Ako teória, Štandardný model funguje dobre, napriek jeho neschopnosti prispôsobiť sa gravitácii. Vďaka tomu fyzici predpovedali existenciu určitých častíc ešte predtým, než boli experimentálne objavené. A tak sa na obzore objavil Higgsov bozón. Poďme zistiť, ako táto častica zapadá do Štandardného modelu a vesmíru ako celku.

Higgsov bozón: posledný kúsok skladačky

Vedci sa domnievajú, že každá z týchto štyroch základných síl má zodpovedajúcu časticu (alebo bozón), ktorá ovplyvňuje hmotu. Je to ťažké pochopiť. Zvykli sme si myslieť na silu ako na tajomný éter, ktorý leží mimo bytia a nebytia, ale v skutočnosti je sila taká skutočná ako hmota samotná.

Niektorí fyzici opisujú bozóny ako šupiny spojené gumičkami s časticami hmoty, ktoré ich vytvárajú. Pomocou tejto analógie si môžeme predstaviť, že bozóny neustále vystreľujú gumičkami a zapletajú sa s inými bozónmi v procese vytvárania sily.

Vedci sa domnievajú, že každá zo štyroch základných síl má svoje vlastné špecifické bozóny. Elektromagnetické polia napríklad prenášajú elektromagnetickú silu na hmotu cez fotón. Fyzici si myslia, že Higgsov bozón má rovnakú funkciu, ale prenáša hmotu.

Môže však mať hmota hmotnosť bez Higgsovho bozónu? Podľa Štandardného modelu nie. Fyzici však našli riešenie. Čo ak všetky častice nemajú svoju hmotnosť, ale získajú ju prechodom cez určité pole? Toto pole, známe ako Higgsovo pole, ovplyvňuje rôzne častice odlišne. Fotóny môžu nepozorovane prekĺznuť, ale bozóny W a Z uviaznu v hmote. V skutočnosti predpoklad existencie Higgsovho bozónu hovorí, že všetko, čo má hmotnosť, interaguje s všadeprítomným Higgsovým poľom, ktoré zaberá celý vesmír. A podobne ako iné polia opísané v štandardnom modeli, aj Higgsovo pole potrebuje svoju vlastnú nosnú časticu, aby ovplyvnilo ostatné častice. Volá sa Higgsov bozón.

4. júla 2012 vedci pracujúci na Veľkom hadrónovom urýchľovači oznámili, že objavili časticu, ktorá sa správa ako Higgsov bozón. Môžete si vydýchnuť – mysleli si fyzici, no ukázalo sa, že podobných bozónov ako Higgs môže existovať niekoľko, čo znamená, že výskum na vyšších energetických úrovniach bude pokračovať a pokračovať.

Pozoruhodné je, že Higgsov bozón sa nečakane ukázal ako predzvesť smrti vesmíru. Scenár je možný.

My, tím Quantuz, (pokúšame sa pripojiť ku komunite GT) ponúkame náš preklad sekcie webovej stránky častícadventure.org venovanej Higgsovmu bozónu. V tomto texte sme vylúčili neinformatívne obrázky (plnú verziu nájdete v origináli). Materiál bude zaujímavý pre každého, kto sa zaujíma o najnovšie výdobytky aplikovanej fyziky.

Úloha Higgsovho bozónu

Higgsov bozón bol poslednou časticou objavenou v štandardnom modeli. Toto je kritická zložka teórie. Jeho objav pomohol potvrdiť mechanizmus, akým základné častice získavajú hmotnosť. Tieto základné častice v štandardnom modeli sú kvarky, leptóny a častice prenášajúce silu.

teória z roku 1964

V roku 1964 šesť teoretických fyzikov vyslovilo hypotézu o existencii nového poľa (ako je elektromagnetické pole), ktoré vypĺňa celý priestor a rieši kritický problém v našom chápaní vesmíru.

Nezávisle na tom iní fyzici vyvinuli teóriu základných častíc, nakoniec nazvanú Štandardný model, ktorý poskytoval fenomenálnu presnosť (experimentálna presnosť niektorých častí Štandardného modelu dosahuje 1 ku 10 miliardám. To sa rovná predpovedi vzdialenosti medzi New Yorkom a San Francisco s presnosťou asi 0,4 mm). Ukázalo sa, že tieto snahy sú úzko prepojené. Štandardný model potreboval mechanizmus, aby častice získali hmotnosť. Teóriu poľa vyvinuli Peter Higgs, Robert Brout, Francois Englert, Gerald Guralnick, Carl Hagen a Thomas Kibble.

bozón

Peter Higgs si uvedomil, že analogicky s inými kvantovými poľami musí existovať častica spojená s týmto novým poľom. Musí mať spin rovný nule, a teda musí ísť o bozón - časticu s celočíselným spinom (na rozdiel od fermiónov, ktoré majú polovičný spin: 1/2, 3/2 atď.). A skutočne sa čoskoro stal známym ako Higgsov bozón. Jeho jedinou nevýhodou bolo, že ho nikto nevidel.

