Jumalallinen hiukkanen Higgsin bosoni. Tietoa Higgsin bosonista, joka hajoaa kahdeksi fotoniksi. Mistä massa tuli maailmankaikkeudesta?

Me Quantuz-tiimi (yritetään liittyä GT-yhteisöön) tarjoamme käännöksemme Higgsin bosonille omistetusta particleadventure.org-sivuston osiosta. Tästä tekstistä olemme jättäneet pois epätietoiset kuvat (katso täysi versio alkuperäisestä). Materiaali kiinnostaa kaikkia kiinnostuneita uusimmat saavutukset soveltavaa fysiikkaa.

Higgsin bosonin rooli

Higgsin bosoni oli viimeinen vakiomallissa löydetty hiukkanen. Tämä on teorian kriittinen osa. Hänen löytönsä auttoi vahvistamaan mekanismin, jolla perushiukkaset hankkivat massaa. Nämä perushiukkaset standardimallissa ovat kvarkit, leptonit ja voimaa kuljettavat hiukkaset.

1964 teoria

Vuonna 1964 kuusi teoreettista fyysikkoa olettivat uuden kentän (kuten sähkömagneettisen kentän) olemassaolon, joka täyttää kaiken tilan ja ratkaisee kriittisen ongelman universumin ymmärtämisessämme.

Toiset fyysikot kehittivät itsenäisesti perushiukkasten teorian, jota lopulta kutsuttiin standardimalliksi ja joka tarjosi ilmiömäisen tarkkuuden (joidenkin standardimallin osien kokeellinen tarkkuus on 1:10 miljardia. Tämä vastaa New Yorkin ja Sanin välisen etäisyyden ennustamista Francisco noin 0,4 mm:n tarkkuudella). Nämä pyrkimykset osoittautuivat tiiviisti sidoksissa toisiinsa. Standardimalli tarvitsi mekanismin, jolla hiukkaset hankkivat massaa. Kenttäteorian kehittivät Peter Higgs, Robert Brout, Francois Englert, Gerald Guralnick, Carl Hagen ja Thomas Kibble.

bosoni

Peter Higgs ymmärsi, että analogisesti muiden kvanttikenttien kanssa, tähän uuteen kenttään täytyy liittyä hiukkanen. Sen spinin on oltava yhtä suuri kuin nolla, ja sen on siten oltava bosoni - hiukkanen, jolla on kokonaisluku spin (toisin kuin fermionit, joilla on puolikokonaisluku spin: 1/2, 3/2 jne.). Ja todellakin siitä tuli pian tunnetuksi Higgsin bosoni. Sen ainoa haittapuoli oli, että kukaan ei nähnyt sitä.

Mikä on bosonin massa?

Valitettavasti teoria, joka ennusti bosonin, ei täsmentänyt sen massaa. Kului vuosia, kunnes kävi selväksi, että Higgsin bosonin on oltava äärimmäisen raskas ja todennäköisesti ennen Large Hadron Collider (LHC) rakennettujen laitosten ulottumattomissa.

Muista, että E=mc 2:n mukaan mitä suurempi hiukkasen massa on, sitä enemmän energiaa tarvitaan sen luomiseen.

Kun LHC aloitti tietojen keräämisen vuonna 2010, muilla kiihdyttimillä tehdyt kokeet osoittivat, että Higgsin bosonin massan tulisi olla suurempi kuin 115 GeV/c2. LHC:n kokeiden aikana suunniteltiin etsiä todisteita bosonista massaalueella 115-600 GeV/c2 tai jopa yli 1000 GeV/c2.

Joka vuosi oli kokeellisesti mahdollista sulkea pois bosonit, joilla on suurempi massa. Vuonna 1990 tiedettiin, että vaaditun massan tulisi olla suurempi kuin 25 GeV/c2, ja vuonna 2003 kävi ilmi, että se oli suurempi kuin 115 GeV/c2

Törmäykset Large Hadron Colliderissa voivat tuottaa paljon mielenkiintoisia asioita

Dennis Overbye New York Timesissa puhuu sekunnin biljoonaosan olosuhteiden luomisesta alkuräjähdyksen jälkeen ja sanoo:

« ...[räjähdyksen] jäänteitä tässä kosmoksen osassa ei ole nähty sen jälkeen, kun universumi jäähtyi 14 miljardia vuotta sitten - elämän kevät on ohikiitävä, yhä uudelleen kaikessa mahdollisia vaihtoehtoja ikään kuin maailmankaikkeus olisi omassa versiossaan Groundhog Day -elokuvasta»

Yksi näistä "jäännöksistä" voi olla Higgsin bosoni. Sen massan on oltava erittäin suuri, ja sen täytyy hajota alle nanosekunnissa.

Ilmoitus

Puolen vuosisadan odotuksen jälkeen draama muuttui intensiiviseksi. Fyysikot nukkuivat auditorion ulkopuolella istuakseen seminaarissa CERNin laboratoriossa Genevessä.

Kymmenen tuhannen mailin päässä, planeetan toisella puolella, arvostetussa kansainvälisessä hiukkasfysiikan konferenssissa Melbournessa, sadat tiedemiehet kaikkialta maapallo kokoontuivat kuuntelemaan seminaarin lähetystä Genevestä.

Mutta ensin katsotaan taustaa.

Ilotulitus 4. heinäkuuta

4. heinäkuuta 2012 ATLAS- ja CMS-kokeiden johtajat Large Hadron Colliderissa esittelivät ne uusimmat tulokset etsi Higgsin bosonia. Huhuttiin, että he aikoivat raportoida muutakin kuin vain tulosraportin, mutta mitä?

Tosiaankin, kun tulokset esiteltiin, molemmat kokeita suorittaneet yhteistyökumppanit ilmoittivat löytäneensä todisteita "Higgsin bosonin kaltaisen" hiukkasen olemassaolosta, jonka massa on noin 125 GeV. Se oli ehdottomasti hiukkanen, ja jos se ei ole Higgsin bosoni, niin se on erittäin laadukas jäljitelmä siitä.

Todisteet eivät olleet epäselviä.

Higgsin bosoni hajoaa muiksi hiukkasiksi

Higgsin bosoni hajoaa muiksi hiukkasiksi lähes välittömästi sen muodostumisen jälkeen, joten voimme vain tarkkailla sen hajoamistuotteita. Yleisimmät hajoamiset (näkemiemme joukossa) on esitetty kuvassa:

Jokainen Higgsin bosonin vaimenemismuoto tunnetaan "hajoamiskanavana" tai "hajoamismoodina". Vaikka bb-moodi on yleinen, monet muut prosessit tuottavat samanlaisia hiukkasia, joten jos tarkkailet bb:n hajoamista, on erittäin vaikea sanoa, johtuvatko hiukkaset Higgsin bosonista vai jostain muusta. Sanomme, että bb-vaimennustilassa on "leveä tausta".

Parhaat hajoamiskanavat Higgsin bosonin etsimiseen ovat kahden fotonin ja kahden Z-bosonin kanavat.*

*(Teknisesti 125 GeV:n Higgsin bosonin massalla hajoaminen kahdeksi Z-bosoniksi ei ole mahdollista, koska Z-bosonin massa on 91 GeV, jolloin parin massa on 182 GeV, joka on suurempi kuin 125 GeV. havaitsemme hajoamisen Z-bosoniksi ja virtuaaliseksi Z-bosoniksi (Z*), jonka massa on paljon pienempi.)

Higgsin bosonin hajoaminen Z + Z:ksi

Z-bosoneissa on myös useita vaimenemismuotoja, mukaan lukien Z → e+ + e- ja Z → µ+ + µ-.

Z + Z -hajoamistila oli melko yksinkertainen ATLAS- ja CMS-kokeissa, jolloin molemmat Z-bosonit hajosivat toisessa kahdesta moodista (Z → e+ e- tai Z → µ+ µ-). Kuvassa on neljä havaittua Higgsin bosonin hajoamistilaa:

Lopputuloksena on, että joskus tarkkailija näkee (joidenkin sitoutumattomien hiukkasten lisäksi) neljä myonia tai neljä elektronia tai kaksi myonia ja kaksi elektronia.

Miltä Higgsin bosoni näyttäisi ATLAS-ilmaisimessa

Tässä tapauksessa "suihku" (suihku) näytti laskeutuvan ja Higgsin bosoni nousevan, mutta se hajosi melkein välittömästi. Jokaista törmäyskuvaa kutsutaan "tapahtumaksi".

Esimerkki tapahtumasta, jossa Higgsin bosoni voi hajota kauniina animaationa kahden protonin törmäyksestä Large Hadron Colliderissa, voit katsoa sen lähdesivustolla tästä linkistä.

Tässä tapauksessa Higgsin bosoni voidaan tuottaa ja hajoaa sitten välittömästi kahdeksi Z-bosoniksi, jotka puolestaan hajoavat välittömästi (jäljelle jää kaksi myonia ja kaksi elektronia).

Mekanismi, joka antaa hiukkasille massaa

Higgsin bosonin löytö on uskomaton vihje siitä, kuinka perushiukkaset saavat massaa, kuten Higgs, Brout, Engler, Gerald, Karl ja Kibble väittävät. Millainen mekanismi tämä on? Tämä on hyvin monimutkainen matemaattinen teoria, mutta se pääidea voidaan ymmärtää yksinkertaisella analogialla.

Kuvittele tila, joka on täynnä Higgsin kenttää, kuin fyysikot, jotka kommunikoivat rauhallisesti keskenään cocktailien kera...
Yhdessä vaiheessa Peter Higgs astuu sisään ja luo jännitystä liikkumalla huoneen poikki ja houkuttelee joka askeleella joukon faneja...

Ennen huoneeseen tuloaan professori Higgs saattoi liikkua vapaasti. Mutta päästyään huoneeseen, joka oli täynnä fyysikoita, hänen nopeusnsa hidastui. Joukko faneja hidasti hänen liikettä huoneen poikki; toisin sanoen hän sai massaa. Tämä on analogista massattoman hiukkasen kanssa, joka hankkii massaa vuorovaikutuksessa Higgsin kentän kanssa.

Mutta hän halusi vain päästä baariin!

(Analogian idea kuuluu professori David J. Millerille University College Londonista, joka voitti palkinnon Higgsin bosonin helppokäyttöisestä selityksestä - © CERN)

Miten Higgsin bosoni saa oman massansa?

Toisaalta, kun uutinen leviää ympäri huonetta, he muodostavat myös ihmisryhmiä, mutta tällä kertaa yksinomaan fyysikoita. Tällainen ryhmä voi liikkua hitaasti ympäri huonetta. Kuten muutkin hiukkaset, Higgsin bosoni saa massaa yksinkertaisesti olemalla vuorovaikutuksessa Higgsin kentän kanssa.

Higgsin bosonin massan löytäminen

Kuinka löydät Higgsin bosonin massan, jos se hajoaa muiksi hiukkasiksi ennen kuin havaitsemme sen?

Jos päätät koota polkupyörän ja haluat tietää sen massan, sinun tulee laskea yhteen polkupyörän osien massat: kaksi pyörää, runko, ohjaustanko, satula jne.

Mutta jos haluat laskea Higgsin bosonin massan hiukkasista, joihin se hajosi, et voi yksinkertaisesti laskea massoja yhteen. Miksi ei?

