Ca teorie, modelul standard funcționează bine, în ciuda incapacității sale de a se potrivi gravitației. Datorită acestui fapt, fizicienii au prezis existența anumitor particule înainte ca acestea să fie descoperite experimental. Și astfel, bosonul Higgs a apărut la orizont. Să aflăm cum se încadrează această particulă în modelul standard și în universul în ansamblu.

Bosonul Higgs: ultima piesă a puzzle-ului

Oamenii de știință cred că fiecare dintre aceste patru forțe fundamentale are o particulă (sau boson) corespunzătoare care afectează materia. E greu de înțeles. Suntem obișnuiți să ne gândim la forță ca la un eter misterios care se află dincolo de ființă și neființă, dar, de fapt, forța este la fel de reală ca și materia însăși.

Unii fizicieni descriu bosonii ca niște solzi conectate prin benzi de cauciuc la particulele de materie care le generează. Folosind această analogie, ne putem imagina bosonii împușcați în mod constant cu benzi de cauciuc și se încurcă cu alți bosoni în procesul de generare a forței.

Oamenii de știință cred că fiecare dintre cele patru forțe fundamentale are propriii bozoni specifici. Câmpurile electromagnetice, de exemplu, transmit forțe electromagnetice materiei printr-un foton. Fizicienii cred că bosonul Higgs are aceeași funcție, dar va transfera masă.

Dar poate materia să aibă masă fără bosonul Higgs? Conform Modelului Standard, nr. Dar fizicienii au găsit o soluție. Ce se întâmplă dacă toate particulele nu au propria lor masă, dar o câștigă trecând printr-un anumit câmp? Acest câmp, cunoscut sub numele de câmpul Higgs, afectează diferite particule în mod diferit. Fotonii pot aluneca nedetectați, dar bosonii W și Z vor rămâne blocați în masă. De fapt, presupunerea existenței bosonului Higgs spune că tot ceea ce are masă interacționează cu câmpul Higgs omniprezent care ocupă întregul Univers. Și ca și alte câmpuri descrise de modelul standard, câmpul Higgs are nevoie de propria sa particule purtătoare pentru a influența alte particule. Se numește bosonul Higgs.

Pe 4 iulie 2012, oamenii de știință care lucrează la Large Hadron Collider au anunțat că au descoperit o particulă care se comportă ca bosonul Higgs. Poți expira - au crezut fizicienii, dar s-a dovedit că pot exista mai mulți bozoni asemănători lui Higgs, ceea ce înseamnă că cercetările la niveluri mai mari de energie vor continua și vor continua.

Ceea ce este remarcabil este că bosonul Higgs s-a dovedit în mod neașteptat a fi un vestitor al morții Universului. Scenariul este posibil.

Noi, echipa Quantuz, (încercând să ne alăturăm comunității GT) oferim traducerea secțiunii site-ului particleadventure.org dedicată bosonului Higgs. În acest text am exclus imaginile neinformative (pentru versiunea completă, vezi originalul). Materialul va fi de interes pentru oricine este interesat de cele mai recente realizări ale fizicii aplicate.

Rolul bosonului Higgs

Bosonul Higgs a fost ultima particulă descoperită în Modelul Standard. Aceasta este o componentă critică a teoriei. Descoperirea sa a ajutat la confirmarea mecanismului modului în care particulele fundamentale dobândesc masă. Aceste particule fundamentale din modelul standard sunt quarci, leptoni și particule purtătoare de forță.

Teoria 1964

În 1964, șase fizicieni teoreticieni au emis ipoteza existenței unui câmp nou (cum ar fi un câmp electromagnetic) care umple tot spațiul și rezolvă o problemă critică în înțelegerea noastră a universului.

În mod independent, alți fizicieni au dezvoltat o teorie a particulelor fundamentale, numită în cele din urmă Modelul Standard, care a furnizat o acuratețe fenomenală (precizia experimentală a unor părți ale Modelului Standard ajunge la 1 la 10 miliarde. Acest lucru este echivalent cu prezicerea distanței dintre New York și San Francisco cu o precizie de aproximativ 0,4 mm). Aceste eforturi s-au dovedit a fi strâns legate între ele. Modelul standard avea nevoie de un mecanism pentru ca particulele să dobândească masă. Teoria câmpului a fost dezvoltată de Peter Higgs, Robert Brout, Francois Englert, Gerald Guralnick, Carl Hagen și Thomas Kibble.

boson

Peter Higgs și-a dat seama că, prin analogie cu alte câmpuri cuantice, trebuie să existe o particulă asociată cu acest nou câmp. Trebuie să aibă un spin egal cu zero și, astfel, să fie un boson - o particulă cu un spin întreg (spre deosebire de fermionii, care au un spin semiîntreg: 1/2, 3/2 etc.). Și într-adevăr a devenit curând cunoscut sub numele de Bosonul Higgs. Singurul său dezavantaj a fost că nimeni nu l-a văzut.

Care este masa bosonului?

Din păcate, teoria care a prezis bosonul nu a precizat masa acestuia. Au trecut ani până când a devenit clar că bosonul Higgs trebuie să fie extrem de greu și, cel mai probabil, să nu fie la îndemâna instalațiilor construite înainte de Large Hadron Collider (LHC).

Amintiți-vă că, conform E=mc 2, cu cât masa particulei este mai mare, cu atât este nevoie de mai multă energie pentru ao crea.

La momentul în care LHC a început să colecteze date în 2010, experimentele cu alte acceleratoare au arătat că masa bosonului Higgs ar trebui să fie mai mare de 115 GeV/c2. În timpul experimentelor la LHC s-a planificat să se caute dovezi ale unui boson în domeniul de masă 115-600 GeV/c2 sau chiar mai mare de 1000 GeV/c2.

În fiecare an, experimental a fost posibil să se excludă bosonii cu mase mai mari. În 1990 se știa că masa necesară ar trebui să fie mai mare de 25 GeV/c2, iar în 2003 s-a dovedit că este mai mare de 115 GeV/c2

Coliziunile de la Large Hadron Collider ar putea produce o mulțime de lucruri interesante

Dennis Overbye în New York Times vorbește despre recrearea condițiilor de o trilionime de secundă după Big Bang și spune:

« ...rămășițele [exploziei] din această parte a cosmosului nu au fost văzute de când Universul s-a răcit acum 14 miliarde de ani - primăvara vieții este trecătoare, iar și iar în toate variațiile sale posibile, ca și cum Universul participau la propria versiune a filmului Groundhog Day»

Unul dintre aceste „rămășițe” poate fi bosonul Higgs. Masa sa trebuie să fie foarte mare și trebuie să se degradeze în mai puțin de o nanosecundă.

Anunţ

După o jumătate de secol de așteptări, drama a devenit intensă. Fizicienii au dormit în afara auditoriului pentru a-și lua locurile la un seminar la laboratorul CERN din Geneva.

La zece mii de mile depărtare, de cealaltă parte a planetei, la o prestigioasă conferință internațională despre fizica particulelor din Melbourne, sute de oameni de știință din toate colțurile globului s-au adunat pentru a asculta seminarul transmis de la Geneva.

Dar mai întâi, să aruncăm o privire asupra fundalului.

Focuri de artificii 4 iulie

Pe 4 iulie 2012, directorii experimentelor ATLAS și CMS de la Large Hadron Collider și-au prezentat ultimele rezultate în căutarea bosonului Higgs. Au existat zvonuri că urmau să raporteze mai mult decât un raport de rezultate, dar ce?

Desigur, când au fost prezentate rezultatele, ambele colaborări care au efectuat experimentele au raportat că au găsit dovezi pentru existența unei particule „asemănătoare bosonului Higgs” cu o masă de aproximativ 125 GeV. A fost cu siguranță o particulă și, dacă nu este bosonul Higgs, atunci este o imitație de foarte înaltă calitate a acestuia.

Dovezile nu au fost neconcludente; oamenii de știință au avut rezultate de cinci sigma, ceea ce înseamnă că a existat mai puțin de o șansă la un milion ca datele să fie pur și simplu o eroare statistică.

Bosonul Higgs se descompune în alte particule

Bosonul Higgs se descompune în alte particule aproape imediat după ce este produs, așa că putem observa doar produsele sale de descompunere. Cele mai frecvente dezintegrari (dintre cele pe care le putem vedea) sunt prezentate în figură:

Fiecare mod de dezintegrare al bosonului Higgs este cunoscut sub numele de „canal de dezintegrare” sau „mod de dezintegrare”. Deși modul bb este obișnuit, multe alte procese produc particule similare, așa că dacă observați dezintegrarea bb, este foarte dificil să spuneți dacă particulele se datorează bosonului Higgs sau altceva. Spunem că modul de dezintegrare bb are un „fond larg”.

Cele mai bune canale de dezintegrare pentru căutarea bosonului Higgs sunt canalele a doi fotoni și doi bosoni Z.*

*(Din punct de vedere tehnic, pentru o masă a bosonului Higgs de 125 GeV, dezintegrarea în doi bosoni Z nu este posibilă, deoarece bosonul Z are o masă de 91 GeV, ceea ce face ca perechea să aibă o masă de 182 GeV, mai mare de 125 GeV. Cu toate acestea, ceea ce observăm este o dezintegrare într-un boson Z și un boson Z virtual (Z*), a căror masă este mult mai mică.)

Dezintegrarea bosonului Higgs la Z + Z

Bosonii Z au, de asemenea, mai multe moduri de dezintegrare, inclusiv Z → e+ + e- și Z → µ+ + µ-.

Modul de dezintegrare Z + Z a fost destul de simplu pentru experimentele ATLAS și CMS, ambii bozoni Z dezintegrandu-se în unul dintre cele două moduri (Z → e+ e- sau Z → µ+ µ-). Figura prezintă patru moduri de dezintegrare observate ale bosonului Higgs:

Rezultatul final este că uneori observatorul va vedea (pe lângă unele particule nelegate) patru muoni sau patru electroni sau doi muoni și doi electroni.

Cum ar arăta bosonul Higgs în detectorul ATLAS

În acest eveniment, „jetul” (jetul) a apărut în jos, iar bosonul Higgs era în sus, dar s-a dezintegrat aproape instantaneu. Fiecare imagine de coliziune este numită „eveniment”.

Exemplu de eveniment cu o posibilă dezintegrare a bosonului Higgs sub forma unei animații frumoase a ciocnirii a doi protoni în Large Hadron Collider, o puteți vedea pe site-ul sursă la acest link.

În acest caz, un boson Higgs poate fi produs și apoi se descompune imediat în doi bosoni Z, care, la rândul lor, se descompun imediat (lăsând doi muoni și doi electroni).

Mecanism care dă masă particulelor

Descoperirea bosonului Higgs este un indiciu incredibil asupra modului în care particulele fundamentale dobândesc masă, așa cum susțin Higgs, Brout, Engler, Gerald, Karl și Kibble. Ce fel de mecanism este acesta? Aceasta este o teorie matematică foarte complexă, dar ideea sa principală poate fi înțeleasă printr-o simplă analogie.

Imaginați-vă un spațiu plin de câmpul Higgs, ca un grup de fizicieni care comunică calm între ei cu cocktailuri...
La un moment dat, Peter Higgs intră și creează entuziasm în timp ce trece prin cameră, atrăgând un grup de fani la fiecare pas...

Înainte de a intra în cameră, profesorul Higgs se putea mișca liber. Dar după ce a intrat într-o cameră plină de fizicieni, viteza lui a scăzut. Un grup de fani i-a încetinit mișcarea prin cameră; cu alte cuvinte, a câștigat masă. Acest lucru este analog cu o particule fără masă care dobândește masă atunci când interacționează cu câmpul Higgs.