Aká je hmotnosť bozónu?

Bohužiaľ, teória, ktorá bozón predpovedala, nešpecifikovala jeho hmotnosť. Uplynuli roky, kým sa ukázalo, že Higgsov bozón musí byť extrémne ťažký a s najväčšou pravdepodobnosťou mimo dosahu zariadení vybudovaných pred Veľkým hadrónovým urýchľovačom (LHC).

Pamätajte, že podľa E=mc 2 platí, že čím väčšia je hmotnosť častice, tým viac energie je potrebné na jej vytvorenie.

V čase, keď LHC začal zbierať údaje v roku 2010, experimenty na iných urýchľovačoch ukázali, že hmotnosť Higgsovho bozónu by mala byť väčšia ako 115 GeV/c2. Počas experimentov na LHC sa plánovalo hľadať dôkazy o bozóne v hmotnostnom rozsahu 115-600 GeV/c2 alebo dokonca vyššom ako 1000 GeV/c2.

Každý rok bolo experimentálne možné vylúčiť bozóny s vyššou hmotnosťou. V roku 1990 bolo známe, že požadovaná hmotnosť by mala byť väčšia ako 25 GeV/c2 a v roku 2003 sa ukázalo, že bola väčšia ako 115 GeV/c2.

Zrážky vo Veľkom hadrónovom urýchľovači by mohli priniesť veľa zaujímavých vecí

Dennis Overbye v New York Times hovorí o obnovení podmienok bilióntiny sekundy po Veľkom tresku a hovorí:

« ...pozostatky [explózie] v tejto časti vesmíru neboli viditeľné od ochladenia vesmíru pred 14 miliardami rokov - jar života je pominuteľná, znova a znova vo všetkých svojich možných variáciách, ako keby vesmír sa podieľali na vlastnej verzii filmu Hromnice»

Jedným z týchto „pozostatkov“ môže byť Higgsov bozón. Jeho hmotnosť musí byť veľmi veľká a musí sa rozpadnúť za menej ako nanosekundu.

Oznámenie

Po polstoročí očakávaní nabrala dráma na intenzite. Fyzici spali mimo auditória, aby sa usadili na seminári v laboratóriu CERN v Ženeve.

Desaťtisíc míľ ďaleko, na druhej strane planéty, sa na prestížnej medzinárodnej konferencii o fyzike častíc v Melbourne stretli stovky vedcov zo všetkých kútov sveta, aby si vypočuli vysielanie seminára zo Ženevy.

Najprv sa však pozrime na pozadie.

Ohňostroj 4. júla

4. júla 2012 predstavili riaditelia experimentov ATLAS a CMS vo Veľkom hadrónovom urýchľovači svoje najnovšie výsledky pri hľadaní Higgsovho bozónu. Hovorilo sa, že sa chystajú hlásiť viac ako len správu o výsledkoch, ale čo?

Keď boli výsledky prezentované, obe spolupráce, ktoré experimenty uskutočnili, uviedli, že našli dôkazy o existencii častice „podobnej Higgsovmu bozónu“ s hmotnosťou približne 125 GeV. Určite to bola častica a ak to nie je Higgsov bozón, tak je to jeho veľmi kvalitná napodobenina.

Dôkazy neboli nepresvedčivé; vedci mali výsledky päť sigma, čo znamená, že pravdepodobnosť, že údaje boli jednoducho štatistickou chybou, bola menšia ako jedna k miliónu.

Higgsov bozón sa rozpadá na iné častice

Higgsov bozón sa rozpadá na ďalšie častice takmer okamžite po jeho vzniku, takže môžeme pozorovať iba produkty jeho rozpadu. Najbežnejšie rozpady (medzi tými, ktoré môžeme vidieť) sú znázornené na obrázku:

Každý režim rozpadu Higgsovho bozónu je známy ako „kanál rozpadu“ alebo „režim rozpadu“. Aj keď je režim bb bežný, mnohé iné procesy produkujú podobné častice, takže ak pozorujete rozpad bb, je veľmi ťažké povedať, či sú častice spôsobené Higgsovým bozónom alebo niečím iným. Hovoríme, že režim rozpadu bb má „široké pozadie“.

Najlepšie kanály rozpadu na hľadanie Higgsovho bozónu sú kanály dvoch fotónov a dvoch Z bozónov.*

*(Technicky, pre hmotnosť Higgsovho bozónu 125 GeV nie je rozpad na dva Z bozóny možný, pretože Z bozón má hmotnosť 91 GeV, čo spôsobuje, že pár má hmotnosť 182 GeV, väčšiu ako 125 GeV. čo pozorujeme, je rozpad na Z-bozón a virtuálny Z-bozón (Z*), ktorých hmotnosť je oveľa menšia.)

Rozpad Higgsovho bozónu na Z + Z

Z bozóny majú tiež niekoľko režimov rozpadu, vrátane Z → e+ + e- a Z → u+ + µ-.