Higgsin bosonin hajoamishiukkasten massojen lisääminen ei toimi, koska näillä hiukkasilla on valtava kineettinen energia verrattuna lepoenergiaan (muista, että levossa olevalla hiukkasella on E = mc 2). Tämä johtuu siitä, että Higgsin bosonin massa on paljon suurempi kuin sen hajoamisen lopputuotteiden massat, joten jäljellä oleva energia menee jonnekin, nimittäin hajoamisen jälkeen syntyvien hiukkasten kineettiseen energiaan. Suhteellisuusteoria käskee meitä käyttämään alla olevaa yhtälöä hiukkasjoukon "invariantin massan" laskemiseen hajoamisen jälkeen, mikä antaa meille "emon", Higgsin bosonin, massan:

E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4

Higgsin bosonin massan löytäminen sen hajoamistuotteista

Quantuz-huomautus: tässä olemme hieman epävarmoja käännöksestä, koska siellä on erikoistermejä. Suosittelemme vertaamaan käännöstä lähteeseen varmuuden vuoksi.

Kun puhumme hajoamisesta, kuten H → Z + Z* → e+ + e- + µ+ + µ-, niin edellä esitetyt neljä mahdollista yhdistelmää voivat syntyä sekä Higgsin bosonin hajoamisesta että taustaprosesseista, joten meidän on tarkasteltava näiden yhdistelmien neljän hiukkasen kokonaismassan histogrammia.

Massahistogrammi viittaa siihen, että tarkkailemme valtavaa määrää tapahtumia ja merkitsemme näiden tapahtumien määrän, kun tuloksena oleva invariantti massa saadaan. Se näyttää histogrammilta, koska muuttumattomat massa-arvot on jaettu sarakkeisiin. Kunkin sarakkeen korkeus näyttää tapahtumien määrän, joissa invarianttimassa on vastaavalla alueella.

Voisimme kuvitella, että nämä ovat seurausta Higgsin bosonin hajoamisesta, mutta näin ei ole.

Higgsin bosonitiedot taustalta

Histogrammin punaiset ja violetit alueet osoittavat "taustan", jossa neljän leptonin tapahtumien odotetaan tapahtuvan ilman Higgsin bosonin osallistumista.

Sininen alue (katso animaatio) edustaa "signaali"-ennustetta, jossa neljän leptonin tapahtumien lukumäärä viittaa Higgsin bosonin hajoamisen tulokseen. Signaali sijoitetaan taustan yläosaan, koska saadaksesi ennustetun tapahtumien kokonaismäärän, sinun yksinkertaisesti lasketaan yhteen kaikki mahdolliset tapahtumien mahdolliset seuraukset.

Mustat pisteet osoittavat havaittujen tapahtumien määrän, kun taas pisteiden läpi kulkevat mustat viivat edustavat näiden lukujen tilastollista epävarmuutta. Tietojen nousu (katso seuraava dia) 125 GeV:ssä on merkki uudesta 125 GeV:n hiukkasesta (Higgsin bosoni).

Alkuperäisellä verkkosivustolla on animaatio Higgsin bosonin tietojen kehityksestä sen kerääntyessä.

Higgsin bosonisignaali nousee hitaasti taustan yläpuolelle.

Tietoa Higgsin bosonista, joka hajoaa kahdeksi fotoniksi

Hajoaa kahdeksi fotoniksi (H → γ + γ) tausta on vielä laajempi, mutta signaali erottuu silti selvästi.

Tämä on histogrammi invariantista massasta Higgsin bosonin hajoamisessa kahdeksi fotoniksi. Kuten näet, tausta on erittäin leveä verrattuna edelliseen kaavioon. Tämä johtuu siitä, että kaksi fotonia tuottavia prosesseja on paljon enemmän kuin neljä leptonia.

Punainen katkoviiva näyttää taustan ja paksu punainen viiva taustan ja signaalin summan. Näemme, että tiedot ovat hyvässä sopusoinnussa uuden, noin 125 GeV:n hiukkasen kanssa.

Ensimmäisten tietojen haitat

Tiedot olivat vakuuttavia, mutta eivät täydellisiä, ja niillä oli merkittäviä rajoituksia. Heinäkuun 4. päivään 2012 mennessä ei ollut tarpeeksi tilastoja määrittääkseen nopeuden, jolla hiukkanen (Higgsin bosoni) hajoaa erilaisiksi vähemmän massiivisten hiukkasten ryhmiksi (ns. "haarautumissuhteet"), jotka Standardimalli ennustaa.

"Haaroitussuhde" on yksinkertaisesti todennäköisyys sille, että hiukkanen hajoaa tietyn hajoamiskanavan läpi. Nämä suhteet ennustetaan standardimallilla ja mitataan tarkkailemalla toistuvasti samojen hiukkasten hajoamista.

Seuraava kaavio näyttää parhaat mahdolliset haarautumismittaukset vuodesta 2013 lähtien. Koska nämä ovat Standardimallin ennustamia mittasuhteita, odotusarvo on 1,0. Pisteet ovat nykyiset mitat. Ilmeisesti virhepalkit (punaiset viivat) ovat enimmäkseen edelleen liian suuria vakavien johtopäätösten tekemiseksi. Näitä segmenttejä lyhennetään, kun uutta tietoa vastaanotetaan ja pisteet voivat mahdollisesti siirtyä.

Mistä tiedät, että henkilö tarkkailee Higgsin bosonin ehdokastapahtumaa? On olemassa ainutlaatuisia parametreja, jotka erottavat tällaiset tapahtumat.

Onko hiukkanen Higgsin bosoni?

Vaikka uuden hiukkasen oli havaittu hajoavan, sen tapahtumisnopeus oli vielä epäselvä 4. heinäkuuta mennessä. Ei edes tiedetty, oliko löydetyllä hiukkasella oikeat kvanttiluvut – eli oliko sillä Higgsin bosonin edellyttämä spin ja pariteetti.

Toisin sanoen, heinäkuun neljäntenä päivänä hiukkanen näytti ankalta, mutta meidän piti varmistaa, että se ui kuin ankka ja huusi kuin ankka.

Kaikki Large Hadron Colliderin (sekä Tevatron-törmäitin Fermilabissa) ATLAS- ja CMS-kokeiden tulokset 4. heinäkuuta 2012 jälkeen osoittivat huomattavan yhtäpitävyyden odotettujen haarautumissuhteiden kanssa edellä käsitellyille viidelle vaimennusmoodille ja yhtäpitävyyden odotetun spinin kanssa. (yhtä kuin nolla) ja pariteetti (yhtä +1), jotka ovat perustavanlaatuisia kvanttilukuja.

Näillä vaihtoehdoilla on tärkeä määrittääkseen, onko uusi hiukkanen todellakin Higgsin bosoni vai jokin muu odottamaton hiukkanen. Joten kaikki saatavilla olevat todisteet viittaavat Higgsin bosoniin vakiomallista.

Jotkut fyysikot pitivät tätä pettymyksenä! Jos uusi hiukkanen on Higgsin bosoni vakiomallista, niin vakiomalli on olennaisesti valmis. Ainoa mitä nyt voidaan tehdä, on tehdä mittauksia kasvavalla tarkkuudella siitä, mitä on jo löydetty.

Mutta jos uusi hiukkanen osoittautuu joksikin, jota standardimalli ei ennusta, se avaa oven monille uusille teorioille ja ideoille testattavaksi. Odottamattomat tulokset vaativat aina uusia selityksiä ja auttavat viemään teoreettista fysiikkaa eteenpäin.

Mistä massa tuli maailmankaikkeudesta?

Tavallisessa aineessa suurin osa massasta on atomeissa ja tarkemmin sanottuna protoneista ja neutroneista koostuvassa ytimessä.

Protonit ja neutronit koostuvat kolmesta kvarkista, jotka saavat massansa vuorovaikutuksessa Higgsin kentän kanssa.

MUTTA... kvarkkimassat tuottavat noin 10 MeV, mikä on noin 1 % protonin ja neutronin massasta. Mistä sitten jäljellä oleva massa tulee?

Osoittautuu, että protonin massa syntyy sen muodostavien kvarkkien liike-energiasta. Kuten tietysti tiedät, massa ja energia liittyvät toisiinsa yhtälöllä E=mc 2.

Joten vain pieni osa maailmankaikkeuden tavallisen aineen massasta kuuluu Higgsin mekanismiin. Kuitenkin, kuten näemme seuraavassa osiossa, universumi olisi täysin asumiskelvoton ilman Higgsin massaa, eikä kukaan löytäisi Higgsin mekanismia!

Jos Higgsin kenttää ei olisi?

Jos Higgsin kenttää ei olisi, millainen maailmankaikkeus olisi?

Se ei ole niin ilmeistä.

Varmasti mikään ei sido atomien elektroneja. Ne lentävät erilleen valon nopeudella.

Mutta kvarkeja sitoo vahva vuorovaikutus, eivätkä ne voi olla vapaassa muodossa. Jotkut kvarkkien sidotut tilat saattavat säilyä, mutta protoneista ja neutroneista ei ole selvää.

Kaikki olisi todennäköisesti ydinmateriaalia. Ja ehkä tämä kaikki romahti painovoiman seurauksena.

Fakta, josta olemme varmoja: Universumi olisi kylmä, pimeä ja eloton.
Joten Higgsin bosoni pelastaa meidät kylmästä, pimeästä, elottomasta universumista, jossa ei ole ihmisiä, jotka löytäisivät Higgsin bosonin.

Onko Higgsin bosoni vakiomallin bosoni?

Tiedämme varmasti, että löytämämme hiukkanen on Higgsin bosoni. Tiedämme myös, että se on hyvin samanlainen kuin vakiomallin Higgsin bosoni. Mutta on kaksi seikkaa, joita ei ole vielä todistettu:

1. Huolimatta siitä, että Higgsin bosoni on standardimallista, siinä on pieniä eroja, jotka viittaavat uuden fysiikan olemassaoloon (tällä hetkellä tuntematon).
2. Higgsin bosoneja on enemmän kuin yksi, ja niiden massat vaihtelevat. Tämä viittaa myös siihen, että uusia teorioita tutkittavaksi tulee.

Vain aika ja uudet tiedot paljastavat joko vakiomallin ja sen bosonin puhtauden tai uusia jännittäviä fysikaalisia teorioita.

On olemassa standardimalli, joka kuvaa maailman rakennetta. Yksi komponenteista on Higgsin bosoni. Yksinkertaisesti sanottuna - se on alkuainehiukkanen, joka antaa massaa muille hiukkasille. Mutta miksi sitä tarvitaan? Ja miksi tapahtuma vuonna 2012 aiheutti tällaista resonanssia ja melua tiedepiireissä?

Vakiomalli

Nykyaikaista maailmankuvausta fyysikkojen keskuudessa kutsutaan standardimallin teoriaksi. Se näyttää kuinka alkuainehiukkaset ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Tieteessä on neljä perusvuorovaikutusta:

Gravitaatio.
Vahva.
Heikko.
Sähkömagneettinen.

Standardimalli sisältää vain kolme painovoimaa. Teorian mukaan aineella on kaksi osaa:

Fermions - 12 kappaletta;
Bosonit - 5 kappaletta.

Higgsin bosonista keskusteltiin ensimmäisen kerran vuonna 1964, mutta vuoteen 2012 asti se jäi vain teoriaksi. Tutkijat olivat taipuvaisia uskomaan, että tämä alkuaine oli vastuussa jäljellä olevien hiukkasten massasta. Ja niinpä kokeellisesti todistettiin, että Higgsin bosoni on Higgsin kentän kvantti. antaa kaikelle muulle massaa.