Dar tot ce voia era să ajungă la bar!

(Ideea analogiei îi aparține Prof. David J. Miller de la University College London, care a câștigat premiul pentru o explicație accesibilă a bosonului Higgs - © CERN)

Cum își obține bosonul Higgs propria masă?

Pe de altă parte, pe măsură ce știrile se răspândesc prin încăpere, ei formează și grupuri de oameni, dar de data aceasta exclusiv de fizicieni. Un astfel de grup se poate mișca încet prin cameră. Ca și alte particule, bosonul Higgs câștigă masă pur și simplu prin interacțiunea cu câmpul Higgs.

Aflarea masei bosonului Higgs

Cum găsiți masa bosonului Higgs dacă se descompune în alte particule înainte de a-l detecta?

Dacă decideți să asamblați o bicicletă și doriți să-i cunoașteți masa, ar trebui să adunați masele pieselor bicicletei: două roți, cadru, ghidon, șa etc.

Dar dacă doriți să calculați masa bosonului Higgs din particulele în care s-a degradat, nu puteți pur și simplu să adunați masele. De ce nu?

Adăugarea maselor particulelor de dezintegrare a bosonului Higgs nu funcționează, deoarece aceste particule au o energie cinetică enormă în comparație cu energia de repaus (rețineți că pentru o particulă în repaus E = mc 2). Acest lucru se întâmplă din cauza faptului că masa bosonului Higgs este mult mai mare decât masele produselor finale ale dezintegrarii sale, astfel încât energia rămasă merge undeva, și anume, în energia cinetică a particulelor care apar după dezintegrare. Relativitatea ne spune să folosim ecuația de mai jos pentru a calcula „masa invariantă” a unui set de particule după dezintegrare, ceea ce ne va da masa „părintelui”, bosonul Higgs:

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

Găsirea masei bosonului Higgs din produsele sale de descompunere

Notă Quantuz: aici suntem puțin siguri de traducere, deoarece sunt implicați termeni speciali. Vă sugerăm să comparați traducerea cu sursa pentru orice eventualitate.

Când vorbim despre dezintegrare ca H → Z + Z* → e+ + e- + µ+ + µ-, atunci cele patru combinații posibile prezentate mai sus ar putea apărea atât din dezintegrarea bosonului Higgs, cât și din procesele de fond, așa că trebuie să ne uităm la histograma masei totale a celor patru particule din aceste combinații.

Histograma de masă implică faptul că observăm un număr mare de evenimente și notăm numărul acestor evenimente atunci când se obține masa invariantă rezultată. Arată ca o histogramă, deoarece valorile masei invariante sunt împărțite în coloane. Înălțimea fiecărei coloane arată numărul de evenimente în care masa invariantă se află în intervalul corespunzător.

Ne-am putea imagina că acestea sunt rezultatele dezintegrarii bosonului Higgs, dar nu este cazul.

Datele bosonului Higgs din fundal

Zonele roșii și violete ale histogramei arată „fondul” în care se așteaptă să aibă loc numărul de evenimente de patru leptoni fără participarea bosonului Higgs.

Zona albastră (vezi animația) reprezintă predicția „semnal”, în care numărul de evenimente de patru leptoni sugerează rezultatul dezintegrarii bosonului Higgs. Semnalul este plasat în partea de sus a fundalului deoarece pentru a obține numărul total de evenimente prezis, pur și simplu adunați toate rezultatele posibile ale evenimentelor care ar putea avea loc.

Punctele negre arată numărul de evenimente observate, în timp ce liniile negre care trec prin puncte reprezintă incertitudinea statistică a acestor numere. Creșterea datelor (vezi următorul diapozitiv) la 125 GeV este un semn al unei noi particule de 125 GeV (bosonul Higgs).

O animație a evoluției datelor pentru bosonul Higgs pe măsură ce se acumulează este pe site-ul original.

Semnalul bosonului Higgs se ridică încet deasupra fundalului.

Date de la bosonul Higgs care se descompun în doi fotoni

Dezintegrarea în doi fotoni (H → γ + γ) are un fundal și mai larg, dar cu toate acestea semnalul se distinge clar.

Aceasta este o histogramă a masei invariante pentru dezintegrarea bosonului Higgs în doi fotoni. După cum puteți vedea, fundalul este foarte larg în comparație cu graficul anterior. Acest lucru se datorează faptului că există mult mai multe procese care produc doi fotoni decât procese care produc patru leptoni.

Linia roșie întreruptă arată fundalul, iar linia roșie groasă arată suma fundalului și a semnalului. Vedem că datele sunt în acord cu o nouă particulă de aproximativ 125 GeV.

Dezavantajele primelor date

Datele erau convingătoare, dar nu perfecte și aveau limitări semnificative. Până la 4 iulie 2012, nu existau suficiente statistici pentru a determina rata cu care o particulă (bosonul Higgs) se descompune în diferitele seturi de particule mai puțin masive (așa-numitele „proporții de ramificare”) prezise de Modelul Standard.

„Raportul de ramificare” este pur și simplu probabilitatea ca o particulă să se descompună printr-un canal de dezintegrare dat. Aceste proporții sunt prezise de modelul standard și măsurate prin observarea în mod repetat a dezintegrarii acelorași particule.

Următorul grafic arată cele mai bune măsurători ale proporțiilor de ramificare pe care le putem face începând cu 2013. Deoarece acestea sunt proporțiile prezise de modelul standard, așteptarea este 1,0. Punctele sunt măsurătorile curente. Evident, barele de eroare (liniile roșii) sunt în mare parte prea mari pentru a trage concluzii serioase. Aceste segmente sunt scurtate pe măsură ce sunt primite date noi și punctele se pot deplasa.

De unde știi că o persoană observă un eveniment candidat pentru bosonul Higgs? Există parametri unici care disting astfel de evenimente.

Particula este un boson Higgs?

În timp ce noua particulă fusese detectată că se descompune, ritmul cu care se producea era încă neclar până pe 4 iulie. Nici măcar nu se știa dacă particula descoperită avea numerele cuantice corecte, adică dacă avea spinul și paritatea necesare bosonului Higgs.

Cu alte cuvinte, pe 4 iulie, particula arăta ca o rață, dar trebuia să ne asigurăm că înoată ca o rață și că a șarlatat ca o rață.

Toate rezultatele experimentelor ATLAS și CMS ale colisionorului mare de hadroni (precum și colisionarului Tevatron de la Fermilab) după 4 iulie 2012 au arătat un acord remarcabil cu proporțiile de ramificare așteptate pentru cele cinci moduri de dezintegrare discutate mai sus și acord cu spinul așteptat. (egal cu zero) și paritatea (egal cu +1), care sunt numerele cuantice fundamentale.

Acești parametri sunt importanți pentru a determina dacă noua particulă este cu adevărat bosonul Higgs sau o altă particulă neașteptată. Deci, toate dovezile disponibile indică bosonul Higgs din Modelul Standard.

Unii fizicieni au considerat asta o dezamăgire! Dacă noua particulă este bosonul Higgs din modelul standard, atunci modelul standard este în esență complet. Tot ce se poate face acum este să se efectueze măsurători cu o precizie crescândă a ceea ce a fost deja descoperit.

Dar dacă noua particulă se dovedește a fi ceva neprevăzut de Modelul Standard, va deschide ușa pentru multe teorii și idei noi care urmează să fie testate. Rezultatele neașteptate necesită întotdeauna explicații noi și ajută la promovarea fizicii teoretice.

De unde a venit masa în Univers?

În materia obișnuită, cea mai mare parte a masei este conținută în atomi și, pentru a fi mai precis, este conținută într-un nucleu format din protoni și neutroni.

Protonii și neutronii sunt formați din trei quarci, care își câștigă masa prin interacțiunea cu câmpul Higgs.

DAR... masele de quarci contribuie cu aproximativ 10 MeV, care reprezintă aproximativ 1% din masa protonului și neutronului. Deci de unde provine masa rămasă?

Se pare că masa unui proton provine din energia cinetică a quarcilor săi constitutivi. După cum, desigur, știți, masa și energia sunt legate prin egalitatea E=mc 2.

Deci, doar o mică parte din masa materiei obișnuite din Univers aparține mecanismului Higgs. Totuși, așa cum vom vedea în secțiunea următoare, Universul ar fi complet nelocuibil fără masa Higgs și nu ar fi nimeni care să descopere mecanismul Higgs!

Dacă nu ar fi câmpul Higgs?

Dacă nu ar exista câmpul Higgs, cum ar fi Universul?

Nu este chiar atât de evident.

Cu siguranță nimic nu ar lega electronii din atomi. Ar zbura separat cu viteza luminii.

Dar quarcii sunt legați de o interacțiune puternică și nu pot exista într-o formă liberă. Unele stări legate de quarci ar putea fi păstrate, dar nu este clar despre protoni și neutroni.

Toate acestea ar fi probabil materie nucleară. Și poate că toate acestea s-au prăbușit ca urmare a gravitației.

Un fapt de care suntem siguri: Universul ar fi rece, întunecat și lipsit de viață.
Așa că bosonul Higgs ne salvează dintr-un univers rece, întunecat și lipsit de viață, în care nu există oameni care să descopere bosonul Higgs.

Este bosonul Higgs un boson din modelul standard?

Știm cu siguranță că particula pe care am descoperit-o este bosonul Higgs. De asemenea, știm că este foarte asemănător cu bosonul Higgs din Modelul Standard. Dar există două puncte care încă nu sunt dovedite:

1. În ciuda faptului că bosonul Higgs este din Modelul Standard, există mici discrepanțe care indică existența unei noi fizici (în prezent necunoscută).
2. Există mai mult de un boson Higgs, cu mase diferite. Acest lucru sugerează, de asemenea, că vor exista noi teorii de explorat.

Numai timpul și datele noi vor dezvălui fie puritatea Modelului Standard și a bosonului său, fie noi teorii fizice interesante.

În termeni simpli, bosonul Higgs este cea mai scumpă particulă din toate timpurile. Dacă tot ce a fost nevoie de un tub cu vid și de câteva minți strălucitoare, de exemplu, căutarea bosonului Higgs a necesitat crearea unei energii experimentale rar întâlnite pe Pământ. Large Hadron Collider nu are nevoie de prezentare, fiind unul dintre cele mai faimoase și de succes experimente științifice, dar particula sa de profil, ca și până acum, este învăluită în mister pentru cea mai mare parte a populației. A fost numită Particulă de Dumnezeu, dar datorită eforturilor a mii de oameni de știință, nu mai trebuie să considerăm existența ei de bună.

Ultima necunoscută

Ce este și care este importanța descoperirii sale? De ce a devenit subiectul atât de mult hype, finanțare și dezinformare? Din două motive. În primul rând, a fost ultima particulă nedescoperită necesară pentru a confirma modelul standard al fizicii. Descoperirea sa a însemnat că o întreagă generație de publicații științifice nu fusese în zadar. În al doilea rând, acest boson conferă altor particule masa lor, ceea ce îi conferă o semnificație specială și ceva „magie”. Tindem să ne gândim la masă ca la o proprietate intrinsecă a lucrurilor, dar fizicienii gândesc diferit. În termeni simpli, bosonul Higgs este o particulă fără de care masa nu există în mod fundamental.

Încă un câmp

Motivul constă în așa-numitul câmp Higgs. A fost descrisă chiar înainte de bosonul Higgs, deoarece fizicienii l-au calculat pentru nevoile propriilor teorii și observații, care necesitau prezența unui nou câmp, a cărui acțiune s-ar extinde la întregul Univers. Întărirea ipotezelor prin inventarea de noi părți ale universului este periculoasă. În trecut, de exemplu, acest lucru a dus la crearea teoriei eterului. Dar cu cât s-au făcut mai multe calcule matematice, cu atât fizicienii au realizat că câmpul Higgs trebuie să existe în realitate. Singura problemă a fost lipsa posibilităților practice de observare.