Režim rozpadu Z + Z bol pomerne jednoduchý pre experimenty ATLAS a CMS, pričom oba bozóny Z sa rozpadali v jednom z dvoch režimov (Z → e+ e- alebo Z → µ+ µ-). Obrázok ukazuje štyri pozorované režimy rozpadu Higgsovho bozónu:

Konečným výsledkom je, že niekedy pozorovateľ uvidí (okrem niektorých neviazaných častíc) štyri mióny alebo štyri elektróny alebo dva mióny a dva elektróny.

Ako by vyzeral Higgsov bozón v detektore ATLAS

V tomto prípade sa objavil „prúd“ (prúd) a Higgsov bozón stúpal, ale takmer okamžite sa rozpadol. Každý obrázok kolízie sa nazýva „udalosť“.

Príklad udalosti s možným rozpadom Higgsovho bozónu v podobe krásnej animácie zrážky dvoch protónov vo Veľkom hadrónovom urýchľovači si ju môžete pozrieť na zdrojovom webe na tomto odkaze.

V tomto prípade môže byť vytvorený Higgsov bozón, ktorý sa potom okamžite rozpadne na dva Z bozóny, ktoré sa následne okamžite rozpadnú (zanechajú dva mióny a dva elektróny).

Mechanizmus, ktorý dáva časticiam hmotnosť

Objav Higgsovho bozónu je neuveriteľným kľúčom k tomu, ako základné častice získavajú hmotnosť, ako tvrdia Higgs, Brout, Engler, Gerald, Karl a Kibble. Čo je to za mechanizmus? Ide o veľmi zložitú matematickú teóriu, ale jej hlavnú myšlienku možno pochopiť jednoduchou analógiou.

Predstavte si priestor naplnený Higgsovým poľom, ako partia fyzikov, ktorí spolu pokojne komunikujú pri koktailoch...
V jednom momente vstúpi Peter Higgs a vytvára vzrušenie, keď sa pohybuje po miestnosti, pričom každým krokom priťahuje skupinu fanúšikov...

Pred vstupom do miestnosti sa profesor Higgs mohol voľne pohybovať. No po vstupe do miestnosti plnej fyzikov sa jeho rýchlosť znížila. Skupina fanúšikov spomalila jeho pohyb po miestnosti; inými slovami, pribral na hmotnosti. Je to analogické s bezhmotnými časticami, ktoré získavajú hmotnosť pri interakcii s Higgsovým poľom.

Ale jediné, čo chcel, bolo dostať sa do baru!

(Nápad na analógiu patrí prof. Davidovi J. Millerovi z University College London, ktorý získal cenu za dostupné vysvetlenie Higgsovho bozónu - © CERN)

Ako získa Higgsov bozón svoju vlastnú hmotnosť?

Na druhej strane, ako sa správa šíri po miestnosti, tvoria aj skupiny ľudí, tentoraz však výlučne fyzikov. Takáto skupina sa môže pomaly pohybovať po miestnosti. Podobne ako iné častice, aj Higgsov bozón získava hmotnosť jednoduchou interakciou s Higgsovým poľom.

Nájdenie hmotnosti Higgsovho bozónu

Ako zistíte hmotnosť Higgsovho bozónu, ak sa rozpadne na iné častice skôr, ako ho zistíme?

Ak sa rozhodnete zostaviť bicykel a chcete poznať jeho hmotnosť, mali by ste spočítať hmotnosti častí bicykla: dve kolesá, rám, riadidlá, sedlo atď.

Ale ak chcete vypočítať hmotnosť Higgsovho bozónu z častíc, na ktoré sa rozpadol, nemôžete jednoducho sčítať hmotnosti. Prečo nie?

Sčítanie hmotností častíc rozpadu Higgsovho bozónu nefunguje, pretože tieto častice majú obrovskú kinetickú energiu v porovnaní s pokojovou energiou (pamätajte, že pre časticu v pokoji E = mc 2). K tomu dochádza v dôsledku skutočnosti, že hmotnosť Higgsovho bozónu je oveľa väčšia ako hmotnosti konečných produktov jeho rozpadu, takže zostávajúca energia niekam ide, konkrétne do kinetickej energie častíc, ktoré vznikajú po rozpade. Relativita nám hovorí, aby sme použili nižšie uvedenú rovnicu na výpočet „invariantnej hmotnosti“ množiny častíc po rozpade, čo nám dá hmotnosť „rodiča“, Higgsovho bozónu:

E2=p2c2+m2c4

Nájdenie hmotnosti Higgsovho bozónu z produktov jeho rozpadu

Poznámka Quantuz: tu sme si trochu neistí prekladom, keďže sú tam zahrnuté špeciálne výrazy. Pre každý prípad odporúčame porovnať preklad so zdrojom.

Keď hovoríme o rozpade ako H → Z + Z* → e+ + e- + µ+ + µ-, potom by štyri možné kombinácie uvedené vyššie mohli pochádzať z rozpadu Higgsovho bozónu a procesov na pozadí, takže sa musíme pozrieť na histogram celkovej hmotnosti štyroch častíc v týchto kombináciách.