Higgsin bosonihiukkanen löydetty törmätimestä

Etsinnät suoritettiin Tevatron-törmäyttimellä (USA). Vuoden 2011 lopussa löydettiin jälkiä Higgsin bosonin alkuaineesta hajoamisen aikana b-kvarkeiksi. Large Hadron Collider -työssä tämä huomattiin vasta vuotta myöhemmin, vuonna 2012. Näin pitkä aika johtuu siitä, että jälkimmäisestä löytyy myös monia muita elementtejä.

Sitten tulosten tarkistamiseksi he alkoivat metsästää bosonia muilla laitteilla.

Tämän seurauksena puoli vuosisataa vanha teoria vahvistettiin kokeellisesti, ja Bosoni sai nimensä sen ennustajan ja yhden vakiomallin luojan kunniaksi - Peter Higgs . Tällä hetkellä fyysikot luottavat siihen, että he ovat pystyneet todistamaan ja täydentämään puuttuvan linkin maailman rakenteen kuvauksesta.

Kuka on Peter Higgs?

Maailmankuulu brittitieteilijä Peter Higgs syntyi 29. toukokuuta 1929. Hänen isänsä oli BBC:n insinööri.

Perusfaktoja ja elämänjaksoja:

Koulusta lähtien Peter oli kiinnostunut matematiikasta ja fysiikasta, pitäen luentoja ja suosittujen tiedemiesten töitä.
Koulun jälkeen hän tuli King's Collegeen Lontooseen ja valmistui menestyksekkäästi puolustaen väitöskirjaansa fysiikasta.
Vuodesta 1960 lähtien tiedemies alkoi aktiivisesti tutkia Eichiru Nambon ajatusta suprajohtimien symmetrian rikkomisesta. Pian Pietari pystyi perustelemaan teorian, jonka mukaan hiukkasilla on massa. Tässä työssä hän esitti teorian sellaisen alkuainehiukkasen olemassaolosta, jolla on nollakierto, ja kun se on kosketuksissa muiden kanssa, tämä hiukkanen antaa niille massan.
Hän löysi myös mekanismin, joka selittää symmetrian rikkomisen. On huomionarvoista, että hän pystyi keksimään sen kävellessään vuorilla Edinburghin alueella. Tämä mekanismi on tärkeä osa vakiomallia.
Vuonna 2013, hänen vielä elossa, löydettiin kokeellinen vahvistus hänen teorialleen ja löydettiin nollaspin omaava alkuaine, joka nimettiin Higgsin bosoniksi. Tiedemies itse haastattelussa sanoi, ettei hän toivonut saavansa tätä hetkeä kiinni elämänsä aikana.
Monien palkintojen voittaja, tunnetuin: Dirac-mitali, Wolf-fysiikkapalkinto, Nobel-palkinto.

Mikä hiukkanen tämä on ja miten etsintä eteni?

Tätä bosonia on etsitty lähes puoli vuosisataa. Tämä johtuu siitä, että kokeilu on teoriassa yksinkertainen, mutta todellisuudessa monimutkainen. Kokeet suoritettiin useilla laitteilla:

elektroni-positronin törmäyskone;
tevatron;
Large Hadron Collider (LHC).

Mutta törmäimen teho ja ominaisuudet eivät riittäneet. Kokeita tehtiin säännöllisesti, mutta ne eivät tuottaneet tarkkoja tuloksia. Lisäksi Higgs-elementti itsessään on raskas, se jättää vain jälkiä hajoamisesta.

Kokeeseen tarvittiin kaksi protonia, jotka liikkuvat lähes valon nopeudella. Sitten tapahtuu suora törmäys. Tämän seurauksena ne hajoavat komponenteiksi ja ne puolestaan toissijaisiksi elementeiksi. Tässä Higgsin bosonin pitäisi ilmestyä.

Pääpiirre ja este, joka esti meitä todistamasta Higgsin kentän olemassaoloa käytännössä, on se, että hiukkanen ilmestyy erittäin lyhyeksi ajaksi ja katoaa. Mutta se jättää jälkiä, joiden ansiosta tutkijat pystyivät vahvistamaan sen todellisuuden.

Kokeellinen monimutkaisuus ja löytö

Kokeen vaikeus ei ollut vain Higgsin bosonin vangitseminen ajoissa, vaan myös sen tunnistaminen. Ja tämä ei ole helppoa, koska se jakautuu eri osiin:

Kvarkki-antikvarkki.
W bosonit.
Leptonit.
Tau-hiukkasia.
Fermions.
Fotonit.

Näistä komponenteista on erittäin vaikeaa ja jopa mahdotonta tunnistaa Higgsin kentän jälkiä. Törmäyskone havaitsee suurella todennäköisyydellä hiukkasen siirtymisen neljäksi leptoniksi. Mutta jopa tässä todennäköisyys on vain 0,013%.

Tämän seurauksena tutkijat pystyivät tunnistamaan jälkiä halutusta bosonista ja todistamaan sen olemassaolon lukuisten kokeiden avulla. Kuten Peter H ennusti, tämä on spin-nolla-elementti, jonka massaenergia-alue on noin 125 GeV. Se hajoaa muiden komponenttien pareiksi (fotoneiksi, fermioneiksi jne.) ja antaa massaa kaikille muille hiukkasille.

Löytö tietysti aiheutti tunteita, mutta samalla myös pettymyksiä. Loppujen lopuksi käy ilmi, että tiedemiehet eivät kyenneet ylittämään Standardimallin rajoja, uutta kierrosta tieteen tutkimukselle ja suunnalle ei ilmestynyt. Ja olemassa oleva teoria ei ota huomioon joitain tärkeitä kohtia: painovoima, musta aine ja muut todellisuuden prosessit.

Tällä hetkellä asiantuntijat työskentelevät teorian parissa näiden ilmiöiden esiintymisestä ja niiden roolista maailmankaikkeudessa.

Higgsin bosonin löytämisen jälkeen tutkijat aloittivat jälleen työskennellä, kuinka antimateriaali kehittyy pimeäksi energiaksi. Ja tämä elementti on tämän prosessin keskeinen osa. Fyysikot toivovat, että tästä löydöstä tulee silta ja uusia vastauksia jännittäviin kysymyksiin maailmankaikkeuden toiminnasta löydetään.

Yksinkertaisesti sanottuna Higgsin bosoni on hiukkanen, joka antaa kaiken muun massan. Vuonna 2012 saadun kokeellisen vahvistuksen ansiosta tutkijat pääsivät lähemmäksi maailmankaikkeuden luomisen ratkaisua.

Video: yksinkertaisesti kompleksista - mikä on Higgsin bosoni?

Tässä videossa fyysikko Arnold Daver kertoo, kuinka ja miksi tämä hiukkanen löydettiin ja miksi oli tarpeen rakentaa hadronitörmätäjä:

Simulaatio, joka näyttää Higgsin bosonin ilmestymisen kahden protonin törmääessä

Higgsin bosoniHiggsin bosoni

Higgsin bosoni on alkuainehiukkanen, jonka luontoa on erittäin vaikea ymmärtää ilman alustava valmistelu ja ymmärtää maailmankaikkeuden fysikaaliset ja tähtitieteelliset peruslait.

Higgsin bosonilla on monia ainutlaatuisia ominaisuuksia, joiden ansiosta se sai toisen nimen - jumalahiukkasen. Avoimessa kvantissa on väri- ja sähkövarauksia, ja sen spin on itse asiassa nolla. Tämä tarkoittaa, että sillä ei ole kvanttikiertoa. Lisäksi bosoni osallistuu täysin gravitaatioreaktioihin ja on taipuvainen hajoamaan b-kvarkin ja b-antikvarkin pareiksi, fotoneiksi, elektroneiksi ja positroneiksi yhdessä neutriinojen kanssa. Näiden prosessien parametrit eivät kuitenkaan ylitä 17 megaelektronivoltin (MeV) leveyttä. Yllä olevien ominaisuuksien lisäksi Higgsin hiukkanen pystyy hajoamaan leptoneiksi ja W-bosoneiksi. Mutta valitettavasti ne eivät näy tarpeeksi hyvin, mikä vaikeuttaa merkittävästi ilmiön tutkimista, valvontaa ja analysointia. Kuitenkin niinä harvoina hetkinä, jolloin ne kuitenkin pystyttiin tallentamaan, oli mahdollista todeta, että ne vastaavat täysin tällaisille tapauksille tyypillisiä alkuainehiukkasten fyysisiä malleja.

Ennuste ja historia Higgsin bosonin löytämisestä

Feynman-kaavio, joka esittää W- tai Z-bosonien mahdollista tuotantoa, jotka muodostavat vuorovaikutuksessa neutraalin Higgsin bosonin

Vuonna 2013 englantilainen Peter Higgs ja Belgian kansalainen François Englert saivat fysiikan Nobel-palkinnon sellaisen mekanismin löytämisestä ja olemassaolon perustelemisesta, jonka avulla voidaan ymmärtää, miten ja mistä alkuainehiukkasmassat ovat peräisin. Kuitenkin kauan ennen tätä oli jo tehty erilaisia kokeita ja yrityksiä löytää Higgsin bosoni. Vuonna 1993 vuonna Länsi-Eurooppaa samanlaiset tutkimukset aloittivat suuren elektroni-positronitörmäyttimen tehon. Mutta lopulta he eivät pystyneet siihen kokonaan tuovat järjestäjien odottamat tulokset tämä projekti. Osallistuin myös asian selvittämiseen. Venäjän tiede. Siis vuosina 2008-2009. Pieni ryhmä JINR-tieteilijöitä teki tarkennetun laskelman Higgsin bosonin massasta. Äskettäin, keväällä 2015, yhteistyöt olivat kaikkien tuttuja tieteellinen maailma, ATLAS ja CMS, säätelivät jälleen Higgsin bosonin massaa, joka tämän tiedon mukaan on suunnilleen 125,09 ± 0,24 gigaelektronivolttia (GeV).

Kokeet Higgsin bosonin parametrien etsimiseksi ja arvioimiseksi

Kuten edellä mainittiin, ensimmäiset etsintä- ja arviointikokeet bosonin massan määrittämiseksi alkoivat jo vuonna 1993. Kattava tutkimus, suoritettiin suuressa elektroni-positronitörmäyttimessä, valmistui vuonna 2001. Tästä kokeesta saatuja tuloksia korjattiin edelleen vuonna 2004. Päivitettyjen laskelmien mukaan sen massan yläraja oli 251 gigaelektronivolttia (GeV). Vuonna 2010 hajoamisen aikana ilmaantuvien b-mesonien, muuonien ja antimuonien määrässä havaittiin 1 % ero.

Tilastollisista puutteista huolimatta Large Hadron Colliderin tietoja on saatu säännöllisesti vuodesta 2011 lähtien. Tämä antoi toivoa virheellisten tietojen korjaamisesta. Vuotta myöhemmin löydetty uusi alkuainehiukkanen, jolla oli identtinen pariteetti ja kyky hajota Higgsin bosonin kanssa, joutui vakavan kritiikin ja epäilyn kohteeksi vuonna 2013. Kaiken kertyneen datan käsittely johti kuitenkin kauden loppuun mennessä yksiselitteisiin johtopäätöksiin: uusi löydetty hiukkanen on epäilemättä haluttu Higgsin bosoni ja kuuluu standardifysikaaliseen malliin.

