдере был обнаружен Бозон Хиггса. Это открытие является одним из самых выдающихся за последние годы. Журналисты довольно ярко осветили эту новость, однако что такое бозоны, и бозон Хиггса в частности, осталось для многих загадкой.

Современная экспериментально подтвержденная физика элементарных частиц умещается в теоретической выкладке, которая называется Стандартной моделью. Эта модель не является «теорией Всего», однако она с точностью способная описать огромное множество физических процессов, происходящих вокруг нас.

Если откинуть все формулы и определения, то Станартную модель можно изобразить в виде некой таблицы, в которой будут обозначены все экспериментально найденные частицы, разгруппированные определенным образом.

Стандартная модель
Стандартная модель

Все частицы стандартной модели можно разделить на две основные группы: фермионы и бозоны. Из фермернов состоит весь окружающий нас мир, поскольку ими являются кварки и лептоны. Из кварков складываются все протоны и нейтроны, которые в свою очередь складываются в атомные ядра. Одним из лептонов является электрон, который вместе с атомными ядрами образует атомы, из которых состоит все вокруг и мы с вами. Но если весь мир построен из фермионов, то какую роль в природе играют бозоны?

Помимо элементарных частиц Стандартная модель также описывает и фундаментальные взаимодействия между этими частицами. Взаимодействия между частицами, фермионами, происходит не напрямую, а при помощи частиц-переносчиков взаимодействия — бозонов. Например, кварки взаимодействуют внутри протона или нейтрона не напрямую, а при помощи обмена между собой специальными бозонами, ответственными данный вид взаимодействия, которые называются глюонами. Таким образом глюоны являются переносчиками взаимодействия между кварками, которое называется сильным (по порядку величины энергии). Это взаимодействие настолько сильное, что в обычных условиях невозможно "оторвать" один кварк от другого, поэтому в природе не наблюдается свободных кварков. Поскольку в сильном взаимодействии имеются различные дробные заряды, то для поддержания этого равновесия природе необходимо 8 разных типов глюонов.

Протон как структура из двух u-кварков и одного d-кварка
Протон как структура из двух u-кварков и одного d-кварка

Фотоны, как и глюоны, также являются бозонами, но они являются переносчиками электромагнитного взаимодействия. Именно благодаря этому взаимодействию атомы могут связываться в молекулы. Фотон рассматривается, как частица электромагнитного поля. Сегодняшняя наука рассматривает фотон, как бесструктурную и безразмерную частицу с нулевой массой и нулевым зарядом, которая, грубо говоря, является сгустком чистой энергии. Из-за того, что фотоны не имеют массы, электромагнитные силы действуют на бесконечности.

Также в природе существует и слабое взаимодействие, которое ответственно за различные ядерные распады. Эти распады, естественно, не проходят без участия собственных бозонов. В данном случае имеется три вида бозонов: плюс и минус W- и Z-бозоны. Например, при бета-распаде происходит распад нейтрона на протон электрон и антинейтрино, которое осуществляется посредством W-бозона. Бозоны слабого взаимодействия являются довольно тяжелыми частицами, сопоставимые по массе с атомом рубидия. Из-за столь большой массы бозонов радиус действия слабого взаимодействия сильно ограничен.

Диаграмма Фейнмана для бета-распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино посредством тяжелого W-бозона
Диаграмма Фейнмана для бета-распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино посредством тяжелого W-бозона

Последней найденной частицей Стандартной модели является бозон Хиггса. Этот бозон отвечает не за взаимодействие, а за инертную массу частиц. Простыми словами, если частица имеет нулевую массу, как например фотон, то бозон Хиггса не имеет к ней никакого отношения, поэтому такая частица беспрепятственно двигается с максимально возможной скоростью — скоростью света. Если же частица обладает массой, то в дело вступает Хиггсовский бозон, из-за которого частица не имеет возможности разогнаться до такой скорости.

Моделирование, показывающее появление бозона Хиггса при столкновении двух протонов
Моделирование, показывающее появление бозона Хиггса при столкновении двух протонов

Еще существует всем известное гравитационное взаимодействие, которое не описывается Стандартной моделью, по причине того, что экспериментально не найдены гравитоны — бозоны-переносчики гравитационного взаимодействия.