Hmotnostný histogram naznačuje, že pozorujeme veľké množstvo udalostí a zaznamenávame počet týchto udalostí, keď sa získa výsledná invariantná hmotnosť. Vyzerá to ako histogram, pretože hodnoty invariantnej hmotnosti sú rozdelené do stĺpcov. Výška každého stĺpca ukazuje počet udalostí, v ktorých je invariantná hmotnosť v zodpovedajúcom rozsahu.

Mohli by sme si predstaviť, že ide o výsledky rozpadu Higgsovho bozónu, ale nie je to tak.

Údaje o Higgsovom bozóne z pozadia

Červené a fialové oblasti histogramu znázorňujú „pozadie“, v ktorom sa očakáva počet štyroch leptónových udalostí bez účasti Higgsovho bozónu.

Modrá oblasť (pozri animáciu) predstavuje „signálovú“ predpoveď, v ktorej počet štyroch leptónových udalostí naznačuje výsledok rozpadu Higgsovho bozónu. Signál je umiestnený v hornej časti pozadia, pretože ak chcete získať celkový predpokladaný počet udalostí, jednoducho spočítate všetky možné výsledky udalostí, ktoré by mohli nastať.

Čierne bodky znázorňujú počet pozorovaných udalostí, zatiaľ čo čierne čiary prechádzajúce bodkami predstavujú štatistickú neistotu v týchto číslach. Nárast údajov (pozri ďalšiu snímku) pri 125 GeV je znakom novej častice 125 GeV (Higgsov bozón).

Animácia vývoja údajov pre Higgsov bozón pri ich hromadení je na pôvodnej webovej stránke.

Signál Higgsovho bozónu pomaly stúpa nad pozadie.

Údaje z Higgsovho bozónu sa rozpadajú na dva fotóny

Rozpad na dva fotóny (H → γ + γ) má ešte širšie pozadie, no napriek tomu je signál jasne rozlíšený.

Toto je histogram invariantnej hmotnosti pre rozpad Higgsovho bozónu na dva fotóny. Ako vidíte, pozadie je v porovnaní s predchádzajúcim grafom veľmi široké. Je to preto, že existuje oveľa viac procesov, ktoré produkujú dva fotóny, ako procesov, ktoré produkujú štyri leptóny.

Prerušovaná červená čiara zobrazuje pozadie a hrubá červená čiara zobrazuje súčet pozadia a signálu. Vidíme, že údaje sú v dobrej zhode s novou časticou okolo 125 GeV.

Nevýhody prvých údajov

Údaje boli presvedčivé, ale nie dokonalé a mali značné obmedzenia. Do 4. júla 2012 nebolo k dispozícii dostatok štatistických údajov na určenie rýchlosti, ktorou sa častica (Higgsov bozón) rozpadá na rôzne súbory menej hmotných častíc (takzvané "rozvetvovacie proporcie") predpovedané štandardným modelom.

"Pomer vetvenia" je jednoducho pravdepodobnosť, že sa častica rozpadne cez daný rozpadový kanál. Tieto proporcie sú predpovedané štandardným modelom a merané opakovaným pozorovaním rozpadov tých istých častíc.

Nasledujúci graf ukazuje najlepšie merania proporcií vetvenia, ktoré môžeme urobiť od roku 2013. Keďže ide o proporcie predpovedané štandardným modelom, očakávaná hodnota je 1,0. Body sú aktuálne merania. Je zrejmé, že chybové úsečky (červené čiary) sú väčšinou stále príliš veľké na to, aby sa dali vyvodiť vážne závery. Tieto segmenty sa skracujú po prijatí nových údajov a body sa môžu pohnúť.

Ako viete, že človek pozoruje kandidátsku udalosť na Higgsov bozón? Existujú jedinečné parametre, ktoré rozlišujú takéto udalosti.

Je častica Higgsovým bozónom?

Aj keď sa zistilo, že sa nová častica rozpadá, rýchlosť, akou sa to dialo, bola 4. júla stále nejasná. Nebolo ani známe, či objavená častica mala správne kvantové čísla – teda či mala spin a paritu potrebnú pre Higgsov bozón.

Inými slovami, 4. júla častica vyzerala ako kačica, ale potrebovali sme sa uistiť, že pláva ako kačka a kváka ako kačica.

Všetky výsledky z experimentov ATLAS a CMS veľkého hadrónového urýchľovača (ako aj zrážača Tevatron vo Fermilabe) po 4. júli 2012 ukázali pozoruhodnú zhodu s očakávanými proporciami vetvenia pre päť režimov rozpadu diskutovaných vyššie a súhlas s očakávaným spinom (rovná sa nule) a parita (rovná sa +1), čo sú základné kvantové čísla.

Tieto parametre sú dôležité pri určovaní, či je nová častica skutočne Higgsovým bozónom alebo inou neočakávanou časticou. Takže všetky dostupné dôkazy poukazujú na Higgsov bozón zo štandardného modelu.