În Modelul Standard, fizicienii obțin masă printr-un mecanism bazat pe existența câmpului Higgs care străbate tot spațiul. Ea creează bosoni Higgs, care necesită cantități mari de energie, iar acesta este principalul motiv pentru care oamenii de știință au nevoie de acceleratoare moderne de particule pentru a efectua experimente de înaltă energie.

De unde vine masa?

Puterea interacțiunilor nucleare slabe scade rapid odată cu creșterea distanței. Conform teoriei cuantice a câmpului, aceasta înseamnă că particulele care sunt implicate în crearea sa - bosonii W și Z - trebuie să aibă masă, spre deosebire de gluoni și fotoni, care nu au masă.

Problema este că teoriile gauge se ocupă doar de elementele fără masă. Dacă bosonii gauge au masă, atunci o astfel de ipoteză nu poate fi definită în mod rezonabil. Mecanismul Higgs evită această problemă prin introducerea unui nou câmp numit câmpul Higgs. La energii mari, bosonii gauge nu au masă, iar ipoteza funcționează conform așteptărilor. La energii scăzute, câmpul provoacă ruperea simetriei, ceea ce permite elementelor să aibă masă.

Ce este bosonul Higgs?

Câmpul Higgs produce particule numite bosoni Higgs. Teoria nu precizează masa lor, dar în urma experimentului s-a determinat că aceasta este egală cu 125 GeV. În termeni simpli, existența bosonului Higgs a confirmat în sfârșit Modelul Standard.

Mecanismul, câmpul și bosonul sunt numite după omul de știință scoțian Peter Higgs. Deși nu a fost primul care a propus aceste concepte, dar, așa cum se întâmplă adesea în fizică, pur și simplu s-a dovedit a fi cel după care au fost numite.

Ruperea simetriei

Se credea că câmpul Higgs este responsabil pentru faptul că particulele care nu ar trebui să aibă masă au avut. Acesta este un mediu universal care conferă particulelor fără masă mase diferite. Această încălcare a simetriei este explicată prin analogie cu lumina - toate lungimile de undă se mișcă în vid cu aceeași viteză, dar într-o prismă fiecare lungime de undă poate fi izolată. Aceasta este, desigur, o analogie incorectă, deoarece lumina albă conține toate lungimile de undă, dar exemplul arată cum câmpul Higgs pare să creeze masă datorită ruperii simetriei. Prisma rupe simetria vitezei diferitelor lungimi de undă ale luminii prin separarea lor, iar câmpul Higgs se crede că rupe simetria masei unor particule care altfel sunt simetric fără masă.

Cum să explic bosonul Higgs în termeni simpli? Doar recent, fizicienii și-au dat seama că, dacă câmpul Higgs există cu adevărat, acțiunea lui ar necesita prezența unui purtător adecvat, cu proprietăți care să-l facă observabil. S-a presupus că această particulă aparținea bosonilor. Bosonul Higgs în termeni simpli este așa-numita forță purtătoare, la fel ca și fotonii, care sunt purtătorii câmpului electromagnetic al Universului. Fotonii, într-un fel, sunt excitații locale ale acestuia, la fel cum bosonul Higgs este o excitație locală a câmpului său. Demonstrarea existenței unei particule cu proprietățile așteptate de fizicieni a fost de fapt echivalent cu demonstrarea directă a existenței unui câmp.

Experiment

Mulți ani de planificare au permis ca Large Hadron Collider (LHC) să devină un experiment suficient pentru a infirma teoria bosonului Higgs. Inelul de 27 km de electromagneți super-puternici poate accelera particulele încărcate până la fracții semnificative, provocând ciocniri cu o forță suficientă pentru a le separa în componente, precum și pentru a deforma spațiul din jurul punctului de impact. Conform calculelor, la o energie de coliziune de un nivel suficient de ridicat, un boson poate fi încărcat astfel încât să se degradeze și acest lucru poate fi observat. Această energie a fost atât de mare încât unii chiar au intrat în panică și au prezis sfârșitul lumii, iar imaginația altora a fost atât de sălbatică încât descoperirea bosonului Higgs a fost descrisă ca o oportunitate de a cerceta o dimensiune alternativă.

Confirmare finală

Observațiile inițiale păreau să infirme de fapt predicțiile și nu a putut fi găsit niciun semn al particulei. Unii dintre cercetătorii implicați în campania de cheltuire a miliarde de dolari au apărut chiar la televizor și au afirmat cu blândețe faptul că infirmarea unei teorii științifice este la fel de importantă ca și confirmarea acesteia. După ceva timp, însă, măsurătorile au început să se adauge la imaginea de ansamblu, iar pe 14 martie 2013, CERN a anunțat oficial confirmarea existenței particulei. Există dovezi care sugerează existența mai multor bosoni, dar această idee necesită un studiu suplimentar.

La doi ani după ce CERN a anunțat descoperirea particulei, oamenii de știință care lucrează la Large Hadron Collider au putut să o confirme. Pe de o parte, aceasta a fost o victorie uriașă pentru știință, dar pe de altă parte, mulți oameni de știință au fost dezamăgiți. Dacă cineva spera că bosonul Higgs va fi particula care va duce la regiuni ciudate și minunate dincolo de Modelul Standard - supersimetrie, materie întunecată, energie întunecată - atunci, din păcate, acest lucru s-a dovedit a nu fi cazul.

Un studiu publicat în Nature Physics a confirmat dezintegrarea în fermioni. prezice că, în termeni simpli, bosonul Higgs este particula care conferă fermionilor masa lor. Detectorul CMS al ciocnitorului a confirmat în cele din urmă dezintegrarea lor în fermioni - quarci down și leptoni tau.

Bosonul Higgs în termeni simpli: ce este?

Acest studiu a confirmat definitiv că acesta este bosonul Higgs prezis de Modelul Standard al fizicii particulelor. Este situat în regiunea de masă-energie de 125 GeV, nu are spin și se poate degrada în multe elemente mai ușoare - perechi de fotoni, fermioni etc. Datorită acestui fapt, putem spune cu încredere că bosonul Higgs, în termeni simpli, este o particulă, care dă masă tuturor.

Comportamentul standard al elementului nou descoperit a fost dezamăgitor. Dacă degradarea sa ar fi chiar puțin diferită, ar fi legată diferit de fermioni și ar apărea noi linii de cercetare. Pe de altă parte, asta înseamnă că nu am avansat cu nici un pas dincolo de Modelul Standard, care nu ia în considerare gravitația, energia întunecată, materia întunecată și alte fenomene bizare ale realității.

Acum putem doar ghici ce le-a cauzat. Cea mai populară teorie este supersimetria, care afirmă că fiecare particulă din Modelul Standard are un superpartener incredibil de greu (reprezentând astfel 23% din Univers - materia întunecată). Actualizarea civizorului pentru a-și dubla energia de coliziune la 13 TeV va permite probabil detectarea acestor superparticule. În caz contrar, supersimetria va trebui să aștepte construirea unui succesor mai puternic al LHC.

Perspective de viitor

Deci, cum va fi fizica după bosonul Higgs? LHC a fost redeschis recent cu îmbunătățiri majore și este capabil să vadă totul, de la antimaterie la energia întunecată. Se crede că interacționează cu cel normal doar prin gravitație și prin crearea de masă, iar semnificația bosonului Higgs este cheia pentru a înțelege exact cum se întâmplă acest lucru. Principalul defect al Modelului Standard este că nu poate explica forța gravitației - un astfel de model ar putea fi numit Teoria Marelui Unificat - și unii cred că particulele și câmpul Higgs ar putea oferi puntea pe care fizicienii sunt atât de disperați să o găsească.

Existența bosonului Higgs a fost confirmată, dar înțelegerea sa completă este încă foarte departe. Vor respinge experimentele viitoare supersimetria și ideea descompunerii acesteia în materia întunecată însăși? Sau vor confirma până la ultimul detaliu al predicțiilor modelului standard despre proprietățile bosonului Higgs, iar acest domeniu de cercetare va fi terminat pentru totdeauna?

Academician Valery Rubakov, Institutul de Cercetări Nucleare RAS și Universitatea de Stat din Moscova.

La 4 iulie 2012 a avut loc un eveniment de o semnificație remarcabilă pentru fizică: la un seminar la CERN (Centrul European de Cercetare Nucleară), a fost anunțată descoperirea unei noi particule, care, după cum declară cu atenție autorii descoperirii, corespunde în proprietățile sale la bosonul elementar prezis teoretic al modelului standard al particulelor de fizică elementară. De obicei este numit bosonul Higgs, deși acest nume nu este pe deplin adecvat. Oricum ar fi, vorbim despre descoperirea unuia dintre principalele obiecte ale fizicii fundamentale, care nu are analogi printre particulele elementare cunoscute și ocupă un loc unic în imaginea fizică a lumii (vezi „Știința și viața” Nr. 1, 1996, articolul „Boson Higgs este necesar!”).

Detectorul LHC-B este conceput pentru a studia proprietățile mezonilor B - hadroni care conțin un cuarc b. Aceste particule se dezintegrează rapid, având timp să zboare departe de fasciculul de particule doar o fracțiune de milimetru. Foto: Maximilien Brice, CERN.

Particule elementare ale modelului standard. Aproape toate au propriile lor antiparticule, care sunt desemnate printr-un simbol cu ​​un tilde deasupra.

Interacțiuni în microlume. Interacțiunea electromagnetică are loc datorită emisiei și absorbției fotonilor (a). Interacțiunile slabe sunt de natură similară: sunt cauzate de emisia, absorbția sau dezintegrarea bosonilor Z (b) sau bosonilor W (c).

Bosonul Higgs H (spin 0) se descompune în doi fotoni (spin 1), ai căror spini sunt antiparaleli și se adună până la 0.

Când un foton este emis sau un boson Z este emis de un electron rapid, proiecția spinului său pe direcția de mișcare nu se schimbă. Săgeata circulară arată rotația internă a electronului.

Într-un câmp magnetic uniform, un electron se mișcă în linie dreaptă de-a lungul câmpului și în spirală în orice altă direcție.

Un foton de lungime de undă mare și, prin urmare, de energie scăzută nu este capabil să rezolve structura mezonului π - o pereche quark-antiquark.

Particulele accelerate la energii enorme în Large Hadron Collider se ciocnesc, generând multe particule secundare - produse de reacție. Printre acestea, a fost descoperit bosonul Higgs, pe care fizicienii sperau să îl găsească de aproape jumătate de secol.

Fizicianul englez Peter W. Higgs a demonstrat la începutul anilor 1960 că în Modelul standard al particulelor elementare trebuie să existe un alt boson - un cuantum al câmpului care creează masă în materie.

Ce s-a întâmplat la seminar și înainte de acesta

Anunțul seminarului a fost făcut la sfârșitul lunii iunie și a devenit imediat clar că va fi extraordinar. Cert este că primele indicii ale existenței unui nou boson au fost primite încă din decembrie 2011 în experimentele ATLAS și CMS efectuate la Large Hadron Collider (LHC) de la CERN. În plus, cu puțin timp înainte de seminar, a apărut un mesaj că datele din experimentele efectuate la ciocnitorul protoni-antiprotoni Tevatron (Fermilab, SUA) indică și existența unui nou boson. Toate acestea nu erau încă suficiente pentru a vorbi despre o descoperire. Dar din decembrie, cantitatea de date colectate la LHC s-a dublat, iar metodele de procesare a acestora au devenit mai avansate. Rezultatul a fost impresionant: în fiecare dintre experimentele ATLAS și CMS separat, fiabilitatea statistică a semnalului a atins o valoare care este considerată nivelul de descoperire în fizica particulelor (cinci abateri standard).