Mielenkiintoisia faktoja Higgsin bosonista

Suuri hadronitörmätin. Yksi projektin päätavoitteista on kokeellinen todiste Higgsin bosonin olemassaolosta ja sen tutkimuksesta

Yksi mielenkiintoisimmista ja uskomattomia faktoja Higgsin bosonista on se, että sitä ei itse asiassa ole luonnossa. Näin ollen tämä hiukkanen, toisin kuin muut peruselementit, ei sijaitse meitä ympäröivässä tilassa. Tämä selittyy sillä, että Higgsin bosoni katoaa melkein heti syntymänsä jälkeen. Tämä välitön metamorfoosi tapahtuu hiukkasen hajoamisen kautta. Lisäksi bosonilla ei ole lyhimmän olemassaolonsa aikana edes aikaa olla vuorovaikutuksessa minkään muun kanssa.

Erittäin mielenkiintoisia ja huomiota herättäviä faktoja ovat myös niin sanotut "lempinimet", jotka annettiin Higgsin bosonille. Järkyttävät nimet tulivat julkisuuteen median ansiosta. Yhden niistä loi äskettäin löydetty kvantti Leon Lederman, Nobel-palkinnon voittaja, ja se kuulosti "helvetin hiukkaselta". Toimittaja ei kuitenkaan sisällyttänyt sitä painettuun painokseen, ja se korvattiin sanoilla "Jumalan hiukkanen" tai "Jumalan hiukkanen".

Muut Higgsin bosonin massanimet

Huolimatta Ledermanin Higgsin bosonille annettujen "lempinimien" suosiosta, valtaosa tutkijoista ei hyväksy niitä ja käyttävät useammin toista "yleistä" nimeä. Se tarkoittaa "samppanjapullon bosonia". Perusta tällaisen terminologian esiintymiselle Higgsin bosonin nimityksessä oli sen monimutkaisen kentän tietty samankaltaisuus lasisamppanjapullon pohjan kanssa. Yhtä tärkeä "kurja" tiedemiehille on allegorinen vertailu, joka vihjaa runsaaseen samppanjan juomiseen tärkeän hiukkasen löytämisen yhteydessä.

On myös syytä kiinnittää huomiota siihen, että on olemassa ns. Higgs-vapaita fyysisiä malleja, jotka on kehitetty jo ennen bosonin löytämistä. Ne tarkoittavat eräänlaista standardin laajentamista.

Nykytiede ei seiso paikallaan, vaan kehittyy jatkuvasti ja tasaisesti. Nykypäivän fysiikassa ja siihen liittyvillä aloilla kertynyt tieto on mahdollistanut paitsi ennustamisen, myös itse asiassa Higgsin bosonin löytämisen. Mutta sen ominaisuuksien tutkimus ja saadun tiedon käyttöalueiden nimeäminen on vasta alkuvaiheessa. Siksi nykyaikaisilla fyysikoilla ja tähtitieteilijöillä on vielä paljon työtä ja kokeita tehtävänä tämän universumin perustavanlaatuisen hiukkasen tutkimuksessa.

Me Quantuz-tiimi (yritetään liittyä GT-yhteisöön) tarjoamme käännöksemme Higgsin bosonille omistetusta particleadventure.org-sivuston osiosta. Tästä tekstistä olemme jättäneet pois epätietoiset kuvat (katso täysi versio alkuperäisestä). Materiaali kiinnostaa kaikkia, jotka ovat kiinnostuneita soveltavan fysiikan viimeisimmistä saavutuksista.

Higgsin bosonin rooli

1964 teoria

bosoni

Mikä on bosonin massa?

Muista, että E=mc 2:n mukaan mitä suurempi hiukkasen massa on, sitä enemmän energiaa tarvitaan sen luomiseen.

Törmäykset Large Hadron Colliderissa voivat tuottaa paljon mielenkiintoisia asioita

Dennis Overbye New York Timesissa puhuu sekunnin biljoonaosan olosuhteiden luomisesta alkuräjähdyksen jälkeen ja sanoo:

« ...[räjähdyksen] jäänteitä tässä kosmoksen osassa ei ole nähty sen jälkeen, kun universumi jäähtyi 14 miljardia vuotta sitten - elämän kevät on ohikiitävä, yhä uudelleen ja uudelleen kaikissa mahdollisissa muunnelmissaan, ikään kuin maailmankaikkeus osallistuivat omaan versioonsa elokuvasta Groundhog Day»

Yksi näistä "jäännöksistä" voi olla Higgsin bosoni. Sen massan on oltava erittäin suuri, ja sen täytyy hajota alle nanosekunnissa.

Ilmoitus

Puolen vuosisadan odotuksen jälkeen draama muuttui intensiiviseksi. Fyysikot nukkuivat auditorion ulkopuolella istuakseen seminaarissa CERNin laboratoriossa Genevessä.

Kymmenen tuhannen mailin päässä, planeetan toisella puolella, Melbournessa pidettyyn arvostettuun kansainväliseen hiukkasfysiikan konferenssiin, sadat tiedemiehet eri puolilta maailmaa kokoontuivat kuuntelemaan seminaarin lähetystä Genevestä.

Mutta ensin katsotaan taustaa.

Ilotulitus 4. heinäkuuta

4. heinäkuuta 2012 ATLAS- ja CMS-kokeiden johtajat Large Hadron Colliderissa esittelivät uusimmat tulokset Higgsin bosonin etsinnästä. Huhuttiin, että he aikoivat raportoida muutakin kuin vain tulosraportin, mutta mitä?

Todisteet eivät olleet epäselviä.

Higgsin bosoni hajoaa muiksi hiukkasiksi

Parhaat hajoamiskanavat Higgsin bosonin etsimiseen ovat kahden fotonin ja kahden Z-bosonin kanavat.*

Higgsin bosonin hajoaminen Z + Z:ksi

Z-bosoneissa on myös useita vaimenemismuotoja, mukaan lukien Z → e+ + e- ja Z → µ+ + µ-.

Lopputuloksena on, että joskus tarkkailija näkee (joidenkin sitoutumattomien hiukkasten lisäksi) neljä myonia tai neljä elektronia tai kaksi myonia ja kaksi elektronia.

Miltä Higgsin bosoni näyttäisi ATLAS-ilmaisimessa

Tässä tapauksessa "suihku" (suihku) näytti laskeutuvan ja Higgsin bosoni nousevan, mutta se hajosi melkein välittömästi. Jokaista törmäyskuvaa kutsutaan "tapahtumaksi".

Esimerkki tapahtumasta, jossa Higgsin bosoni voi hajota kauniina animaationa kahden protonin törmäyksestä Large Hadron Colliderissa, voit katsoa sen lähdesivustolla tästä linkistä.

Tässä tapauksessa Higgsin bosoni voidaan tuottaa ja hajoaa sitten välittömästi kahdeksi Z-bosoniksi, jotka puolestaan hajoavat välittömästi (jäljelle jää kaksi myonia ja kaksi elektronia).

Mekanismi, joka antaa hiukkasille massaa

Higgsin bosonin löytö on uskomaton vihje siitä, kuinka perushiukkaset saavat massaa, kuten Higgs, Brout, Engler, Gerald, Karl ja Kibble väittävät. Millainen mekanismi tämä on? Tämä on hyvin monimutkainen matemaattinen teoria, mutta sen pääidea voidaan ymmärtää yksinkertaisella analogialla.

Mutta hän halusi vain päästä baariin!

(Analogian idea kuuluu professori David J. Millerille University College Londonista, joka voitti palkinnon Higgsin bosonin helppokäyttöisestä selityksestä - © CERN)

Miten Higgsin bosoni saa oman massansa?

Higgsin bosonin massan löytäminen

Kuinka löydät Higgsin bosonin massan, jos se hajoaa muiksi hiukkasiksi ennen kuin havaitsemme sen?

Jos päätät koota polkupyörän ja haluat tietää sen massan, sinun tulee laskea yhteen polkupyörän osien massat: kaksi pyörää, runko, ohjaustanko, satula jne.

Mutta jos haluat laskea Higgsin bosonin massan hiukkasista, joihin se hajosi, et voi yksinkertaisesti laskea massoja yhteen. Miksi ei?

E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4

Higgsin bosonin massan löytäminen sen hajoamistuotteista

Quantuz-huomautus: tässä olemme hieman epävarmoja käännöksestä, koska siellä on erikoistermejä. Suosittelemme vertaamaan käännöstä lähteeseen varmuuden vuoksi.

Voisimme kuvitella, että nämä ovat seurausta Higgsin bosonin hajoamisesta, mutta näin ei ole.

Higgsin bosonitiedot taustalta

Histogrammin punaiset ja violetit alueet osoittavat "taustan", jossa neljän leptonin tapahtumien odotetaan tapahtuvan ilman Higgsin bosonin osallistumista.

Alkuperäisellä verkkosivustolla on animaatio Higgsin bosonin tietojen kehityksestä sen kerääntyessä.

Higgsin bosonisignaali nousee hitaasti taustan yläpuolelle.

Tietoa Higgsin bosonista, joka hajoaa kahdeksi fotoniksi

Hajoaa kahdeksi fotoniksi (H → γ + γ) tausta on vielä laajempi, mutta signaali erottuu silti selvästi.

Punainen katkoviiva näyttää taustan ja paksu punainen viiva taustan ja signaalin summan. Näemme, että tiedot ovat hyvässä sopusoinnussa uuden, noin 125 GeV:n hiukkasen kanssa.

Ensimmäisten tietojen haitat

Mistä tiedät, että henkilö tarkkailee Higgsin bosonin ehdokastapahtumaa? On olemassa ainutlaatuisia parametreja, jotka erottavat tällaiset tapahtumat.

Onko hiukkanen Higgsin bosoni?

Toisin sanoen, heinäkuun neljäntenä päivänä hiukkanen näytti ankalta, mutta meidän piti varmistaa, että se ui kuin ankka ja huusi kuin ankka.

Nämä parametrit ovat tärkeitä määritettäessä, onko uusi hiukkanen todella Higgsin bosoni vai jokin muu odottamaton hiukkanen. Joten kaikki saatavilla olevat todisteet viittaavat Higgsin bosoniin vakiomallista.

Mistä massa tuli maailmankaikkeudesta?

Tavallisessa aineessa suurin osa massasta on atomeissa ja tarkemmin sanottuna protoneista ja neutroneista koostuvassa ytimessä.

Protonit ja neutronit koostuvat kolmesta kvarkista, jotka saavat massansa vuorovaikutuksessa Higgsin kentän kanssa.

MUTTA... kvarkkimassat tuottavat noin 10 MeV, mikä on noin 1 % protonin ja neutronin massasta. Mistä sitten jäljellä oleva massa tulee?

Osoittautuu, että protonin massa syntyy sen muodostavien kvarkkien liike-energiasta. Kuten tietysti tiedät, massa ja energia liittyvät toisiinsa yhtälöllä E=mc 2.

Jos Higgsin kenttää ei olisi?

Jos Higgsin kenttää ei olisi, millainen maailmankaikkeus olisi?

Se ei ole niin ilmeistä.

Varmasti mikään ei sido atomien elektroneja. Ne lentävät erilleen valon nopeudella.

Mutta kvarkeja sitoo vahva vuorovaikutus, eivätkä ne voi olla vapaassa muodossa. Jotkut kvarkkien sidotut tilat saattavat säilyä, mutta protoneista ja neutroneista ei ole selvää.