Niektorí fyzici to považovali za sklamanie! Ak je novou časticou Higgsov bozón zo štandardného modelu, potom je štandardný model v podstate kompletný. Všetko, čo sa teraz dá urobiť, je vykonávať merania s narastajúcou presnosťou toho, čo už bolo objavené.

Ale ak sa ukáže, že nová častica je niečo, čo štandardný model nepredpovedal, otvorí to dvere mnohým novým teóriám a nápadom, ktoré treba otestovať. Neočakávané výsledky si vždy vyžadujú nové vysvetlenia a pomáhajú posúvať teoretickú fyziku dopredu.

Odkiaľ sa vo vesmíre vzala hmota?

V bežnej hmote je väčšina hmoty obsiahnutá v atómoch a presnejšie povedané, je obsiahnutá v jadre pozostávajúcom z protónov a neutrónov.

Protóny a neutróny sa skladajú z troch kvarkov, ktoré získavajú svoju hmotnosť interakciou s Higgsovým poľom.

ALE... hmotnosti kvarkov prispievajú asi 10 MeV, čo je asi 1% hmotnosti protónu a neutrónu. Odkiaľ teda pochádza zvyšná hmota?

Ukazuje sa, že hmotnosť protónu vzniká z kinetickej energie kvarkov, ktoré ho tvoria. Ako, samozrejme, viete, hmotnosť a energia sú spojené rovnosťou E=mc 2.

Takže len malý zlomok hmotnosti bežnej hmoty vo vesmíre patrí do Higgsovho mechanizmu. Ako však uvidíme v ďalšej časti, vesmír by bol bez Higgsovej hmoty úplne neobývateľný a Higgsov mechanizmus by nemal kto objaviť!

Keby nebolo Higgsovho poľa?

Ak by neexistovalo Higgsovo pole, aký by bol vesmír?

Nie je to také zrejmé.

Určite by nič neviazalo elektróny v atómoch. Rozleteli by sa rýchlosťou svetla.

Ale kvarky sú viazané silnou interakciou a nemôžu existovať vo voľnej forme. Niektoré viazané stavy kvarkov môžu byť zachované, ale nie je jasné, čo sa týka protónov a neutrónov.

Toto všetko by bola pravdepodobne nukleárna záležitosť. A možno sa toto všetko zrútilo následkom gravitácie.

Fakt, ktorým sme si istí: Vesmír by bol studený, tmavý a bez života.
Higgsov bozón nás teda zachraňuje pred studeným, temným vesmírom bez života, kde nie sú ľudia, ktorí by Higgsov bozón objavili.

Je Higgsov bozón bozónom zo štandardného modelu?

S istotou vieme, že častica, ktorú sme objavili, je Higgsov bozón. Vieme tiež, že je veľmi podobný Higgsovmu bozónu zo Štandardného modelu. Existujú však dva body, ktoré stále nie sú dokázané:

1. Napriek tomu, že Higgsov bozón je zo štandardného modelu, existujú malé nezrovnalosti naznačujúce existenciu novej fyziky (v súčasnosti neznámej).
2. Existuje viac ako jeden Higgsov bozón s rôznou hmotnosťou. To tiež naznačuje, že budú existovať nové teórie na preskúmanie.

Len čas a nové údaje odhalia buď čistotu Štandardného modelu a jeho bozónu, alebo nové vzrušujúce fyzikálne teórie.

Jednoducho povedané, Higgsov bozón je najdrahšia častica všetkých čias. Ak by na to stačila napríklad vákuová trubica a pár brilantných myslí, hľadanie Higgsovho bozónu si vyžadovalo vytvorenie experimentálnej energie, ktorá sa na Zemi vyskytuje len zriedka. Veľký hadrónový urýchľovač nie je potrebné predstavovať, je jedným z najznámejších a najúspešnejších vedeckých experimentov, no jeho profilová častica je, rovnako ako predtým, pre väčšinu populácie zahalená rúškom tajomstva. Dostala názov Božia častica, no vďaka úsiliu doslova tisícok vedcov už jej existenciu nemusíme brať ako samozrejmosť.

Posledná neznáma

Čo to je a aký význam má jej objavenie? Prečo sa stal predmetom toľkého humbuku, financovania a dezinformácií? Z dvoch dôvodov. Po prvé, bola to posledná neobjavená častica potrebná na potvrdenie štandardného modelu fyziky. Jeho objav znamenal, že celá generácia vedeckých publikácií nebola márna. Po druhé, tento bozón dáva iným časticiam ich hmotnosť, čo mu dáva zvláštny význam a určitú „kúzelnosť“. Máme tendenciu myslieť na hmotnosť ako na vnútornú vlastnosť vecí, ale fyzici uvažujú inak. Jednoducho povedané, Higgsov bozón je častica, bez ktorej hmotnosť v podstate neexistuje.