Seminarul s-a desfășurat într-o atmosferă festivă. Pe lângă cercetătorii care lucrează la CERN și studenții care studiază acolo în cadrul programelor de vară, acesta a fost „vizitat” prin internet de participanții la cea mai mare conferință despre fizica energiilor înalte, care s-a deschis la Melbourne în aceeași zi. Seminarul a fost difuzat pe internet către centrele de cercetare și universitățile din întreaga lume, inclusiv, desigur, Rusia. După performanțe impresionante ale liderilor colaborărilor CMS - Joe Incandela și ATLAS - Fabiola Gianotti, directorul general CERN, Rolf Heuer, a concluzionat: „Cred că îl avem!” („Cred că o avem în mâinile noastre!”).

Deci, ce este „în mâinile noastre” și de ce au venit teoreticienii cu asta?

Ce este o particulă nouă?

Versiunea minimală a teoriei microlumilor este numită stânjenitor Modelul Standard. Include toate particulele elementare cunoscute (le enumeram mai jos) și toate interacțiunile cunoscute dintre ele. Interacțiunea gravitațională este diferită: nu depinde de tipurile de particule elementare, ci este descrisă de teoria relativității generale a lui Einstein. Bosonul Higgs a rămas singurul element al Modelului Standard care nu fusese descoperit până de curând.

Am numit modelul standard minimal tocmai pentru că nu există alte particule elementare în el. În special, are unul, și doar unul, bosonul Higgs și este o particulă elementară, nu una compozită (alte posibilități vor fi discutate mai jos). Cele mai multe aspecte ale Modelului Standard - cu excepția noului sector căruia îi aparține bosonul Higgs - au fost testate în numeroase experimente, iar sarcina principală în programul de lucru LHC este de a afla dacă versiunea minimă a teoriei este de fapt implementat în natură și cât de complet descrie microlume.

În timpul implementării acestui program, a fost descoperită o nouă particulă, destul de grea după standardele fizicii microlumilor. În acest domeniu al științei, masa se măsoară în unități de energie, ținând cont de relația E = mс 2 dintre masă și energia de repaus. Unitatea de energie este electronvoltul (eV) - energia pe care o dobândește un electron după ce trece printr-o diferență de potențial de 1 volt, iar derivatele sale - MeV (milioane, 10 6 eV), GeV (miliard, 10 9 eV), TeV (trilioane, 10 12 eV) . Masa unui electron în aceste unități este de 0,5 MeV, un proton este de aproximativ 1 GeV, iar cea mai grea particulă elementară cunoscută, t-quark, este de 173 GeV. Deci, masa noii particule este de 125-126 GeV (incertitudinea este asociată cu eroarea de măsurare). Să numim această nouă particulă N.

Nu are sarcină electrică, este instabilă și se poate degrada în diferite moduri. A fost descoperit la Large Hadron Collider CERN prin studierea dezintegrarilor în doi fotoni, H → γγ, și în două perechi electron-pozitron și/sau muon-antimuon, H → e + e - e + e - , H → e + e - μ + μ - , H → μ + μ - μ + μ-. Al doilea tip de proces este scris ca H → 4ℓ, unde ℓ denotă una dintre particulele e +, e -, μ + sau μ - (se numesc leptoni). Atât CMS, cât și ATLAS raportează, de asemenea, un exces de evenimente, care poate fi explicat prin descompunerea H → 2ℓ2ν, unde ν este un neutrin. Acest exces, însă, nu are încă o semnificație statistică ridicată.

În general, tot ceea ce se știe acum despre noua particulă este în concordanță cu interpretarea sa ca bosonul Higgs, prezis de cea mai simplă versiune a teoriei particulelor elementare - Modelul Standard. Folosind modelul standard, este posibil să se calculeze atât probabilitatea producerii bosonului Higgs în ciocnirile proton-proton la Large Hadron Collider, cât și probabilitățile dezintegrarii acestuia și, prin urmare, să se prezică numărul de evenimente așteptate. Predicțiile sunt bine confirmate de experimente, dar, bineînțeles, în limitele erorii. Erorile experimentale sunt încă mari și există încă foarte puține valori măsurate. Cu toate acestea, este greu de pus la îndoială că a fost descoperit bosonul Higgs sau ceva foarte asemănător cu acesta, mai ales având în vedere că aceste descompunere ar trebui să fie foarte rare: 2 din 1000 de bosoni Higgs se descompun în doi fotoni și 1 din 10.000. dezintegrare în 4ℓ .

În mai mult de jumătate din cazuri, bosonul Higgs ar trebui să se descompună într-o pereche b-quark - b-antiquark: H → bb̃. Nașterea unei perechi bb̃ în ciocniri proton-proton (și proton-antiproton) este un fenomen foarte frecvent chiar și fără boson Higgs și nu a fost încă posibil să se izoleze semnalul de la acest „zgomot” (fizicienii spun că fundalul ) în experimente la LHC. Acest lucru a fost parțial realizat la ciocnitorul Tevatron și, deși semnificația statistică acolo este vizibil mai mică, aceste date sunt, de asemenea, în concordanță cu predicțiile modelului standard.

Toate particulele elementare au spin - moment unghiular intern. Spinul unei particule poate fi întreg (inclusiv zero) sau jumătate întreg în unitățile constantei lui Planck ћ. Particulele cu spin întreg se numesc bosoni, iar particulele cu spin semiîntreg se numesc fermioni. Spinul unui electron este 1/2, spinul unui foton este 1. Din analiza produselor de dezintegrare a unei noi particule, rezultă că spinul său este integral, adică este un boson. Din conservarea momentului unghiular în dezintegrarea unei particule într-o pereche de fotoni H → γγ rezultă: spinul fiecărui foton este întreg; Momentul unghiular total al stării finale (pereche de fotoni) rămâne întotdeauna intact. Aceasta înseamnă că și starea inițială este intactă.

În plus, nu este egal cu unitatea: o particulă de spin 1 nu se poate descompune în doi fotoni cu spin 1. Ceea ce rămâne este spin 0; 2 sau mai multe. Deși spin-ul noii particule nu a fost încă măsurat, este extrem de puțin probabil să avem de-a face cu o particulă cu spin 2 sau mai mare. Este aproape sigur că spinul lui H este zero și, după cum vom vedea, acesta este exact ceea ce trebuie să fie bosonul Higgs.

Încheind descrierea proprietăților cunoscute ale noii particule, să spunem că, după standardele fizicii microlumilor, aceasta trăiește destul de mult timp. Pe baza datelor experimentale, o estimare mai mică a duratei sale de viață dă ТH > 10 -24 s, ceea ce nu contrazice predicția modelului standard: ТH = 1,6·10 -22 s. Pentru comparație: durata de viață a unui t-quark este T t = 3·10 -25 s. Rețineți că măsurarea directă a duratei de viață a unei noi particule la LHC este cu greu posibilă.

De ce alt boson?

În fizica cuantică, fiecare particulă elementară servește ca cuantum al unui anumit câmp și invers: fiecare câmp are propria sa particulă cuantică; cel mai faimos exemplu este câmpul electromagnetic și cuantumul său, fotonul. Prin urmare, întrebarea pusă în titlu poate fi reformulată astfel:

De ce este nevoie de un câmp nou și care sunt proprietățile sale așteptate?

Răspunsul scurt este că simetriile teoriei microlumilor - fie că este vorba de Modelul Standard sau de vreo teorie mai complexă - interzic particulelor elementare să aibă masă, iar noul câmp rupe aceste simetrii și asigură existența maselor de particule. În Modelul Standard - cea mai simplă versiune a teoriei (dar numai în ea!) - toate proprietățile noului câmp și, în consecință, noul boson, cu excepția masei sale, sunt prezise fără ambiguitate, din nou pe baza considerațiilor de simetrie. . După cum am spus, datele experimentale disponibile sunt în concordanță cu cea mai simplă versiune a teoriei, dar aceste date sunt încă destul de rare și mai este mult de lucru pentru a afla exact cum funcționează noul sector al fizicii particulelor elementare.

Să luăm în considerare, cel puțin în termeni generali, rolul simetriei în fizica microlumii.

Simetrii, legi de conservare și interdicții

O proprietate comună a teoriilor fizice, fie că este vorba de mecanica newtoniană, mecanica relativității speciale, mecanica cuantică sau teoria microlumii, este că fiecare simetrie are propria sa lege de conservare. De exemplu, simetria față de deplasările în timp (adică faptul că legile fizicii sunt aceleași în fiecare moment al timpului) corespunde legii conservării energiei, simetria față de deplasările în spațiu corespunde legii. a conservării momentului și a simetriei în raport cu rotațiile din acesta (toate direcțiile din spațiu sunt egale) - legea conservării momentului unghiular. Legile de conservare pot fi interpretate și ca interdicții: simetriile enumerate interzic modificări ale energiei, impulsului și momentului unghiular al unui sistem închis în timpul evoluției sale.

Și invers: fiecare lege de conservare are propria sa simetrie; Această afirmație este absolut exactă în teoria cuantică. Se pune întrebarea: ce simetrie corespunde legii conservării sarcinii electrice? Este clar că simetriile spațiului și timpului pe care tocmai le-am menționat nu au nimic de-a face cu asta. Cu toate acestea, pe lângă simetriile evidente, spațiu-timp, există simetrii „interne” neevidente. Una dintre ele duce la conservarea sarcinii electrice. Este important pentru noi ca aceeași simetrie internă (înțeleasă doar într-un sens extins - fizicienii folosesc termenul de „invarianță de măsurare”) explică de ce fotonul nu are masă. Lipsa de masă a unui foton, la rândul său, este strâns legată de faptul că lumina are doar două tipuri de polarizare - stânga și dreapta.

Pentru a clarifica legătura dintre prezența a doar două tipuri de polarizare a luminii și absența masei în foton, să ne abatem pentru un moment de la a vorbi despre simetrii și să ne amintim din nou că particulele elementare sunt caracterizate prin spin, semiîntreg sau întreg. în unităţi ale constantei lui Planck ћ. Fermionii elementari (particule de spin cu jumătate întregi) au spin 1/2. Acestea sunt electron e, electron neutrin ν e, analogi grei ai electronului - muon μ și tau lepton τ, neutrinii lor ν μ și ν τ, quarci de șase tipuri u, d, c, s, t, b și antiparticule corespunzătoare toate (pozitronul e + , electron antineutrin ν̃ e, antiquarc ũ etc.). Cuarcurile U și d sunt ușoare și formează protonul (compoziția cuarcului uud) și neutronul (udd). Cuarcii rămași (c, t, s, b) sunt mai grei; fac parte din particulele de scurtă durată, de exemplu, mezonii K.

Bosonii, particule de spin întreg, includ nu numai fotonul, ci și analogii săi îndepărtați - gluoni (spin 1). Gluonii sunt responsabili pentru interacțiunile dintre quarci și îi leagă într-un proton, neutron și alte particule constitutive. În plus, există încă trei particule spin-1 - bosoni W +, W - încărcate electric și un boson Z neutru, care vor fi discutate mai jos. Ei bine, bosonul Higgs, așa cum am menționat deja, trebuie să aibă spin zero. Acum am enumerat toate particulele elementare găsite în modelul standard.