Kaikki olisi todennäköisesti ydinmateriaalia. Ja ehkä tämä kaikki romahti painovoiman seurauksena.

Onko Higgsin bosoni vakiomallin bosoni?

Vain aika ja uudet tiedot paljastavat joko vakiomallin ja sen bosonin puhtauden tai uusia jännittäviä fysikaalisia teorioita.

Äskettäin fanfaari vaimeni suuren tieteellisen tapahtuman - Higgsin bosonin löytämisen - johdosta. He jakoivat palkintoja, iloitsivat yhdessä tiedemiesten kanssa, mutta... Yksi asia on siis edelleen epäselvä: miksi tarvitsemme juuri tätä bosonia? Miksi fyysikot etsivät häntä niin kauan ja sitkeästi? Osoitimme nämä kysymykset Lebedevin fyysisen instituutin korkean energian elektronien laboratorion johtavalle tutkijalle Sergei Pavlovich Baranoville.

On kulunut paljon aikaa siitä, kun CERNin seminaarissa ilmoitettiin uuden hiukkasen löytämisestä (4. heinäkuuta 2012). Todisteet kuuluisan bosonin löytämisestä ovat sittemmin vahvistuneet ja täydellisempiä.

Tietysti on vielä kaksi itsenäistä kokeellista laitosta (ATLAS ja CMS) - molempien ainutlaatuisuudesta johtuen sekä koko LHC-kiihdytin - mutta jokaisessa yhteistyössä uusien tietojen kertyminen ja käsittely aiemmin kertynyt data on jatkunut koko tämän ajan. Tähän mennessä tämän työn tulokset ovat johtaneet seuraavaan.

Uusi hiukkanen H havaitaan kuudessa hajoamiskanavassa: kahteen Z-bosoniin, joista toinen on virtuaalinen (H → ZZ*); kahdeksi W-bosoniksi, joista toinen on virtuaalinen (H → WW*); kahdeksi fotoniksi (H → γγ); kauniille (alias kauniille) kvarkeille (H → ); tau leptoneihin (H → τ+τ –); Z-bosonissa ja fotonissa(H → Zγ).

Erilaisten hajoamisten todennäköisyyksien välinen suhde vastaa hyvin teoreettiset odotukset. Bosonilla on oikeat kvanttiluvut 97,8 %:n luottamustasolla: nollaspin ja positiivinen pariteetti. Hajoaminen kahdeksi fotoniksi sulkee pois yhden suuruisen spinin mahdollisuuden, ja hajoamistuotteiden kulmajakaumien perusteella muissa moodeissa spin on myös suljettu pois.

Yleisesti ottaen ei ole mitään valittamista, ja jäljellä on vain ymmärtää, mitä tämä bosoni tarkoittaa elämässämme. Ymmärrä - tämä koskee sinua ja minua, fyysikot ovat jo ymmärtäneet.

Säteen törmäysvyöhyke Large Hadron Colliderissa ja siinä sijaitsevassa ATLAS-ilmaisimessa ()

– Sergei Pavlovich, saa sellaisen vaikutelman, että Higgsin bosoni on hyvin "tärkeä henkilö", jota fyysikot ovat jahtaneet niin kauan ja erittäin sinnikkäästi. Mutta miksi häntä tarvittiin niin paljon?

– Todellakin, kesti kauan päästä Higgsin bosonin löytämiseen. Leon Lederman, joka oli käyttänyt kärsivällisyytensä, jopa nimesi bosonin yhdessä artikkelissaan " Helvetin hiukkanen", eli "kirottu hiukkanen" viittaa bosonin vaikeaselkoisuuteen. Lehden toimittaja jätti sanan "kirottu" jättäen "Jumalan" - se osoittautui "Jumalan hiukkaseksi". Toimittajat nappasivat tarttuvan epiteetin ja jäivät kiinni. Minusta tässä tarinassa yllättävintä on, että Higgsin bosonia ei tarvita luonto, vaan matemaatikot. Mutta ensin asiat ensin.

Ennakkoluulo

On olemassa mielipide, että Higgsin bosonin löytö selvensi jotain varhainen historia Universumi ja jopa valaisevat sen alkuperää. Tämä ei ole täysin totta. Nykyaikaisten käsitysten mukaan Higgsin bosoni (tai kenttä) on todellakin vastuussa maailmankaikkeuden nopeasta laajenemisesta alkuräjähdystä edeltävänä aikana (ns. "inflaatio" tai "paisuminen"), mutta se ei seuraa mistään että CERNissä hiljattain löydetty bosoni on sama bosoni. Se voi hyvinkin olla eri bosoni. Nimi Higgsin bosonit on yhteisnimitys kokonaiselle hiukkasluokalle (kentille), joilla on tiettyjä ominaisuuksia, kun taas eri bosonien rooli luonnossa voi olla täysin erilainen. Joka tapauksessa vaatimuksilla, jotka asetamme tuolle "kosmologiselle" bosonille ja nykyiselle "CERNille", on hyvin vähän yhteistä toistensa kanssa.

Kaavio säteen törmäyksistä Large Hadron Collider -tunnelissa,
joka johti Higgsin bosonin löytämiseen

On toinenkin suosittu uskomus, että Higgsin bosoni selittää, mistä hiukkaset saavat massansa, ja että tämä on sen tärkein arvo teorialle. Tämä on myös selvitettävä. Hän selitti sen, mutta teoriassa selittämättömien suureiden määrä ei vähentynyt. Tapahtui jotain uudelleen merkitsemisen kaltaista. Aiemmin, esi-Higgs-aikakaudella, tiesimme, että alkuainehiukkasilla on massa (jokaisella hiukkastyypillä on oma), mutta emme tienneet, miksi tämän massan suuruus on täsmälleen mitä se on. Nykyisessä "Higgsin" terminologiassa sanomme, että havaitut hiukkasmassat ovat seurausta niiden vuorovaikutuksesta Higgsin kentän kanssa; tämän vuorovaikutuksen voimakkuuden määrää vastaavan kytkentävakion arvo (vakio on tiukasti verrannollinen massaan), mutta emme vieläkään tiedä, miksi nämä vakiot ovat tarkalleen mitä ne ovat. Kuinka monta massaa - niin monta vakiota.

Lisäksi tällaisten yleisten hiukkasten, kuten protonin ja neutronin, joista atomit rakennetaan - ja siksi kaikki, mitä me kutsumme aineeksi - massasta 99% johtuu ns. kvarkkigluonikondensaatista, eikä ollenkaan Higgsin bosonista. . Tässä suhteessa tieteen mielipide ei ole muuttunut: se oli niin ennen bosonin löytämistä, ja se on edelleen niin. Tarkkaan ottaen Higgsin mekanismi on vastuussa vain hiukkasmassoista, jotka ovat heikon vuorovaikutuksen kvantteja (W + , W – ja Z 0 bosonit), leptonien massoista (mukaan lukien elektroni) ja ns. kvarkkimassan komponentti. Tämän nykyisen massan osuus kokonaismassasta (kutsutaan "ainesosaksi") on erilainen eri kvarkeilla. Kvarkit muodostavat muita hiukkasia, hadroneja; Niitä on paljon (mukaan lukien protoni ja neutroni), mutta komposiittihiukkasten rakenteen käsitteleminen on erillinen tarina, emme ehdi käsitellä kaikkea yhdessä artikkelissa.

Palataan "oikeisiin alkeishiukkasiin" - W ± ja Z -bosoneihin, leptoneihin, kvarkeihin. Heidän koko sarjansa Higgs-mekanismin keksimisen jälkeen alkoi käyttäytyä eri tavalla, eri tavalla kuin luulimme ennen, ja tämä antoi meille mahdollisuuden rakentaa matemaattisesti johdonmukainen teoria heikkoja vuorovaikutuksia. Tässä Higgs tulee omaan muotoonsa.

Pre-Higgs-ongelmia

Mutta ymmärtääksemme, mitä ongelmia teoria kohtasi ja kuinka Higgsin bosoni auttoi niitä voittamaan, puhutaan ensin teoriasta, jossa nämä ongelmat ratkaistiin ilman Higgsin bosonin apua - enemmän tai vähemmän tutusta sähköteoriasta (elektrodynamiikka) ). Koulussa käyneet saattavat muistaa Coulombin lain: pistevarauksen synnyttämä sähkökentän voimakkuus käyttäytyy varauksen etäisyyden käänteisenä neliönä (E ~ r –2). Sähkökenttä on materiaalinen esine, ja siihen liittyy tilavuusenergiatiheys, joka on verrannollinen kentänvoimakkuuden neliöön. Jos haluamme laskea kentän kokonaisenergian, niin tämä energiatiheys on integroitava koko avaruuteen - kaikilla etäisyyksillä nollasta äärettömään - ja sitten näemme, että integraali hajoaa (ja pienillä etäisyyksillä, mikä on synonyymi suurilla energioilla). Tämä tarkoittaa, että pistevarauksen synnyttämän kentän kokonaisenergia kääntyy äärettömyyteen, ja Einsteinin suhteen mukaan missä energia on, on massaa, mikä tarkoittaa minkä tahansa pistevarautuneen hiukkasen (esimerkiksi elektronin) massan. olla ääretön - ristiriidassa tosiasioiden kanssa! Tarkkaan ottaen emme voi taata, että elektroni on todella pistemäinen, mutta joka tapauksessa sen säde (jos sellainen on) on tunnettujen mittausten mukaan monta suuruusluokkaa pienempi kuin arvo, joka sillä pitäisi olla, jos elektronin koko massa johtuivat sen luoman kentän energiasta.

Tämä ongelma ratkaistaan käyttämällä matemaattista tekniikkaa, jota kutsutaan renormalisaatioksi. Tekniikan ydin on, että määritämme elektronille äärettömän suuren negatiivisen "siemenmassan" ja oletamme, että ääretön negatiivinen siemenosuus, joka lisätään Coulombin kentän äärettömään positiiviseen panokseen, antaa täsmälleen hiukkasen havaitun massan. Olipa se kaunista tai ei, näin luomme pelisäännöt äärettömyyden pienentämiseen ja tästä lähtien voimme tehdä laskelmia yksiselitteisesti ilman ristiriitoja. Ja sitten vertaa laskentatuloksia mittaustuloksiin. Ja tähän mennessä sopimus on kaikissa tapauksissa ollut yksinkertaisesti hämmästyttävä. Ja se, että "siemenmassa" on negatiivinen, ei ole ongelma. Eihän "siemenen" eikä "kentän" massaa mitata erikseen, koska emme periaatteessa koskaan voi erottaa varattua hiukkasta sen luomasta kentästä. Tämä tarkoittaa, että mikään näistä "massoista" ei ole fyysinen suure sinänsä, ja vain niiden summalla on fyysinen merkitys.

Massan lisäksi sähködynamiikassa on kaksi muutakin divergenttityyppiä, joten vuorovaikutusvakio fotonin kanssa (elektronivaraus) ja fotoniaaltofunktio on myös normalisoitava uudelleen. Mutta kun olemme tehneet "sopimuksen omantunnon kanssa" kolme kertaa, saamme täydelliset pelisäännöt kaikkiin tilanteisiin. Sähködynamiikassa on hieno lause: riippumatta siitä, kuinka monimutkaisia laskelmat ovat, mitään uudentyyppisiä eroja ei tule koskaan syntymään, kaikki riippuu välttämättä näistä kolmesta, joista olemme jo sopineet. Teorioita, joissa kaikki erot eliminoidaan äärellisellä määrällä sopimuksia, kutsutaan uudelleennormalisoitaviksi.