Ešte jedno pole

Dôvod spočíva v takzvanom Higgsovom poli. Bol popísaný ešte pred Higgsovým bozónom, keďže ho fyzici vypočítali pre potreby vlastných teórií a pozorovaní, ktoré si vyžadovali prítomnosť nového poľa, ktorého pôsobenie by sa rozšírilo na celý Vesmír. Posilňovanie hypotéz vymýšľaním nových častí vesmíru je nebezpečné. V minulosti to viedlo napríklad k vytvoreniu teórie éteru. Čím viac matematických výpočtov sa však urobilo, tým viac fyzikov si uvedomovalo, že Higgsovo pole musí v skutočnosti existovať. Jediným problémom bol nedostatok praktických možností na jeho pozorovanie.

V štandardnom modeli fyzici získavajú hmotnosť prostredníctvom mechanizmu založeného na existencii Higgsovho poľa, ktoré preniká celým priestorom. Vytvára Higgsove bozóny, ktoré vyžadujú veľké množstvo energie, a to je hlavný dôvod, prečo vedci potrebujú moderné urýchľovače častíc na uskutočňovanie vysokoenergetických experimentov.

Odkiaľ pochádza hmota?

Sila slabých jadrových interakcií rýchlo klesá s rastúcou vzdialenosťou. Podľa kvantovej teórie poľa to znamená, že častice, ktoré sa podieľajú na jeho tvorbe – W a Z bozóny – musia mať hmotnosť, na rozdiel od gluónov a fotónov, ktoré nemajú žiadnu hmotnosť.

Problém je v tom, že teórie mierok sa zaoberajú iba bezhmotnými prvkami. Ak majú kalibračné bozóny hmotnosť, tak takúto hypotézu nemožno rozumne definovať. Higgsov mechanizmus sa tomuto problému vyhýba zavedením nového poľa nazývaného Higgsovo pole. Pri vysokých energiách nemajú kalibračné bozóny žiadnu hmotnosť a hypotéza funguje podľa očakávania. Pri nízkych energiách pole spôsobuje porušenie symetrie, čo umožňuje prvkom mať hmotnosť.

Čo je to Higgsov bozón?

Higgsovo pole produkuje častice nazývané Higgsove bozóny. Teória neuvádza ich hmotnosť, ale výsledkom experimentu sa zistilo, že sa rovná 125 GeV. Jednoducho povedané, existencia Higgsovho bozónu nakoniec potvrdila Štandardný model.

Mechanizmus, pole a bozón sú pomenované po škótskom vedcovi Petrovi Higgsovi. Nebol síce prvý, kto tieto pojmy navrhol, ale ako sa to vo fyzike často stáva, ukázalo sa, že je to práve on, po kom boli pomenované.

Porušenie symetrie

Verilo sa, že Higgsovo pole je zodpovedné za to, že častice, ktoré by nemali mať hmotnosť, áno. Toto je univerzálne médium, ktoré dáva bezhmotným časticiam rôzne hmotnosti. Toto porušenie symetrie sa vysvetľuje analogicky so svetlom - všetky vlnové dĺžky sa pohybujú vo vákuu rovnakou rýchlosťou, ale v hranole je možné každú vlnovú dĺžku izolovať. Toto je, samozrejme, nesprávna analógia, pretože biele svetlo obsahuje všetky vlnové dĺžky, ale príklad ukazuje, ako sa zdá, že Higgsovo pole vytvára hmotu v dôsledku narušenia symetrie. Hranol porušuje rýchlostnú symetriu rôznych vlnových dĺžok svetla ich oddelením a predpokladá sa, že Higgsovo pole porušuje hmotnostnú symetriu niektorých častíc, ktoré sú inak symetricky bezhmotné.

Ako jednoducho vysvetliť Higgsov bozón? Len nedávno si fyzici uvedomili, že ak Higgsovo pole skutočne existuje, jeho pôsobenie by si vyžadovalo prítomnosť vhodného nosiča s vlastnosťami, vďaka ktorým je pozorovateľné. Predpokladalo sa, že táto častica patrí k bozónom. Higgsov bozón je zjednodušene povedané takzvaná nosná sila, rovnako ako fotóny, ktoré sú nositeľmi elektromagnetického poľa Vesmíru. Fotóny sú v istom zmysle jej lokálnymi excitáciami, rovnako ako Higgsov bozón je lokálnou excitáciou jej poľa. Dokázanie existencie častice s vlastnosťami očakávanými fyzikmi sa v skutočnosti rovnalo priamemu dôkazu existencie poľa.

Experimentujte

Mnoho rokov plánovania umožnilo, aby sa Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) stal experimentom dostatočným na potenciálne vyvrátenie teórie Higgsovho bozónu. 27 km dlhý prstenec supervýkonných elektromagnetov dokáže urýchliť nabité častice na významné frakcie, čo spôsobí zrážky dostatočnej sily na ich rozdelenie na komponenty, ako aj deformáciu priestoru okolo bodu dopadu. Podľa výpočtov je možné pri kolíznej energii dostatočne vysokej úrovne nabiť bozón tak, že sa rozpadne a to možno pozorovať. Táto energia bola taká veľká, že niektorí dokonca spanikárili a predpovedali koniec sveta a predstavivosť iných bola taká divoká, že objav Higgsovho bozónu označili za príležitosť nahliadnuť do alternatívnej dimenzie.