O particulă masivă de spin s (în unități de ћ) are 2s + 1 stări cu proiecții de spin diferite pe o axă dată (spinul este momentul unghiular intern - un vector, deci conceptul proiecției sale pe o axă dată are sensul obișnuit) . De exemplu, spinul unui electron (s = 1/2) în cadrul său de repaus poate fi direcționat, de exemplu, în sus (s 3 = +1/2) sau în jos (s 3 = -1/2). Bosonul Z are masă diferită de zero și spin s = 1, deci are trei stări cu proiecții de spin diferite: s 3 = +1, 0 sau -1. Situația este complet diferită cu particulele fără masă. Deoarece zboară cu viteza luminii, este imposibil să treceți la sistemul de referință unde o astfel de particulă este în repaus. Cu toate acestea, putem vorbi despre elicitatea sa - proiecția rotației pe direcția de mișcare. Deci, deși spinul fotonului este egal cu unitatea, există doar două astfel de proiecții - în direcția mișcării și împotriva acesteia. Acestea sunt polarizările dreapta și stânga ale luminii (fotoni). A treia stare cu proiecție de spin zero, care ar trebui să existe dacă fotonul ar avea masă, este interzisă de simetria internă profundă a electrodinamicii, chiar simetria care duce la conservarea sarcinii electrice. Astfel, această simetrie internă interzice existența masei în foton!

E ceva in neregula

Ceea ce ne interesează, însă, nu sunt fotonii, ci bosonii W ± - și Z. Aceste particule, descoperite în 1983 la ciocnitorul Spp̃S proton-antiproton de la CERN și prezise cu mult înainte de teoreticieni, au o masă destul de mare: bosonul W ± are o masă de 80 GeV (de aproximativ 80 de ori mai greu decât un proton), iar Bosonul Z are o masă de 91 GeV. Proprietățile bosonilor W ± - și Z sunt bine cunoscute în principal datorită experimentelor efectuate la ciocnitoarele electron-pozitroni LEP (CERN) și SLC (SLAC, SUA) și la ciocnitorul proton-antiprotoni Tevatron (Fermilab, SUA): precizia măsurători ale unui număr de cantități legate de bosonii W ± - și Z, mai bune de 0,1%. Proprietățile lor, precum și alte particule, sunt descrise perfect de modelul standard. Acest lucru se aplică și interacțiunilor bozonilor W ± - și Z cu electroni, neutrini, cuarci și alte particule. Astfel de interacțiuni, de altfel, sunt numite slabe. Au fost studiate în detaliu; Unul dintre exemplele de mult cunoscute ale manifestării lor este dezintegrarea beta a muonului, neutronului și nucleelor.

După cum sa menționat deja, fiecare dintre bosonii W ± - și Z poate fi în trei stări de spin și nu în două, ca un foton. Cu toate acestea, ei interacționează cu fermionii (neutrini, quarci, electroni etc.) în principiu la fel ca fotonii. De exemplu, un foton interacționează cu sarcina electrică a unui electron și cu curentul electric creat de electronul în mișcare. În același mod, bosonul Z interacționează cu o anumită sarcină de electroni și curent care apare atunci când electronul se mișcă, doar această sarcină și curent sunt de natură neelectrică. Până la o caracteristică importantă, care va fi discutată în scurt timp, analogia va fi completă dacă, pe lângă sarcina electrică, electronului i se atribuie și o sarcină Z. Atât quarcii, cât și neutrinii au propriile lor încărcături Z.

Analogia cu electrodinamica se extinde și mai departe. Ca și teoria fotonului, teoria bosonilor W ± și Z are o simetrie internă profundă, apropiată de cea care duce la legea conservării sarcinii electrice. În analogie completă cu fotonul, interzice bozonii W ± - și Z să aibă o a treia polarizare și, prin urmare, masă. Aici apare inconsecvența: interdicția de simetrie a masei unei particule de spin-1 funcționează pentru un foton, dar nu funcționează pentru bosonii W ± - și Z!

Mai departe mai mult. Interacțiunile slabe ale electronilor, neutrinilor, quarcilor și altor particule cu bosonii W ± - și Z apar ca și cum acești fermioni nu ar avea masă! Numărul de polarizări nu are nimic de-a face cu el: atât fermionii masivi, cât și cei fără masă au două polarizări (direcții de rotație). Ideea este modul în care fermionii interacționează cu bosonii W ± și Z.

Pentru a explica esența problemei, să oprim mai întâi masa electronului (în teorie, acest lucru este permis) și să luăm în considerare o lume imaginară în care masa electronului este zero. Într-o astfel de lume, un electron zboară cu viteza luminii și poate avea un spin îndreptat fie în direcția mișcării, fie împotriva acesteia. Cât despre foton, în primul caz are sens să vorbim despre un electron cu polarizare dreaptă sau, pe scurt, despre un electron dreptaci, în al doilea caz - despre unul stângaci.

Deoarece știm bine cum funcționează interacțiunile electromagnetice și slabe (și doar electronul participă la ele), suntem destul de capabili să descriem proprietățile electronului în lumea noastră imaginară. Și sunt așa.

În primul rând, în această lume, electronii din dreapta și din stânga sunt două particule complet diferite: electronul drept nu se transformă niciodată în unul stâng și invers. Acest lucru este interzis de legea conservării momentului unghiular (în acest caz, spin), iar interacțiunile unui electron cu un foton și un boson Z nu îi schimbă polarizarea. În al doilea rând, doar electronul stâng experimentează interacțiunea electronului cu bosonul W, iar cel drept nu participă deloc la ea. A treia caracteristică importantă pe care am menționat-o mai devreme în această imagine este că sarcinile Z ale electronilor din stânga și din dreapta sunt diferite, iar electronul din stânga interacționează cu bosonul Z mai puternic decât cel drept. Muonul, leptonul tau și quarcii au proprietăți similare.

Subliniem că într-o lume imaginară cu fermioni fără masă nu există nicio problemă cu faptul că electronii din stânga și din dreapta interacționează diferit cu bosonii W și Z și, în special, că sarcinile Z „stânga” și „dreapta” sunt diferite. . În această lume, electronii din stânga și din dreapta sunt particule diferite și acesta este sfârșitul: nu ne surprinde, de exemplu, că un electron și un neutrin au sarcini electrice diferite: -1 și 0.

Incluzând masa electronului, ajungem imediat la o contradicție. Un electron rapid, a cărui viteză este apropiată de viteza luminii și al cărui spin este îndreptat împotriva direcției mișcării, arată aproape la fel cu electronul stâng din lumea noastră imaginară. Și ar trebui să interacționeze aproape în același mod. Dacă interacțiunea sa este asociată cu sarcina Z, atunci valoarea sarcinii sale Z este „stângaci”, la fel cu cea a electronului stâng din lumea imaginară. Cu toate acestea, viteza unui electron masiv este încă mai mică decât viteza luminii și puteți trece oricând la un sistem de referință care se mișcă și mai rapid. În noul sistem, direcția mișcării electronilor va fi inversată, dar direcția de spin va rămâne aceeași.

Proiecția spinului pe direcția mișcării va fi acum pozitivă, iar un astfel de electron va arăta ca unul dreptaci, nu ca unul stânga. În consecință, sarcina sa Z ar trebui să fie aceeași cu cea a electronului din dreapta din lumea imaginară. Dar acest lucru nu poate fi: valoarea taxei nu ar trebui să depindă de sistemul de referință. Există o contradicție. Să subliniem că am ajuns la el presupunând că sarcina Z este conservată; Nu există altă modalitate de a vorbi despre semnificația sa pentru o anumită particulă.

Această contradicție arată că simetriile Modelului Standard (pentru claritate, vom vorbi despre el, deși tot ceea ce s-a spus se aplică oricărei alte versiuni a teoriei) ar trebui să interzică existența maselor nu numai în bosonii W ± - și Z, dar de asemenea în fermioni. Dar ce legătură are simetria cu asta?

În ciuda faptului că ar trebui să conducă la conservarea încărcării Z. Măsurând sarcina Z a unui electron, am putea spune cu siguranță dacă electronul este stângaci sau dreptaci. Și acest lucru este posibil numai atunci când masa electronului este zero.

Astfel, într-o lume în care toate simetriile Modelului Standard ar fi realizate în același mod ca în electrodinamică, toate particulele elementare ar avea mase zero. Dar în lumea reală au mase, ceea ce înseamnă că trebuie să se întâmple ceva cu simetriile Modelului Standard.

Ruperea simetriei

Vorbind despre legătura dintre simetrie și legile și interdicțiile de conservare, am pierdut din vedere o circumstanță. Constă în faptul că legile de conservare și interdicțiile de simetrie sunt îndeplinite numai atunci când simetria este prezentă în mod explicit. Cu toate acestea, simetriile pot fi, de asemenea, rupte. De exemplu, într-o probă omogenă de fier la temperatura camerei poate exista un câmp magnetic îndreptat într-o anumită direcție; proba este atunci un magnet. Dacă ar exista creaturi microscopice care trăiesc în interiorul ei, ar descoperi că nu toate direcțiile spațiului sunt egale. Un electron care zboară peste un câmp magnetic este afectat de forța Lorentz din câmpul magnetic, dar un electron care zboară de-a lungul acestuia nu este afectat de forță. Un electron se deplasează de-a lungul unui câmp magnetic în linie dreaptă, peste câmp într-un cerc și, în general, în spirală. Prin urmare, câmpul magnetic din interiorul probei rupe simetria în raport cu rotațiile în spațiu. În acest sens, legea conservării momentului unghiular nu este îndeplinită în interiorul magnetului: atunci când un electron se mișcă în spirală, proiecția momentului unghiular pe axa perpendiculară pe câmpul magnetic se modifică în timp.

Aici avem de-a face cu ruperea spontană a simetriei. În absența influențelor externe (de exemplu, câmpul magnetic al Pământului), în diferite eșantioane de fier câmpul magnetic poate fi direcționat în direcții diferite, iar niciuna dintre aceste direcții nu este de preferat altuia. Simetria originală în raport cu rotația este încă prezentă și se manifestă prin faptul că câmpul magnetic din probă poate fi direcționat oriunde. Dar odată ce câmpul magnetic a apărut, a apărut și o direcție preferată, iar simetria din interiorul magnetului a fost ruptă. La un nivel mai formal, ecuațiile care guvernează interacțiunea atomilor de fier între ei și cu un câmp magnetic sunt simetrice în raport cu rotațiile în spațiu, dar starea sistemului acestor atomi — proba de fier — este asimetrică. Acesta este fenomenul de rupere spontană a simetriei. Rețineți că aici vorbim despre cea mai avantajoasă stare, care are cea mai mică energie; Această stare se numește de bază. Aici va ajunge în cele din urmă proba de fier, chiar dacă inițial a fost nemagnetizată.

Deci, ruperea spontană a unei anumite simetrii are loc atunci când ecuațiile teoriei sunt simetrice, dar starea fundamentală nu este. Cuvântul „spontan” este folosit în acest caz datorită faptului că sistemul însuși, fără participarea noastră, alege o stare asimetrică, deoarece această stare este cea mai favorabilă din punct de vedere energetic. Din exemplul de mai sus este clar că dacă simetria este spartă spontan, atunci legile de conservare și interdicțiile care decurg din aceasta nu funcționează; în exemplul nostru, aceasta se referă la conservarea momentului unghiular. Să subliniem că simetria completă a teoriei poate fi ruptă doar parțial: în exemplul nostru, din simetria completă față de toate rotațiile în spațiu, simetria față de rotațiile în jurul direcției câmpului magnetic rămâne clară și neîntreruptă.