Heikkojen vuorovaikutusten teoria on yleensä rakennettu sähködynamiikan mallille, mutta siinä on joitakin tärkeitä eroja. Jostain syystä luonto tarvitsi fotonin kaltaisia hiukkasia, jotka ovat vastuussa heikkojen vuorovaikutusten siirtymisestä (eli W + , W - ja Z -bosonit), jotta ne olisivat massiivisia, toisin kuin fotoni. Tämä on kokeellinen tosiasia - koska kaikki mainitut bosonit löydetään ja niiden massat mitataan - ja sillä on vakavimmat seuraukset uudelleennormalisoitavuudelle. Nimittäin kun laskelmat monimutkaistuvat, voi syntyä ääretön määrä ongelmia. suuri määrä uudentyyppiset erot, jotka edellyttävät näin ollen äärettömän määrän uusia sääntöjä niiden käsittelemiseksi. On selvää, että tätä ei voi enää kutsua teoriaksi, eikä sen ennustusvoimasta ole jäänyt mitään jäljelle. Higgsin bosoni auttoi palauttamaan sen renormalisoitavan armon, josta nautimme elektrodynamiikasta. Katsotaan kuinka hän onnistui - ja tätä varten meidän on tehtävä vielä kaksi vetäytymistä.

Mikä on tyhjiö

Kun puhutaan Higgsin bosonin ominaisuuksista, meidän on hylättävä monia tuttuja ajatuksia. Erityisesti tyhjiön näkemys tyhjänä tilana (sen nimi, jolla on venäjäksi yhteinen juuret "evakuointi" ja "vakanssi") muistuttaa meitä tyhjiön "tyhjyydestä". Nykyajan määritelmässä tyhjiö ei ole tyhjiö, vaan tila, jolla on mahdollisimman pieni energia. Tässä tapauksessa tyhjiö voidaan täyttää mitä erilaisimmilla fysikaalisilla kentillä. Ajatukset tyhjiöstä aineellisena ympäristönä alkoivat muotoutua 1900-luvun alkupuoliskolla. Ja nykyään tyhjiö on täynnä kaikkea - tässä on Dirac-elektronimeri (jonka reikiä kutsutaan positroneiksi), ja kaikkien luonnossa olevien kenttien väistämättömät kvanttivaihtelut ja jo mainittu gluonikondensaatti... ja, Lopuksi Higgsin bosoni. Saatat kysyä, kuinka saatoimme elää ennen emmekä tienneet tyhjiön materiaalitäytöstä? Ja suunnilleen samalla tavalla kuin voisimme elää emmekä tietäisi ilmanpaineesta. Yritä laittaa itsellesi niin monta ämpäriä vettä, että ne saavuttavat kymmenen metrin korkeuden - tämä on täsmälleen yhden ilmakehän paine. Mutta emme tunne sitä, koska paine vaikuttaa meihin joka puolelta ja voimat kumoavat toisensa. Emme huomaa itse painetta, vaan vain sen eroa, esimerkiksi tuulen puhaltaessa. Samalla tavalla emme huomaa Higgsin kondensaatin "ilmapiiriä" sen ollessa tyyni. Mutta kun aallot vaeltavat siinä, rekisteröimme virityksen ja kutsumme sitä hiukkasiksi - Higgsin bosoneiksi, aivan kuten kutsumme sähkömagneettisia aaltoja fotoneiksi.

Kun oletamme (tai oletamme) Higgsin kentän olemassaolon, annamme sille myös tiettyjä ominaisuuksia. Nimittäin, että tämä kenttä on vuorovaikutuksessa itsensä kanssa ja siten, että energiatiheyden riippuvuus kentänvoimakkuudesta näyttää kuvan 1 kaltaiselta. Tämän tyyppinen potentiaalienergia ei seuraa mistään, tämä on juuri postulaatti tai teorian lähtökohta: oletetaan, että kenttien ominaisuudet ovat seuraavat, ja katsotaan mitä merkittäviä seurauksia tästä syntyy.

Kuva 1. Energiatiheyden U riippuvuus kentänvoimakkuudesta H (Higgsin kenttä)

Kuva, jossa on yksiulotteinen akseli kentän magnitudille, on tietysti yksinkertaistettu suuresti: Higgsin kenttä voi ottaa paitsi todellisia, myös monimutkaisia arvoja. Lisäksi sillä on heikko isotooppinen spin, eli se voi viedä eri suuntiin heikon isotooppitilassa. Mutta laadullisen päättelymme kannalta nämä komplikaatiot eivät ole niin tärkeitä nyt. Tärkeää on, että tila, jonka Higgsin kenttätiheys on nolla, ei ole energiaminimi ja on siksi epävakaa. Mikä tahansa oikealla tai vasemmalla puolella oleva minimi voi yhtä hyvin olla tyhjiö, ja luonto liukuu varmasti johonkin niistä; kumpi on sattumaa (spontaani luonnonvalinta), mutta minkä tahansa minimin luonto valitseekin, Higgsin kentän arvo tässä tilassa on nollasta poikkeava. Koko graafi kokonaisuudessaan on täysin symmetrinen, aivan kuten sitä kuvaavat yhtälöt ovat symmetrisiä; mutta mikä tahansa näiden yhtälöiden ratkaisu, joka vastaa minimienergian fyysistä vaatimusta, on väistämättä epäsymmetrinen. Tapahtui niin sanottu spontaani symmetrian rikkoutuminen. Tämä avainkohta Higgsin mekanismissa.

Tässä on muuten täydellinen analogia ferromagneettien spontaanin magnetisoitumisen kanssa: niiden alhaisin energiatila vastaa myös nollasta poikkeavaa makroskooppista magneettikenttä. Kentän suunta voi olla mikä tahansa, mutta sen absoluuttinen arvo ei ole nolla, vaan hyvin määritelty arvo. Ja sama: kaikki suunnat avaruudessa olivat samat alkuperäisissä magnetismin yhtälöissä, mutta niiden yhtäläisyys fyysisesti toteutuneessa järjestelmässä menetettiin - yhtäläisistä mahdollisuuksista järjestelmä itse valitsi yhden. Samaan aikaan perusyhtälöt eivät ole lakanneet olemasta symmetrisiä - ja tämä tosiasia on pian hyödyllinen meille. Yritetään olla unohtamatta häntä.

Mikä on massa

Hiukkasten vuorovaikutus kaiken tilan täyttävän Higgsin kentän kanssa johtaa massan ilmaantumista hiukkasissa. Hiukkaset suhteellisesti "jumiutuvat" tähän kondensaattiin ja saavat inertian. Suosituissa tileissä mainitaan yleensä lasten peitossa oleva jäätelömyyjä tai alamaistensa ympäröimä kuningatar – tämä tarkoittaa, että väkijoukon ympäröimän jäätelönmyyjän tai kuningattaren liikkuvuus vähenee huomattavasti, ja he näyttävät "tulevan massiiviseksi". Tarkempaa tieteellistäanalogioita löytyy kiinteän olomuodon fysiikasta. Näin ollen johtavuuselektroni liikkuu kiteessä hiukkasena, jolla on "tehokas" massa, voimakkaastierilainen kuin sen todellinen massa. Tämä tehokas massa on toiminnassaelinvoima on seurausta elektronin vuorovaikutuksesta ympäristönsä kanssa. Johtavuuden laskemiseen on paljon kätevämpää käyttää "tehollista massaa" kuin vaivautua väliaineen täydelliseen kuvaukseen. On myös kätevää ja melko hyväksyttävää pitää puolijohteessa olevaa reikää hiukkasena.p-tyyppi. Ymmärrämme, että reikä ei ole todellinen hiukkanen ja että elektronilla on täysin erilainen todellinen massa, mutta vain siksi, että voimme ottaa elektronin pois kiteestä ja tutkia sitä erillään. Emme kuitenkaan voi koskaan poistaa alkeishiukkasta tyhjiöstä eli avaruudesta, ja siksi massa, jonka hiukkanen sai vuorovaikutuksesta Higgsin tyhjiön kanssa, on sen todellinen massa.

Miten se toimii

Joten oletamme Higgsin kentän potentiaalienergialle lausekkeen siten, että alimman energian tilassa (tyhjiössä) kentän tiheys oli nollasta poikkeava, katso uudelleen kuvasta 1. Luonto saattoi valita oikean minimin, tai vasen, mutta joka tapauksessa kuva osoittautuu vinoksi – pienet viritteet tyhjiön yläpuolella ovat väistämättä epäsymmetrisiä, ne ovat aina sidottu minimipotentiaaliin.
Lisäksi oletettiin alkuainehiukkasten vuorovaikutusta Higgsin kentän kanssa, jonka ansiosta hiukkaset saivat Higgsin kentän tyhjiökeskiarvoon verrannollisen massan. Ero tilanteeseen, jossa massa määritellään alun perin "käsin" (ns. kova massan sisääntulo), on se, että Higgsin kentän kautta tuotu massa (ns. pehmeä syöttö) ei ole vakioarvo. Se muuttuu, jos Higgs-kenttä muuttuu.

Nyt käännetään katseemme hahmon yläosaan, korkeiden energioiden alueelle. Tältä korkeudelta ne eivät ole enää tärkeitä pieniä yksityiskohtia helpotus lähellä potentiaalikaivon pohjaa, ja koko järjestelmämme käyttäytyminen muuttuu symmetriseksi, kuten perusyhtälöillemme oli tyypillistä. Higgsin kenttä rullaa vapaasti kaivosta toiseen, ja sen keskiarvo on yleensä nolla. Eli käyttäytyminen, joka vallitsisi massattomille hiukkasille, palautetaan (ikään kuin potentiaalikaivolla olisi vain yksi minimi). Spontaanisti katkennut symmetriamme palautuu - ja tässä tapauksessa renormalisointilause alkaa taas toimia. Järjestelmän symmetrisellä suunnittelulla haitallisimmat erot vähenevät ja jäljelle jää vain ne, jotka pystymme käsittelemään uudelleennormalisoinnin kautta.

Niissä tieteissä, joissa vuorovaikutusten kantajat olivat jo alun perin massattomia, kuten fotonit elektrodynamiikassa ja gluonit kromodynamiikassa, kaikki oli välittömästi uudelleennormalisoitavaa ja kätevää laskelmiin. Mutta heikkojen vuorovaikutusten kantajat - W- ja Z-bosonit - osoittautuivat jostain syystä massiiviseksi. Ja meidän piti taistella sitä vastaan. Ja sitten keksimme Higgsin bosonin ja spontaanin symmetrian rikkoutumisen mekanismin, joka tarjosi meille siirtymisen massiivisista W- ja Z-bosoneista pienien energioiden (olennaisesti lähellä tyhjiötä, havainnointimme käytettävissä olevalla alueella) massattomiin bosoneihin korkeat energiat (jos erot valitettavat integraalit). Tulokset voidaan ilmaista melkein aforismin muodossa - Higgsin mekanismi ei niinkään selittänyt massan alkuperää, vaan auttoi pääsemään eroon tästä massasta.