Konečné potvrdenie

Zdalo sa, že počiatočné pozorovania skutočne vyvrátili predpovede a nebolo možné nájsť žiadne stopy po častici. Niektorí z výskumníkov zapojených do kampane za miliardy dolárov sa dokonca objavili v televízii a pokorne konštatovali fakt, že vyvrátenie vedeckej teórie je rovnako dôležité ako jej potvrdenie. Po určitom čase sa však merania začali dopĺňať do celkového obrazu a 14. marca 2013 CERN oficiálne oznámil potvrdenie existencie častice. Existujú dôkazy, ktoré naznačujú existenciu viacerých bozónov, ale táto myšlienka si vyžaduje ďalšie štúdium.

Dva roky po tom, čo CERN oznámil objav častice, vedci pracujúci na Veľkom hadrónovom urýchľovači to dokázali potvrdiť. Na jednej strane to bolo obrovské víťazstvo pre vedu, no na druhej strane mnohí vedci boli sklamaní. Ak niekto dúfal, že Higgsov bozón bude tou časticou, ktorá povedie k zvláštnym a úžasným oblastiam mimo štandardného modelu - supersymetria, tmavá hmota, temná energia -, tak sa, žiaľ, ukázalo, že to tak nie je.

Štúdia publikovaná v Nature Physics potvrdila rozpad na fermióny. predpovedá, že jednoducho povedané, Higgsov bozón je častica, ktorá dáva fermiónom ich hmotnosť. Detektor CMS zrážača nakoniec potvrdil ich rozpad na fermióny - down kvarky a tau leptóny.

Higgsov bozón jednoducho: čo to je?

Táto štúdia definitívne potvrdila, že ide o Higgsov bozón predpovedaný štandardným modelom časticovej fyziky. Nachádza sa v oblasti hmoty a energie 125 GeV, nemá spin a môže sa rozpadnúť na mnoho ľahších prvkov - páry fotónov, fermióny atď. Vďaka tomu môžeme s istotou povedať, že Higgsov bozón, zjednodušene povedané, je častica, ktorá dáva hmotu všetkému.

Štandardné správanie novoobjaveného prvku bolo sklamaním. Ak by bol jeho rozpad čo i len trochu iný, inak by súvisel s fermiónmi a vznikli by nové smery výskumu. Na druhej strane to znamená, že sme nepokročili ani o krok za Štandardný model, ktorý neberie do úvahy gravitáciu, temnú energiu, temnú hmotu a iné bizarné javy reality.

Teraz môžeme len hádať, čo ich spôsobilo. Najpopulárnejšou teóriou je supersymetria, ktorá tvrdí, že každá častica štandardného modelu má neuveriteľne ťažkého superpartnera (tvorí teda 23 % vesmíru – temnú hmotu). Modernizácia urýchľovača na zdvojnásobenie jeho kolíziovej energie na 13 TeV pravdepodobne umožní detekciu týchto superčastíc. V opačnom prípade si supersymetria bude musieť počkať na konštrukciu výkonnejšieho nástupcu LHC.

Vyhliadky do budúcnosti

Aká teda bude fyzika po Higgsovom bozóne? LHC sa len nedávno znovu otvoril s veľkými vylepšeniami a je schopný vidieť všetko od antihmoty po temnú energiu. Predpokladá sa, že interaguje s normálnym iba prostredníctvom gravitácie a vytvárania hmoty a význam Higgsovho bozónu je kľúčom k presnému pochopeniu toho, ako sa to deje. Hlavnou chybou štandardného modelu je, že nedokáže vysvetliť silu gravitácie – takýto model by sa dal nazvať Veľká zjednotená teória – a niektorí veria, že častica a Higgsovo pole môžu poskytnúť most, ktorý fyzici tak zúfalo hľadajú.

Existencia Higgsovho bozónu bola potvrdená, no jeho úplné pochopenie je ešte veľmi vzdialené. Budú budúce experimenty vyvracať supersymetriu a myšlienku jej rozkladu na samotnú temnú hmotu? Alebo potvrdia každý posledný detail predpovedí štandardného modelu o vlastnostiach Higgsovho bozónu a táto oblasť výskumu bude navždy ukončená?

Akademik Valery Rubakov, Inštitút jadrového výskumu RAS a Moskovská štátna univerzita.

Štvrtého júla 2012 došlo k udalosti mimoriadneho významu pre fyziku: na seminári v CERN (Európskom centre pre jadrový výskum) bol ohlásený objav novej častice, ktorá, ako autori objavu starostlivo deklarujú, zodpovedá vo svojich vlastnostiach k teoreticky predpovedanému elementárnemu bozónu Štandardného modelu častíc elementárnej fyziky. Zvyčajne sa nazýva Higgsov bozón, aj keď tento názov nie je úplne adekvátny. Nech je to akokoľvek, hovoríme o objave jedného z hlavných objektov fundamentálnej fyziky, ktorý nemá medzi známymi elementárnymi časticami obdobu a zaujíma jedinečné miesto vo fyzikálnom obraze sveta (pozri „Veda a život“ č. 1, 1996, článok „Bozón Higgs je nevyhnutný!“).