Creaturile microscopice care trăiesc în interiorul unui magnet s-ar putea pune întrebarea: „În lumea noastră, nu toate direcțiile sunt egale, momentul unghiular nu este conservat, dar spațiul este cu adevărat asimetric în raport cu rotațiile?” După ce au studiat mișcarea electronilor și au construit teoria corespunzătoare (în acest caz, electrodinamica), ei ar înțelege că răspunsul la această întrebare este negativ: ecuațiile sale sunt simetrice, dar această simetrie este ruptă spontan din cauza „răspândirii” câmpului magnetic. pretutindeni. Dezvoltând teoria în continuare, ei ar prezice că câmpul responsabil pentru ruperea spontană a simetriei ar trebui să aibă propriile sale cuante, fotoni. Și, după ce am construit un mic accelerator în interiorul unui magnet, ne-am bucura să vedem că aceste cuante există cu adevărat - se nasc în ciocniri de electroni!

În termeni generali, situația în fizica particulelor este similară cu cea descrisă. Dar există și diferențe importante. În primul rând, nu este nevoie să vorbim despre vreun mediu precum o rețea cristalină de atomi de fier. În natură, starea cu cea mai mică energie este vidul (prin definiție!). Acest lucru nu înseamnă că într-un vid - starea de bază a naturii - nu pot exista câmpuri uniform „difuzate”, similare câmpului magnetic din exemplul nostru. Dimpotrivă, inconsecvențele despre care am vorbit indică faptul că simetriile Modelului Standard (mai precis, o parte din ele) ar trebui sparte spontan, iar aceasta presupune că există un fel de câmp în vid care asigură această încălcare. În al doilea rând, nu vorbim despre simetrii spațiu-timp, ca în exemplul nostru, ci despre simetrii interne. Simetriile spațiu-timp, dimpotrivă, nu trebuie rupte din cauza prezenței unui câmp în vid. De aici rezultă o concluzie importantă: spre deosebire de câmpul magnetic, acest câmp nu trebuie să evidențieze nicio direcție în spațiu (mai precis, în spațiu-timp, întrucât avem de-a face cu fizica relativistă). Câmpurile cu această proprietate sunt numite scalare; ele corespund particulelor de spin 0. Prin urmare, câmpul „întins” în vid și care duce la ruperea simetriei trebuie să fie până acum necunoscut și nou. Într-adevăr, câmpurile cunoscute pe care le-am menționat în mod explicit sau implicit mai sus - câmpul electromagnetic, câmpurile de bozoni W ± - și Z, gluoni - corespund particulelor de spin 1. Astfel de câmpuri evidențiază direcții în spațiu-timp și se numesc vector, și avem nevoie de un scalar de câmp. Câmpurile corespunzătoare fermionilor (spin 1/2) nu sunt, de asemenea, adecvate. În al treilea rând, noul câmp nu ar trebui să rupă complet simetriile modelului standard; simetria internă a electrodinamicii ar trebui să rămână neîntreruptă. În cele din urmă, și acesta este cel mai important lucru, interacțiunea noului câmp, „difuz” în vid, cu bosonii W ± - și Z, electronii și alți fermioni ar trebui să conducă la apariția de mase în aceste particule.

Mecanismul de generare a maselor de particule spin-1 (în natură acestea sunt bozoni W ± - și Z) datorită ruperii spontane a simetriei a fost propus în contextul fizicii particulelor elementare de teoreticienii de la Bruxelles Francois Englert și Robert Brout în 1964 și puţin mai târziu de către fizicianul din Edinburgh Peter Higgs .

Cercetătorii s-au bazat pe ideea ruperii spontane a simetriei (dar în teorii fără câmpuri vectoriale, adică fără particule de spin 1), care a fost introdusă în 1960-1961 în lucrările lui J. Nambu, care împreună cu J. Jona -Lasinio, V. G. Vaks și A. I. Larkin, J. Goldstone (Yoichiro Nambu a primit Premiul Nobel pentru această lucrare în 2008). Spre deosebire de autori anteriori, Engler, Brout și Higgs au considerat o teorie (la acea vreme speculativă) care implica atât un câmp scalar (spin 0) cât și un câmp vectorial (spin 1). Această teorie are o simetrie internă, destul de asemănătoare cu simetria electrodinamicii, ceea ce duce la conservarea sarcinii electrice și la interzicerea masei fotonului. Dar, spre deosebire de electrodinamică, simetria internă este ruptă spontan de un câmp scalar uniform prezent în vid. Un rezultat remarcabil al lui Engler, Brout și Higgs a fost demonstrarea faptului că această încălcare a simetriei implică automat apariția masei într-o particulă de spin 1 - un cuantum al câmpului vectorial!

O generalizare destul de simplă a mecanismului Engler-Brout-Higgs, asociată cu includerea în teoria fermionilor și interacțiunea lor cu un câmp scalar care rupe simetria, duce la apariția masei în fermioni. Totul începe să se pună la loc! Modelul standard este obținut ca o generalizare suplimentară. Acum conține nu unul, ci mai multe câmpuri vectoriale - fotoni, bozoni W ± - și Z (gluonii sunt o poveste separată, nu au nimic de-a face cu mecanismul Engler-Brout-Higgs) și diferite tipuri de fermioni. Ultimul pas este de fapt destul de netrivial; Steven Weinberg, Sheldon Glashow și Abdus Salam au primit Premiul Nobel în 1979 pentru formularea unei teorii complete a interacțiunilor slabe și electromagnetice.

Să ne întoarcem la 1964. Pentru a-și analiza teoria, Engler și Brout au folosit o abordare destul de elaborată după standardele actuale. Acesta este, probabil, motivul pentru care nu au observat că, împreună cu o particulă masivă de spin-1, teoria prezice existența unei alte particule - un boson cu spin 0. Dar Higgs a observat, iar acum această nouă particulă fără spin este adesea numită bosonul Higgs. . După cum sa menționat deja, această terminologie nu este în întregime corectă: Engler și Brout au fost cei care au propus pentru prima dată utilizarea unui câmp scalar pentru ruperea spontană a simetriei și generarea de mase de particule spin-1. Fără a intra în mai multă terminologie, subliniem că noul boson cu spin zero servește ca un cuantum al câmpului scalar care rupe simetria. Și aceasta este unicitatea sa.

Aici trebuie făcută o clarificare. Să repetăm ​​că dacă nu ar exista ruperea spontană a simetriei, atunci bosonii W ± și Z ar fi fără masă. Fiecare dintre cei trei bosoni W + , W - , Z ar avea, ca un foton, două polarizări. În total, considerând particulele cu polarizări diferite ca fiind inegale, am avea 2 × 3 = 6 tipuri de bozoni W ± - și Z. În modelul standard, bosonii W ± și Z sunt masivi, fiecare dintre ei având trei stări de spin, adică trei polarizări, pentru un total de 3 × 3 = 9 tipuri de particule - cuante ale câmpurilor W ±, Z. Apare întrebarea, de unde provin cele trei tipuri „în plus”? Faptul este că modelul standard trebuie să aibă nu unul, ci patru câmpuri scalare Engler-Brout-Higgs. Cuantumul unuia dintre ele este bosonul Higgs. Iar cuantele celorlalte trei, ca urmare a ruperii spontane a simetriei, se transformă în cele trei cuante „extra” prezente în bosonii masivi W ± - și Z. Au fost găsite cu mult timp în urmă, deoarece se știe că bosonii W ± - și Z au masă: cele trei stări de spin „extra” ale bosonilor W + -, W - și Z sunt ceea ce sunt.

Această aritmetică, apropo, este în concordanță cu faptul că toate cele patru câmpuri Engler-Brout-Higgs sunt scalare, cuantele lor au spin zero. Bosonii W ± - și Z fără masă ar avea proiecții de spin pe direcția mișcării egale cu -1 și +1. Pentru bosonii masivi W ± - și Z, aceste proiecții iau valori -1, 0 și +1, adică cuantele „extra” au o proiecție zero. Cele trei câmpuri Engler-Brout-Higgs din care sunt obținute aceste cuante „în plus” au, de asemenea, o proiecție de spin zero pe direcția mișcării pur și simplu pentru că vectorul lor de spin este zero. Totul se potrivește.

Deci, bosonul Higgs este un cuantum al unuia dintre cele patru câmpuri scalare Engler-Brout-Higgs din Modelul Standard. Ceilalți trei sunt mâncați de (termen științific!) bosonii W ± - și Z, transformându-se în a treia lor stare de spin lipsă.

Este cu adevărat necesar un nou boson?

Cel mai uimitor lucru din această poveste este că astăzi înțelegem: mecanismul Engler-Brout-Higgs nu este în niciun caz singurul mecanism posibil de rupere a simetriei în fizica microlumilor și de generare de mase de particule elementare, iar bosonul Higgs s-ar putea să nu exista. De exemplu, în fizica materiei condensate (lichide, solide) există multe exemple de rupere spontană a simetriei și o varietate de mecanisme pentru această rupere. Și în cele mai multe cazuri nu există nimic ca bosonul Higgs în ele.

Cel mai apropiat analog solid al ruperii spontane de simetrie a modelului standard în vid este ruperea spontană a simetriei interne a electrodinamicii în grosimea unui supraconductor. Ea duce la faptul că într-un supraconductor un foton într-un anumit sens are masă (cum ar fi bosonii W ± - și Z în vid). Acest lucru se manifestă în efectul Meissner - expulzarea unui câmp magnetic dintr-un supraconductor. Fotonul „nu vrea” să pătrundă în interiorul supraconductorului, unde devine masiv: îi este „greu” acolo, este defavorabil energetic să fie acolo (rețineți: E = mс 2). Câmpul magnetic, care poate fi considerat oarecum convențional un set de fotoni, are aceeași proprietate: nu pătrunde în supraconductor. Acesta este efectul Meissner.

Teoria efectivă a supraconductivității Ginzburg-Landau este extrem de asemănătoare cu teoria Engler-Brout-Higgs (mai precis, dimpotrivă: teoria Ginzburg-Landau este cu 14 ani mai veche). De asemenea, conține un câmp scalar, care este uniform „împrăștiat” în supraconductor și duce la ruperea spontană a simetriei. Totuși, nu degeaba teoria Ginzburg-Landau este numită eficientă: ea surprinde, la figurat vorbind, latura externă a fenomenului, dar este complet inadecvată pentru înțelegerea motivelor fundamentale, microscopice, ale apariției supraconductivității. De fapt, nu există un câmp scalar într-un supraconductor; acesta conține electroni și o rețea cristalină, iar supraconductivitatea se datorează proprietăților speciale ale stării fundamentale a sistemului de electroni, care apar din cauza interacțiunii dintre ei (vezi „Știința și viața ” Nr. 2, 2004, articolul “ ”. - Ed.).

O imagine similară ar putea avea loc și în microcosmos? Se va dovedi că nu există un câmp scalar fundamental „difuz” în vid, iar ruperea spontană a simetriei este cauzată de motive complet diferite? Dacă raționăm pur teoretic și nu acordăm atenție faptelor experimentale, atunci răspunsul la această întrebare este afirmativ. Un bun exemplu este așa-numitul model technicolor, propus în 1979 de deja menționatul Steven Weinberg și – independent – ​​Leonard Susskind.

Nu conține nici câmpuri scalare fundamentale, nici bosonul Higgs, dar, în schimb, există multe particule elementare noi care seamănă cu quarcii în proprietățile lor. Interacțiunea dintre ele duce la ruperea spontană a simetriei și generarea de mase de bozoni W ± - și Z. Cu masele de fermioni cunoscuți, de exemplu electronul, situația este mai proastă, dar această problemă poate fi rezolvată și complicând teoria.