Maailma ylhäällä ja maailma alhaalla (ennen ja jälkeen spontaanin symmetrian rikkomisen)

Joten, Higgsin bosonin olemassaolon merkitys meille on se, että sen avulla pystyimme yhdistämään näennäisesti yhteensopimattomia asioita: korkea-korkeiden energioiden alueen, jossa W- ja Z-bosonien ei pitäisi olla massoja (jotta ei syntyisi poistamattomia eroja ) alhaisen energian alueella, jossa W- ja Z-bosonien massa on kokeellisena tosiasiana. Luonto kohtasi matemaatikot puolivälissä, eikä siellä, "vuoren korkeuksissa", antanut bosoneille massaa. Hiukkaset hankkivat massaa vain elämää varten pohjassa; massa syntyy vuorovaikutuksesta erilaisten tyhjiökondensaattien kanssa.

Luonto on tehnyt tämän useammin kuin kerran. Muistatko, kun sanoimme, että protonin massa johtuu gluonikondensaatista? Joten energian lisääntyessä gluonikondensaatti katoaa, ja sen mukana protonin muodostavien kvarkkien massa katoaa. Tässä tapauksessa protoni lakkaa olemasta kokonaisuutena ja hajoaa sitoutumattomiksi kvarkeiksi. Mitä tuloksia kutsutaan kvarkkigluoniplasmaksi. Mutta puhumme siitä joskus ensi kerralla; Vahvat vuorovaikutukset ovat vastuussa sen ominaisuuksista, mutta toistaiseksi olemme kiireisiä heikkojen kanssa. Mutta analogioista voidaan ottaa opiksi. Jos Higgsin bosonia ei löydettäisi itsenäisenä perushiukkasena, olisi vielä toivoa pelastaa heikkojen vuorovaikutusten teoria järjestämällä Higgsin bosoni yhdistelmäobjektiksi.

Vaikka jos katsot laajemmin, alkuainehiukkasten fysiikan ulkopuolelle, käy ilmi, että olemme jo oppineet tämän läksyn. Näimme Higgsin mekanismin täydellisimmän vastineen yhdistekondensaatilla kiinteän olomuodon fysiikassa, suprajohtavuusteoriassa. Siellä se oli Cooper-elektroniparien kondensaatti. Ei mitään uutta auringon alla.

Kauneudesta

Higgs-mekanismi ei vain ratkaissut teknisiä ongelmiamme, vaan antoi myös mahdollisuuden järjestää elämän kauniisti. Koska on kaunista, kun kaikki tällaiset näennäisesti erilaiset vuorovaikutukset voidaan kuvata yhtenäisestä paikasta ja niiden perusyhtälöt voidaan johtaa yhdestä yleinen periaate. Tätä periaatetta kutsutaan paikallismittarin invarianssiksi. Kaikki vuorovaikutukset noudattavat samaa kaavaa ja eroavat vain vastaavan varauksen laitteessa. Sähkövaraus on vain numero. Positiivinen tai negatiivinen, se on vain luku, ja monimutkaisen järjestelmän varaus saadaan yksinkertaisella aritmeettisella summauksella sen osien varaukset.

Heikko varaus on matemaattisesti samanlainen kuin spin, vain se kääntyy eri suuntiin ei tavallisessa avaruudessamme, vaan mitta-avaruudessaan (heikko isotooppi). Järjestelmän tilaa ei anneta enää yhdellä luvulla, vaan kahdella: kokonaisheikko spin ja sen projektio tietylle mitta-avaruuden akselille. "Brutto" lisäyssääntö täysi pyöritys ei sovellu, mutta siinä on tiukat säännöt, samat kuin tavalliselle pyöritykselle.

Vahvaa varausta kutsutaan väriksi. Jossain määrin se on myös samanlainen kuin spin, mutta vielä monimutkaisempi. Hänen mitta-avaruutensa ei ole kolmiulotteinen, vaan kahdeksanulotteinen, ja järjestelmän tilaa kuvaa kolme numeroa: "täysväri" ja sen projektiot kahdelle tietylle mitta-avaruuden akselille. Ammattilaiset sanovat sanan "täysväri" sijasta "pelkistymättömän esityksen ulottuvuus".

Ja nyt siirrymme tähän elävään demokraattisten vapauksien ja yleismaailmallisen suvaitsevaisuuden ilmentymään - paikallisen radan muuttumattomuuden periaatteeseen. Sen ydin on, että tarkkailijat sijaitsevat eri pisteet tilaa, heillä on oikeus asettaa akselien suuntaus mittaritilassa, kukin omalla tavallaan, kuten kuka tahansa haluaa, eikä kenelläkään ole oikeutta riistää heiltä tätä vapautta (ainoalla rajoituksella, että ulottuman muutos koordinaattijärjestelmä esiintyy pisteestä pisteeseen jatkuvasti). Mutta samaan aikaan oletamme, että hiukkasten liikeyhtälöiden pitäisi näyttää samalta kaikissa valinnoissa.

Miten tämä vaatimus täytetään? Vapaiden hiukkasten (esim. kvarkkien tai elektronien tai muiden leptonien) liikeyhtälöt sisältävät derivaatan, ja nyt sekä "todellinen" muutos hiukkasen aaltofunktiossa että "ilmeinen" muutos, joka liittyy koordinaattijärjestelmän muutokseen, ovat kietoutunut siihen. Voit päästä eroon johdannaisen ylimääräisestä termistä käyttämällä ylimääräisiä "kompensointi" -kenttiä. Eli tuomme yhtälöjärjestelmään leptonin tai kvarkin alkuperäisten kenttien lisäksi muita kenttiä, jotka myös muuttuvat, kun akseleita kierretään mittaritilassa, mutta siten, että tämä muutos kompensoi täsmälleen "ylimääräiset" termit. On selvää, että näiden kompensointikenttien yhtälöt on muodostettu täysin yksiselitteisesti, koska tiedetään tarkalleen mitä kompensoitava on. Joten käy ilmi, että sähkövaraukselle tällainen kompensoiva kenttä on sähkömagneettinen - yhdessä Maxwellin yhtälöiden kanssa, jotka seuraavat suoraan mittausperiaatteesta. Heikolla varauksella nämä ovat W ±- ja Z-bosonien kentät ja voimakkaalla varauksella gluonien kenttiä. Maxwellin yhtälöiden analogeja kahdessa viimeisessä tapauksessa kutsutaan Yang-Mills-yhtälöiksi. (Tätä kolmipäistä vahvaa-heikkoa sähkömagneettista lohikäärmettä kutsutaan itse asiassa standardimalliksi. Tietysti yhdessä luettelon kanssa kaikista perushiukkasista ja niiden luokittelusta varaustyypin mukaan.)

Ja kaikki olisi hienoa, jos ei olisi yhtä ärsyttävää pientä asiaa. Fermionit (elektroni tai muut leptonit sekä kvarkit) osallistuvat heikkoihin vuorovaikutuksiin eri tavoin kierteisyydestään riippuen. Kokeellinen tosiasia. Heikot vuorovaikutukset ovat ainoita, joista tiedämme, että ne erottavat vasenkätiset ja oikeakätiset kierukkatilat. Tämä ei ole huono sinänsä, vaan siksi, että massiivisten hiukkasten helicity-käsite osoittautuu epäselväksi. Muista, että helicity on hiukkasen spinin projektio sen liikemäärään. Ja jos hiukkasen massa on nollasta poikkeava, niin se liikkuu aina hitaammin kuin valon nopeudella, ja siksi hiukkanen voidaan aina "ohittaa" eli mennä samaan suuntaan liikkuvaan vertailukehykseen vain suurempi nopeus. Ja sellaisessa vertailujärjestelmässä hiukkasen liikemäärällä on jo päinvastainen suunta, ja sen myötä merkki ja helicity muuttuvat. Mutta jos vuorovaikutuksen voima, jolle on tunnusomaista ehdollinen "varaus", riippuu viitekehyksestä, tämä tarkoittaa, että tällaista muuttumatonta varausta ei yksinkertaisesti voida määrittää. Tai pikemminkin sitä on mahdotonta määritellä siten, että se säilyy. Ja sitten tämä koko kaunis järjestelmä, jossa kaikki yhtälöt johdetaan yhdestä periaatteesta, romahtaa. Koska mittarin invarianssin noudattaminen ja vastaavan säilyneen varauksen olemassaolo ovat matemaattiselta kannalta katsottuna yksi ja sama asia. Ei kummankaan lause. Tietenkin olisi mahdollista olla johtamatta yhtälöitä, vaan yksinkertaisesti olettaa ne sellaisina kuin ne ovat, tämä ei vaikuta ennustusvoimaan. Mutta se on sääli. On tuskallinen tunne, että olemme saaneet kiinni jonkin tärkeän kuvion luonnosta.

Hypoteesi spontaanin symmetrian rikkoutumisesta maalaa meille toisenlaisen kuvan. Tässä kuvassa on paikka alun perin katkeamattoman symmetrian maailmalle, jossa kaikki yhtälöt ovat mittainvariantteja, hiukkasilla ei ole massaa, helicityn käsite on yksilöllisesti määritelty ja varaukset säilyvät. Mikään ei estä meitä johtamasta Yang-Millsin yhtälöitä mittariperiaatteesta. Ja sitten laskeutua alla olevaan maailmaan. Hiukkaset saavat tällöin massaa, ja samalla heikko varaus ei enää säily. Mutta nyt emme pelkää tätä, sillä Higgs-mekanismi osoittaa selvästi, mistä puuttuva varaus tulee ja minne ylimääräinen menee. Vastaus: sulautuu tyhjiöön. Tyhjiöön, jossa sen ehtymättömät reservit kerääntyvät Higgsin kondensaattiin. Eli vielä on heikko varaus, mutta kuinka voi tapahtua säilymistä, jos järjestelmää ei ole suljettu? Vaihdamme jatkuvasti heikkoa varausta tyhjiöön. Joten jälleen yhteensopimattomat asiat liittyvät toisiinsa - säilymislain synonyyminä on varaus, mutta itse säilymistä ei ole. Matematiikka!

Nautinnon täydentämiseksi on vielä selvitettävä vapausasteet.

Tiedämme, että järjestelmät yhtä suuri kuin yksi spin on kolme kvanttitilat. Jotkut muistavat kolmiotasot atomifysiikassa, mutta meidän tapauksessamme puhumme vektorihiukkasten polarisaatiosta, jotka kaikki ovat mittabosoneja. Jos hiukkanen on massiivinen, siinä on kolme polarisaatiotilaa (kaksi poikittaista ja yksi pitkittäinen), ja jos se on massaton, kuten fotoni, niin vain kaksi poikittaista. Muistakaamme nyt fotonien poikittaispolarisaatio, siitä meille kerrottiin koulussa. Nyt on aika alkaa huolestumaan, sillä katkeamattoman symmetrian maailmassa W ± ja Z 0 -bosonien massattomilla esivanhemmilla oli kaksi polarisaatiotilaa ja massiivisilla nyt kolme.

Mistä nämä ylimääräiset vapausasteet tulivat? Ja täältä se tulee: katkeamattoman symmetrian maailmassa Higgsin kentällä ei ollut yhtä vapausastetta, vaan neljä. Olen jo sanonut, että Higgsin kenttä ottaa monimutkaisia arvoja (ja jokainen kompleksiluku vastaa kahta todellista) ja että sillä on heikko spin (joka sen heikossa isotooppitilassa voidaan suunnata "ylös" tai "alas"). Eikä ole sattumaa, että kutsuin nyt katkeamattoman symmetrian maailman massattomia kenttiä mittabosonien esi-isiksi, en itse bosoneiksi, koska ne muuttuivat fotoneiksi, W + , W – ja Z 0 -bosoneiksi, joita emme suoraan tunne. , vaan muodostamalla jonkin kvanttisuperposition keskenään. Tässä kvantti superpositio Myös Higgsin kentät osallistuivat. Ja seurauksena kolme neljästä Higgsin kentästä muutti rekisteröintiään ja sai työpaikan massiivisten bosonien polarisaatiossa kolmantena (pitkittäisenä) komponenttina. Vain yksi kenttä säilyi entisen nimensä alla, ja löysimme sen CERNissä. Vapausasteiden uudelleenjakauma on yksi yleisen sähköheikon vuorovaikutuksen teorian olennaisista komponenteista.