Un cititor atent poate pune întrebarea: „Dar argumentele din capitolul anterior, care spun că câmpul scalar ar trebui să rupă simetria?” Lacuna aici este că acest câmp scalar poate fi compus, în sensul că particulele cuante corespunzătoare nu sunt elementare, ci constau din alte particule „cu adevărat” elementare.

Să ne amintim în acest sens relația de incertitudine Heisenberg cuantică-mecanică Δх ×Δр ≥ ћ, unde Δх și Δр sunt incertitudinile coordonatei și, respectiv, impulsului. Una dintre manifestările sale este că structura obiectelor compozite cu o dimensiune internă caracteristică Δх apare numai în procesele care implică particule cu moment suficient de mare р ≥ћ/Δх și, prin urmare, cu energii suficient de mari. Aici este potrivit să ne amintim de Rutherford, care a bombardat atomii cu electroni de energii înalte în acel moment și a aflat astfel că atomii constau din nuclee și electroni. Privind atomii printr-un microscop, chiar și cu cea mai avansată optică (adică folosind lumină - fotoni cu energie joasă), este imposibil să descoperi că atomii sunt particule punctiforme compozite, și nu elementare: nu există suficientă rezoluție.

Deci, la energii joase, particula compusă arată ca o particulă elementară. Pentru a descrie eficient astfel de particule la energii scăzute, ele pot fi considerate cuante ale unui anumit câmp. Dacă spinul unei particule compozite este zero, atunci acest câmp este scalar.

O situație similară se realizează, de exemplu, în fizica mezonilor π, particule cu spin 0. Până la mijlocul anilor 1960, nu se știa că acestea constau din quarci și antiquarci (compoziția de quarci de π + -, π - - și π 0 -mezoni - aceștia sunt ud̃, dũ și o combinație de uũ și, respectiv, dd̃).

Apoi π-mezonii au fost descriși prin câmpuri scalare elementare. Știm acum că aceste particule sunt compuse, dar „vechea” teorie a câmpului a mezonilor π rămâne valabilă deoarece sunt luate în considerare procese la energii joase. Numai la energii de ordinul 1 GeV și mai mari începe să apară structura cuarcilor lor, iar teoria încetează să funcționeze. Scara de energie de 1 GeV nu a apărut aici întâmplător: aceasta este scara interacțiunilor puternice care leagă quarcii în π-mezoni, protoni, neutroni etc., aceasta este scara maselor particulelor care interacționează puternic, de exemplu, proton. Rețineți că π-mezonii înșiși se deosebesc: dintr-un motiv despre care nu vom vorbi aici, ei au mase mult mai mici: m π± = 140 MeV, m π0 = 135 MeV.

Deci, câmpurile scalare responsabile pentru ruperea spontană a simetriei pot fi, în principiu, compuse. Tocmai aceasta este situatia sugerata de modelul technicolor. În acest caz, trei cuante fără spin, care sunt consumate de bosonii W ± - și Z și devin stările lor de spin lipsă, au o analogie apropiată cu mezonii π + -, π - - și π 0 -. Doar scara de energie corespunzătoare nu mai este de 1 GeV, ci de câțiva TeV. Într-o astfel de imagine, este de așteptat existența multor noi particule constitutive - analogi ai protonului, neutronului etc. — cu mase de ordinul mai multor TeV. Dimpotrivă, bosonul Higgs relativ ușor este absent în el. O altă caracteristică a modelului este că bosonii W ± și Z din el sunt parțial particule compozite, deoarece, așa cum am spus, unele dintre componentele lor sunt similare cu mezonii π. Acest lucru ar trebui să se manifeste în interacțiunile bosonilor W ± și Z.

Aceasta din urmă împrejurare a dus la respingerea modelului technicolor (cel puțin în formularea sa originală) cu mult înainte de descoperirea noului boson: măsurătorile precise ale proprietăților bosonilor W ± și Z la LEP și SLC nu sunt de acord cu previziunile modelului.

Această frumoasă teorie a fost zdrobită de fapte experimentale încăpățânate, iar descoperirea bosonului Higgs i-a pus capăt. Cu toate acestea, pentru mine, ca și pentru o serie de alți teoreticieni, ideea câmpurilor scalare compozite este mai atractivă decât teoria Engler-Brout-Higgs cu câmpuri scalare elementare. Desigur, după descoperirea unui nou boson la CERN, ideea compoziției s-a găsit într-o poziție și mai dificilă decât înainte: dacă această particulă este compusă, ar trebui să imite cu succes bosonul elementar Higgs. Și totuși, să așteptăm și să vedem ce experimente la LHC vor arăta, în primul rând, măsurători mai precise ale proprietăților noului boson.

Descoperirea a fost făcută. Ce urmeaza?

Să revenim, ca ipoteză de lucru, la versiunea minimă a teoriei - Modelul Standard cu un boson Higgs elementar. Deoarece în această teorie câmpul Engler-Brout-Higgs (mai precis, câmpurile) este cel care dă masele tuturor particulelor elementare, interacțiunea fiecăreia dintre aceste particule cu bosonul Higgs este strict fixă. Cu cât masa particulei este mai mare, cu atât interacțiunea este mai puternică; Cu cât interacțiunea este mai puternică, cu atât este mai probabil ca bosonul Higgs să se descompună într-o pereche de particule de un anumit tip. Dezintegrarea bosonului Higgs în perechi de particule reale tt̃, ZZ și W+W- sunt interzise de legea conservării energiei. Necesită ca suma maselor produselor de descompunere să fie mai mică decât masa particulei în descompunere (din nou, amintiți-vă E = mc 2), iar pentru noi, amintiți-vă, m n ≈ 125 GeV, m t = 173 GeV, m z = 91 GeV și m w = 80 GeV. Următoarea masă cea mai mare este cuarcul b cu m b = 4 GeV și de aceea, așa cum am spus, bosonul Higgs se descompune cel mai ușor într-o pereche bb̃. De asemenea, interesantă este dezintegrarea bosonului Higgs într-o pereche de τ-leptoni destul de grei H → τ + τ - (m τ = 1,8 GeV), care are loc cu o probabilitate de 6%. Dezintegrarea H → μ + μ - (m µ = 106 MeV) ar trebui să apară cu o probabilitate și mai mică, dar încă nedisparatoare de 0,02%. Pe lângă dezintegrarile discutate mai sus, H → γγ; H → 4ℓ și H → 2ℓ2ν, notăm decăderea H → Zγ, a cărei probabilitate ar trebui să fie de 0,15%. Toate aceste probabilități vor fi măsurabile la LHC și orice abatere de la aceste predicții va însemna că ipoteza noastră de lucru, Modelul Standard, este incorectă. În schimb, acordul cu predicțiile Modelului Standard ne va convinge din ce în ce mai mult de validitatea acestuia.

Același lucru se poate spune despre crearea bosonului Higgs în ciocnirile de protoni. Bosonul Higgs poate fi produs singur din interacțiunea a doi gluoni, împreună cu o pereche de quarci de lumină de înaltă energie, împreună cu un singur boson W sau Z sau, în sfârșit, împreună cu o pereche tt̃. Particulele produse împreună cu bosonul Higgs pot fi detectate și identificate, astfel încât diferite mecanisme de producție pot fi studiate separat la LHC. Astfel, este posibil să se extragă informații despre interacțiunea bosonului Higgs cu bosonii W ± -, Z și cuarcul t.

În cele din urmă, o proprietate importantă a bosonului Higgs este interacțiunea cu el însuși. Ar trebui să se manifeste în procesul Н* → НН, unde Н* este o particulă virtuală. Proprietățile acestei interacțiuni sunt, de asemenea, prezise clar de Modelul Standard. Cu toate acestea, studiul său este o chestiune de viitor îndepărtat.

Deci, LHC are un program extins pentru a studia interacțiunile noului boson. Ca urmare a implementării sale, va deveni mai mult sau mai puțin clar dacă Modelul Standard descrie natura sau avem de-a face cu o altă teorie, mai complexă (și posibil mai simplă). Progresele suplimentare sunt asociate cu o creștere semnificativă a preciziei măsurătorii; va necesita construirea unui nou accelerator electroni-pozitroni - un colisionar e + e - cu o energie record pentru acest tip de mașină. S-ar putea foarte bine să ne aștepte pe această cale o mulțime de surprize.

În loc de o concluzie: în căutarea unei „noui fizici”

Din punct de vedere „tehnic”, Modelul Standard este coerent intern. Adică, în cadrul său este posibil - cel puțin în principiu și, de regulă, în practică - să se calculeze orice mărime fizică (desigur, legată de fenomenele pe care se intenționează să le descrie), iar rezultatul nu va conține incertitudini. Cu toate acestea, mulți, deși nu toți, teoreticienii consideră starea de lucruri în Modelul standard, ca să o spunem ușor, nu pe deplin satisfăcătoare. Și acest lucru se datorează în primul rând dimensiunii sale de energie.

După cum reiese clar din precedentul, scara de energie a Modelului Standard este de ordinul M cm = 100 GeV (nu vorbim aici de interacțiuni puternice cu o scară de 1 GeV, totul este mai simplu cu ea). Aceasta este scara de masă a bosonilor W ± și Z și a bosonului Higgs. Este mult sau puțin? Din punct de vedere experimental - destul de mult, dar din punct de vedere teoretic...

În fizică există o altă scară de energie. Este asociat cu gravitația și este egal cu masa Planck M pl = 10 19 GeV. La energii joase, interacțiunile gravitaționale dintre particule sunt neglijabile, dar cresc odată cu creșterea energiei, iar la energii de ordinul lui M pl, gravitația devine puternică. Energiile peste M pl sunt regiunea gravitației cuantice, oricare ar fi aceasta. Este important pentru noi că gravitația este poate cea mai fundamentală interacțiune, iar scala gravitațională M pl este cea mai fundamentală scară de energie. De ce atunci scara modelului standard Mcm = 100 GeV este atât de departe de Mpl = 1019 GeV?

Problema identificată are un alt aspect, mai subtil. Este asociat cu proprietățile vidului fizic. În teoria cuantică, vidul - starea de bază a naturii - este structurat într-un mod foarte non-trivial. Particulele virtuale sunt în mod constant create și distruse în el; cu alte cuvinte, fluctuațiile câmpului se formează și dispar. Nu putem observa direct aceste procese, dar ele influențează proprietățile observabile ale particulelor elementare, atomilor etc. De exemplu, interacțiunea unui electron dintr-un atom cu electroni și fotoni virtuali duce la un fenomen observat în spectrele atomice - deplasarea Lamb. Un alt exemplu: corectarea momentului magnetic al unui electron sau muon (moment magnetic anormal) se datorează și interacțiunii cu particulele virtuale. Aceste efecte și efecte similare au fost calculate și măsurate (în aceste cazuri cu o acuratețe fantastică!), astfel încât să putem fi siguri că avem imaginea corectă a vidului fizic.

În această imagine, toți parametrii incluși inițial în teorie primesc corecții, numite radiative, datorită interacțiunii cu particulele virtuale. În electrodinamica cuantică sunt mici, dar în sectorul Engler-Brout-Higgs sunt uriașe. Aceasta este particularitatea câmpurilor scalare elementare care alcătuiesc acest sector; alte câmpuri nu au această proprietate. Efectul principal aici este că corecțiile radiative tind să „trage” scara de energie a modelului standard M cm spre scara gravitațională M pl. Dacă rămânem în cadrul Modelului Standard, atunci singura cale de ieșire este selectarea parametrilor inițiali ai teoriei, astfel încât, împreună cu corecțiile de radiație, să conducă la valoarea corectă a lui M cm. Cu toate acestea, se dovedește că acuratețea potrivirea ar trebui să fie aproape de M cm 2 /M pl 2 = 10 -34 ! Acesta este cel de-al doilea aspect al problemei la scara energetică a modelului standard: pare neplauzibil ca o astfel de potrivire să apară în natură.

Mulți (deși, repetăm, nu toți) teoreticieni cred că această problemă indică clar necesitatea de a depăși Modelul Standard. Într-adevăr, dacă modelul standard încetează să funcționeze sau se extinde semnificativ pe scara energetică a „nouei fizice - NF” M nf, atunci precizia necesară pentru ajustarea parametrilor va fi, aproximativ vorbind, M 2 cm / M 2 nf, dar de fapt este cu aproximativ două ordine de mărime mai mică. Dacă presupunem că nu există o reglare fină a parametrilor în natură, atunci scara „noii fizicii” ar trebui să se afle în regiunea de 1-2 TeV, adică exact în regiunea accesibilă pentru cercetare la Large Hadron Collider!

Cum ar putea fi o „nouă fizică”? Nu există o unitate între teoreticieni în această chestiune. O posibilitate este natura compusă a câmpurilor scalare care asigură ruperea spontană de simetrie deja discutată. O altă posibilitate, de asemenea populară (până acum?) este supersimetria, despre care vom spune doar că prezice o întreagă grădină zoologică de particule noi cu mase în intervalul de sute de GeV - câțiva TeV. Se discută și opțiuni foarte exotice, cum ar fi dimensiuni suplimentare ale spațiului (de exemplu, așa-numita teorie M - vezi „Science and Life” nr. 2, 3, 1997, articolul „Superstrings: on the way to theory” din toate.” – Ed. .).

În ciuda tuturor eforturilor, încă nu au fost primite indicații experimentale despre „noua fizică”. Acest lucru, de fapt, începe deja să inspire îngrijorare: înțelegem totul corect? Este foarte posibil, totuși, să nu fi ajuns încă la „noua fizică” în ceea ce privește energia și cantitatea de date colectate și că noi descoperiri revoluționare vor fi asociate cu aceasta. Principalele speranțe aici sunt puse din nou pe Large Hadron Collider, care într-un an și jumătate va începe să funcționeze la energie maximă de 13-14 TeV și va colecta rapid date. Urmăriți știrile!

Mașini precise de măsurare și descoperire

Fizica particulelor, care studiază cele mai mici obiecte din natură, necesită facilități uriașe de cercetare în care aceste particule accelerează, se ciocnesc și se dezintegrează. Cele mai puternice dintre ele sunt ciocnitorii.

Ciocnitorul este un accelerator cu fascicule de particule care se ciocnesc, în care particulele se ciocnesc frontal, de exemplu, electroni și pozitroni în ciocnitoarele e + e -. Până acum s-au creat și ciocnitorii proton-antiproton, proton-proton, electron-proton și nucleu-nucleu (sau ion greoi). Alte posibilități, de exemplu, μ + μ - - colider, sunt încă în discuție. Principalii ciocnitori pentru fizica particulelor sunt proton-antiproton, proton-proton și electron-pozitron.

Large Hadron Collider (LHC)- proton-proton, accelerează două fascicule de protoni unul către celălalt (poate funcționa și ca un ciocnitor de ioni grei). Energia de proiectare a protonilor din fiecare fascicul este de 7 TeV, deci energia totală de coliziune este de 14 TeV. În 2011, civizorul a funcționat la jumătate din această energie, iar în 2012, la energie maximă de 8 TeV. Large Hadron Collider este un inel lung de 27 km în care protonii sunt accelerați de câmpuri electrice și reținuți de câmpuri create de magneți supraconductori. Ciocnirile de protoni au loc în patru locații unde sunt amplasate detectoare pentru a înregistra particulele produse în ciocniri. ATLAS și CMS sunt concepute pentru cercetarea fizicii particulelor de înaltă energie; LHC-b este pentru studierea particulelor care conțin cuarci b, iar ALICE este pentru studiul materiei cuarc-gluon fierbinte și densă.

Spp̃S- ciocnitorul proton-antiproton la CERN. Lungimea inelului este de 6,9 ​​km, energia maximă de coliziune este de 630 GeV. A lucrat din 1981 până în 1990.

LEP- un colisionator inel electron-pozitron cu o energie de coliziune maximă de 209 GeV, situat în același tunel cu LHC. A lucrat din 1989 până în 2000.

SLC— ciocnizor liniar electron-pozitron la SLAC, SUA. Energia de coliziune 91 GeV (masa bosonului Z). A lucrat din 1989 până în 1998.

Tevatron este un inel de coliziune proton-antiproton la Fermilab, SUA. Lungimea inelului este de 6 km, energia maximă de coliziune este de 2 TeV. A lucrat din 1987 până în 2011.

Când comparăm ciocnitorii proton-proton și proton-antiproton cu ciocnitorii electron-pozitron, trebuie să rețineți că protonul este o particulă compozită; conține quarci și gluoni. Fiecare dintre acești quarci și gluoni transportă doar o fracțiune din energia unui proton. Prin urmare, în Large Hadron Collider, de exemplu, energia unei coliziuni elementare (între doi cuarci, între doi gluoni sau un cuarc cu un gluon) este semnificativ mai mică decât energia totală a protonilor care se ciocnesc (14 TeV la parametrii de proiectare) . Din acest motiv, intervalul de energie disponibil pentru studiu ajunge la „doar” 2-4 TeV, în funcție de procesul studiat. Ciocnitoarele electron-pozitron nu au o astfel de caracteristică: electronul este o particulă elementară, fără structură.

Avantajul ciocnitorilor proton-proton (și proton-antiproton) este că, chiar și luând în considerare această caracteristică, este mai ușor din punct de vedere tehnic să se obțină energii mari de coliziune cu aceștia decât cu ciocnitoarele electron-pozitroni. Există și un minus. Din cauza structurii compozite a protonului și pentru că quarcii și gluonii interacționează între ele mult mai puternic decât electronii și pozitronii, în ciocnirile de protoni au loc mult mai multe evenimente care nu sunt interesante din punctul de vedere al căutării bosonului Higgs sau alte particule și fenomene noi. Evenimentele interesante par mai „murdare” în ciocnirile de protoni; în ele se nasc multe particule „străine”, neinteresante. Toate acestea creează „zgomot”, de care este mai dificil să izolați un semnal util decât la ciocnitorii electron-pozitroni. În consecință, precizia măsurării este mai mică. Din această cauză, ciocnitorii proton-proton (și proton-antiproton) se numesc mașini de descoperire, iar ciocnitorii electron-pozitroni se numesc mașini de măsurare de precizie.

Deviație standard(abatere standard) σ x - caracteristică abaterilor aleatorii ale valorii măsurate de la valoarea medie. Probabilitatea ca valoarea măsurată a lui X să difere aleatoriu cu 5σ x de valoarea adevărată este de numai 0,00006%. Acesta este motivul pentru care în fizica particulelor o abatere a semnalului de la fundal cu 5σ este considerată suficientă pentru a recunoaște semnalul ca fiind adevărat.

Particule, enumerate în Modelul standard, cu excepția protonului, electronului, neutrinului și antiparticulelor lor, sunt instabile: se descompun în alte particule. Cu toate acestea, două dintre cele trei tipuri de neutrini ar trebui să fie și ele instabile, dar durata lor de viață este extrem de lungă. În fizica microlumilor există un principiu: tot ceea ce se poate întâmpla se întâmplă de fapt. Prin urmare, stabilitatea unei particule este asociată cu un fel de lege de conservare. Prin legea conservării sarcinii, electronul și pozitronul sunt interzise să se descompună. Cel mai ușor neutrin (spin 1/2) nu se dezintegra datorită conservării momentului unghiular. Dezintegrarea unui proton este interzisă de legea conservării unei alte „sarcini”, care se numește număr barion (numărul barionic al unui proton, prin definiție, este 1, iar cel al particulelor mai ușoare este zero).

O altă simetrie internă este asociată cu numărul barionului. Indiferent dacă este precis sau aproximativ, dacă protonul este stabil sau are o durată de viață finită, deși foarte lungă, este un subiect pentru o discuție separată.

Quarci- unul dintre tipurile de particule elementare. În stare liberă, ele nu sunt observate, dar sunt întotdeauna conectate între ele și formează particule compozite - hadroni. Singura excepție este cuarcul t; se descompune înainte de a avea timp să se combine cu alți cuarci sau antiquarci într-un hadron. Hadronii includ protoni, neutroni, π-mesoni, K-mezoni etc.

Cuarcul b este unul dintre cele șase tipuri de cuarci, al doilea ca masă după cuarcul t.

Un muon este un analog greu instabil al unui electron cu o masă m μ = 106 MeV. Durata de viață a muonului T μ = 2·10 -6 secunde este suficient de lungă pentru ca acesta să zboare prin întregul detector fără a se dezintegra.

Particulă virtuală diferă de cea reală prin aceea că pentru o particulă reală este satisfăcută relația relativistă obișnuită dintre energie și impuls E 2 = p 2 s 2 + m 2 s 4, dar pentru una virtuală nu este satisfăcută. Acest lucru este posibil datorită relației mecanice cuantice ΔE·Δt ~ ħ între incertitudinea energetică ΔE și durata procesului Δt. Prin urmare, o particulă virtuală se descompune aproape instantaneu sau se anihilează cu o alta (durata sa de viață Δt este foarte scurtă), în timp ce una reală trăiește considerabil mai mult sau este în general stabilă.

Schimbarea nivelului de miel- o ușoară abatere a structurii fine a nivelurilor unui atom de hidrogen și atomilor de tip hidrogen sub influența emisiei și absorbției fotonilor virtuali sau a creării și anihilării virtuale a perechilor electron-pozitron. Efectul a fost descoperit în 1947 de către fizicienii americani W. Lamb și R. Rutherford.

După ce a rămas evazivă mult timp, așa-numita particulă a lui Dumnezeu a fost în sfârșit prinsă. Bosonul Higgs era piesa lipsă dintr-un puzzle numit Modelul Standard. Oamenii de știință cred că acest boson este responsabil pentru masa particulelor. În special, Large Hadron Collider a fost construit special pentru a căuta bosonul Higgs, care a făcut față sarcinii sale principale. Dar pentru oamenii de știință au apărut noi mistere: există într-adevăr un boson Higgs? În plus, descoperirea acestui boson nu a explicat în niciun fel existența paradoxală a materiei întunecate, care a ocupat din ce în ce mai mult fizicienii în ultima vreme.

Fizicienii au văzut în sfârșit o particulă fundamentală descoperită pentru prima dată la Large Hadron Collider dezintegrarea în doi cuarcuri de frumusețe, particule exotice, de scurtă durată, care apar adesea după ciocnirile cu particule de mare energie. Am putut observa acest proces evaziv abia acum, pentru prima dată în șase ani de la descoperirea bosonului Higgs. Oamenii de știință de la două experimente LHC, ATLAS și CMS, și-au raportat rezultatele simultan în cadrul unui atelier organizat la CERN pe 28 august.

Unul dintre cele mai mari mistere ale fizicii poate fi rezolvat printr-un câmp axion „asemănător unei saltele” care pătrunde în spațiu și timp. Trei fizicieni care colaborează în zona golfului San Francisco în ultimii trei ani au dezvoltat o nouă soluție la o întrebare care le-a deranjat domeniul științific de mai bine de 30 de ani. Chiar și un elev de liceu poate formula acest mister profund, care a alimentat experimente la cei mai puternici acceleratori de particule și a dat naștere la ipoteze controversate multivers: cum un magnet ridică o agrafă împotriva atracției gravitaționale a întregii planete.