Ideologinen läpimurto? - kyllä; se koostuu arvauksesta, että alkuperäiset lait ovat Jumalan suunnitelman mukaan täydellisiä ja symmetrisiä (ja siten antavat meille uudelleennormalisoitavuuden ja varausten säilymisen), ja alla olevassa maailmassa näkemämme lakien "vinollisuus" on vain näennäistä. , se on seurausta alipaineen vinosta rakenteesta, josta tuli sellainen Higgsin bosonin häiriön vuoksi. Joten löysimme syyllisen. Ja miksi Higgsin bosonia ei saisi kutsua paholaisen hiukkaseksi? Mutta onko jumalallisessa täydellisessä maailmassa sijaa ihmiselle?

Löytääksemme vastauksen tähän meidän pitäisi puhua kahdesta muusta, lasten kysymyksestä.

Mitä tapahtuisi jos...

Mitä tapahtuisi, jos luonnossa ei olisi lainkaan heikkoja vuorovaikutuksia? Huomasimmeko tämän jotenkin paljaalla silmällä?

Kyllä olisit huomannut! Silloin aurinko ei paistaisi. Koska kaksi törmäävää protonia ei voinut muuttua deuteriumytimeksi - ja tämä on ensimmäinen askel reaktioketjussa, joka muuntaa vedyn heliumiksi ja toimii pääasiallisena aurinkoenergian lähteenä.

Mitä tapahtuisi, jos heikot bosonit olisivat massattomia?

Silloin Auringolla olisi todennäköisesti erilaiset mitat; se olisi luultavasti suurempi kuin maan nykyinen kiertorata ja jopa minkä tahansa planeetan kiertorata. Minkä tahansa tähden koon määrittää tasapaino painovoimavoimien, jotka riippuvat tähden massasta, ja lämpöpaineen välillä, joka riippuu energian vapautumisen voimakkuudesta ydinreaktioissa. Massattomilla W-bosoneilla vedyn muuntaminen heliumiksi olisi paljon helpompaa ja nopeampaa (useita biljoonia kertoja), eikä lämpöpaine antaisi Auringon kutistua nykyiseen kokoonsa.

Molemmissa tapauksissa elämä tuntemassamme muodossa olisi mahdotonta.

– Sergei Pavlovich, sallikaa minun esittää toinen lapsellinen kysymys: kuinka suuri on Higgsin bosonin löytö? Tai, vakavammin sanottuna, tuoko tämä löytö jotain uutta jo olemassa olevaan maailmakuvaan?

On olemassa mielipide, ja olen samaa mieltä siitä, ettei Nobel-palkintoa ollut tarpeen antaa. No todellakin – kuka? Higgs-mekanismi on ollut kiinteän olomuodon fysiikassa tunnettu jo pitkään, vuodesta 1965 lähtien, joten sinänsä siinä ei todennäköisesti ole suurta uutuutta. Perusuutuus oli, kun se pystyttiin mukauttamaan alkeishiukkasfysiikan tarpeisiin ja rakentamaan sen avulla yleinen teoria sähköheikoista vuorovaikutuksista. Mutta teoreetikot Sheldon Glashow, Steven Weinberg ja Abdus Salam saivat jo Nobel-palkinnon tästä teoriasta vuonna 1979 sekä pitkällä viiveellä Yochiro Nambu vuonna 2008 spontaanin symmetrian murtumisen mekanismista hiukkasfysiikassa.

Teorian kokeellinen verifiointi edellytti sen ennustamien W- ja Z-bosonien - heikkojen vuorovaikutusten kvanttikantajat - löytämistä, ja myös kokeet Carlo Rubbia ja Van der Meer saivat Nobel-palkinnon löydöstään vuonna 1984. Koska yhteistyöhön osallistui useita satoja kirjoittajia, tunnustus muotoiltiin "ratkaisevaksi panokseksi suuressa projektissa".

Kaksi yli kolmen tuhannen ihmisen yhteistyötä, CMS ja ATLAS, työskentelivät Higgsin bosonin löytämiseksi. Kenelle minun pitäisi antaa bonus? Jälleen esimiehille? Mutta yhteistoiminnassa on rotaatioperiaate - johtajat vaihtuvat kahden vuoden välein - ja itse yhteistyöt ovat olleet olemassa 20 vuotta, ja voidaan sanoa, että se oli vain sattumaa, että nykyiset johtajat löysivät itsensä tehtävistä, kun löytö tapahtui. Tai pikemminkin silloin, kun on kerätty riittävästi tilastoja varovaisten johtopäätösten tekemiseen.

Mutta toisaalta, oli myös mahdotonta olla antamatta bonusta. LHC on suurelta osin rakennettu juuri Higgsin bosonin vuoksi. Higgsin bosonia käytettiin tekosyynä rahoitusorganisaatioille.

Ei ole luultavasti epäilystäkään siitä, että uusi hiukkanen on löydetty ja että standardimallin tarvitsema hiukkanen on löydetty. Mutta kysymys on edelleen: ovatko löydöt päättyneet? Oliko se viimeinen vielä löytämättömistä hiukkasista vai vain kevyin uudesta perheestä? Jotkut vanhan teorian ongelmista ratkaistiin voitokkaasti, mutta monet jäivät selittämättä, mukaan lukien hierarkian hierarkian ongelma ja itse Higgsin bosonin massan säteilykorjausten ongelma. Niiden selittämiseksi on luonnollisempaa olettaa joidenkin uusien objektien olemassaolo TeV:n luokkaa; muuten on oletettava parametrien satunnainen hienosäätö.

Olen mieluummin samaa mieltä V.A. Rubakovin kanssa, joka uskoo, että olemme tekemässä uusi aikakausi ja että bosonimme on vain langan kärki. Mutta jopa tavallisten hiukkasten maailmassa löytöjä satoi: ensimmäistä kertaa ja suuria määriä kerralla löydettiin uudentyyppisiä mesoneja, jotka ylittivät klassisen kvarkki-antikvarkkijärjestelmän. Ei, ei, olen ketjun lopussa!

– Sinun mielestäsi moitteita vastaan moderni tiede ja tiedemiehet - tiede huononee, ei ole todella suuria tiedemiehiä - ovatko he oikeudenmukaisia? Vai onko kaikki täysin erilaista?

Still elokuvasta Kevät (Mosfilm, 1947).
R. Plyattin sankari selittää tutkijoiden työn erityispiirteet:
"Kuinka ne toimivat? Joten istuin alas ja ajattelin... Avasin sen!
Tärkeintä on ajatella... Siinä se. Ja kaikki on kunnossa!”

Tiedemies on paradoksaalinen ammatti, hänen kohtalonsa on tehdä sitä, mitä kukaan ei osaa tehdä, mukaan lukien hän itse, koska kun ratkaisu löytyy, ongelma siirtyy tieteellisestä kategoriasta tekniikan kategoriaan, ja sitten muut ihmiset tekevät sen. , ja tiedemies jätetään jälleen yksin tuntemattoman kanssa.

Tieteen kanssa kaikki on hieman erilaista kuin tavalliselle katsojalle näyttää. Tämä pätee erityisesti perustieteeseen, jolla on sekä suoria että epäsuoria vaikutuksia. Useimmat nykyaikaiset tekniset innovaatiot ja "sivilisaation mukavuudet" ovat itse asiassa perustieteen sivutuotteita. Esimerkiksi sama Internet, jota ilman emme voi kuvitella tänään. Löytöjen käyttöä "tarkoitukseensa" tapahtuu myös, mutta ei aina eikä nopeasti. Tiede on kuin tutkimusretki, jonka varustamme tietämättä, mikä meitä odottaa: vuoret, tasangot, aavikot, suot... Ja itse asiassa lähdemme liikkeelle sokeasti, vain kertynyt tieto ja kokemus tulevat avuksi (jos niitä on). tällä alalla) ja tiedemiehen intuitio.

Elämä on rakennettu siten, että asetamme itsellemme täysin "lelu" tehtäviä, jotka tuntuvat kenellekään tarpeettomilta. Etsimme tätä käsittämätöntä Higgsin bosonia, testaamme vakiomallin "voimakkuutta" ja yritämme simuloida maailmankaikkeuden syntyä. Mutta näiden tieteestä kaukana oleville ihmisille keinotekoisten tehtävien varjolla kehitämme edistyneimpiä tekniikoita, jotka sitten tulevat elämäämme ja muuttavat sitä radikaalisti.

Newtonin teorian jälkeen melkein mikään ei muuttunut 200 vuoteen. Ja tämä oli tiedon keräämisen aikaa, testattiin mikä ja kuinka paljon se sopii tämän fysiikan kehykseen. Ja sitten ilmestyi ongelmia, jotka eivät mahtuneet siihen: valonnopeuden määrittäminen, kiinteän kappaleen säteilyspektrin selittäminen (seurauksena Planckin vakio "hyppyi ulos") ja paljon muuta. Kiinnostuimme kaaoksesta, kun tajusimme yhtäkkiä, että newtonilainen mekaniikka on pikemminkin poikkeus kuin elämän sääntö. Alkoi kehittyä kvanttimekaniikka, yleiset ja erityiset suhteellisuusteoriat. Muuten, yksi hyvin lelukysymys - " Miksi yöllä on pimeää? (ns Olbersin fotometrinen paradoksi - n. toimituskunta ) - johti kokonaisen astrofysiikan suunnan kehittämiseen. Ja tämä kysymys lopulta ratkesi vasta 1900-luvulla: he etsivät vastausta noin sata vuotta!

Uskon, että nytkin ollaan ymmärtämisen, kokemuksen kertymisen vaiheessa jo hankitun tiedon ja löytöjen perusteella. Erityisesti palatakseni Higgsin bosoniin, yksi tehtävistä tässä on vakiomallin vahvistaminen, sen etsiminen, mikä saattaa olla sen kehyksen ulkopuolella. Ja jossain vaiheessa tässä kognitioprosessissa ilmaantuu toinen lapsellinen kysymys, joka antaa sysäyksen uudelle fysiikalle, joka on nyt näkymätön.

Haastatteli E. Lyubchenko, ANI "FIAN-inform"

___________________________________________

Lederman Leon Max- Amerikkalainen fyysikko, vuoden 1988 fysiikan Nobel-palkinnon voittaja myonineutrinon löytämisestä ("Neutrinosuihkumenetelmästä ja leptonien kaksoisrakenteen osoittamisesta myonin neutrinon löytämisen kautta").

Rubakov Valeri Anatolievitš– Venäläinen teoreettinen fyysikko, yksi maailman johtavista kvanttikenttäteorian, alkeishiukkasfysiikan ja kosmologian tutkijoista, Venäjän tiedeakatemian akateemikko, fysiikan ja matemaattisten tieteiden tohtori. Tällä hetkellä hän toimii Venäjän tiedeakatemian ydintutkimuslaitoksen (INR) apulaisjohtajana.