Detektor LHC-B je určený na štúdium vlastností B-mezónov – hadrónov obsahujúcich b-kvark. Tieto častice sa rýchlo rozpadajú a majú čas odletieť od lúča častíc len zlomok milimetra. Foto: Maximilien Brice, CERN.

Elementárne častice štandardného modelu. Takmer všetky majú svoje antičastice, ktoré sú označené symbolom s vlnovkou navrchu.

Interakcie v mikrosvete. Elektromagnetická interakcia nastáva v dôsledku emisie a absorpcie fotónov (a). Slabé interakcie sú podobného charakteru: sú spôsobené emisiou, absorpciou alebo rozpadom Z-bozónov (b) alebo W-bozónov (c).

Higgsov bozón H (spin 0) sa rozpadá na dva fotóny (spin 1), ktorých spiny sú antiparalelné a ich súčet je 0.

Pri vyžiarení fotónu alebo vyžiarení Z-bozónu rýchlym elektrónom sa projekcia jeho spinu na smer pohybu nemení. Kruhová šípka ukazuje vnútornú rotáciu elektrónu.

V rovnomernom magnetickom poli sa elektrón pohybuje v priamom smere pozdĺž poľa a v špirále v akomkoľvek inom smere.

Fotón s dlhou vlnovou dĺžkou a teda nízkou energiou nie je schopný rozlíšiť štruktúru π-mezónu - páru kvark-antikvark.

Častice zrýchlené na obrovské energie vo Veľkom hadrónovom urýchľovači sa zrážajú, pričom vzniká mnoho sekundárnych častíc – reakčných produktov. Medzi nimi bol objavený Higgsov bozón, v ktorý fyzici dúfali takmer pol storočia.

Anglický fyzik Peter W. Higgs začiatkom 60. rokov minulého storočia dokázal, že v Štandardnom modeli elementárnych častíc musí existovať ďalší bozón – kvantum poľa, ktoré vytvára hmotu v hmote.

Čo sa dialo na seminári a pred ním

Oznámenie o seminári bolo na konci júna a hneď bolo jasné, že bude mimoriadny. Faktom je, že prvé náznaky existencie nového bozónu boli prijaté už v decembri 2011 v experimentoch ATLAS a CMS uskutočnených na veľkom hadrónovom urýchľovači (LHC) v CERN. Krátko pred seminárom sa navyše objavila správa, že údaje z experimentov na protón-antiprotónovom urýchľovači Tevatron (Fermilab, USA) naznačujú aj existenciu nového bozónu. To všetko ešte nestačilo hovoriť o objave. Od decembra sa však množstvo údajov zozbieraných na LHC zdvojnásobilo a metódy na ich spracovanie sa stali pokročilejšími. Výsledok bol pôsobivý: v každom z experimentov ATLAS a CMS samostatne dosiahla štatistická spoľahlivosť signálu hodnotu, ktorá sa považuje za úroveň objavu v časticovej fyzike (päť štandardných odchýlok).

Seminár sa niesol v slávnostnej atmosfére. Okrem výskumníkov pracujúcich v CERN-e a študentov, ktorí tam študujú v rámci letných programov, ho cez internet „navštívili“ aj účastníci najväčšej konferencie o fyzike vysokých energií, ktorá sa v ten istý deň otvorila v Melbourne. Seminár bol cez internet vysielaný do výskumných centier a univerzít po celom svete, samozrejme, vrátane Ruska. Po pôsobivých vystúpeniach lídrov spolupráce CMS – Joe Incandela a ATLAS – Fabiola Gianotti, generálny riaditeľ CERN-u Rolf Heuer uzavrel: „Myslím, že na to máme!“ („Myslím, že to máme vo svojich rukách!“).

Čo je teda „v našich rukách“ a prečo s tým teoretici prišli?

Čo je nová častica?

Minimálna verzia teórie mikrosveta sa nešikovne nazýva Štandardný model. Zahŕňa všetky známe elementárne častice (uvádzame ich nižšie) a všetky známe interakcie medzi nimi. Gravitačná interakcia stojí mimo: nezávisí od typov elementárnych častíc, ale je opísaná Einsteinovou všeobecnou teóriou relativity. Higgsov bozón zostal jediným prvkom štandardného modelu, ktorý donedávna nebol objavený.

Štandardný model sme nazvali minimálnym práve preto, že v ňom nie sú žiadne iné elementárne častice. Konkrétne má jeden a iba jeden Higgsov bozón a je to elementárna častica, nie zložená (ďalšie možnosti budú uvedené nižšie). Väčšina aspektov štandardného modelu – s výnimkou nového sektora, do ktorého patrí Higgsov bozón – bola testovaná v mnohých experimentoch a hlavnou úlohou pracovného programu LHC je zistiť, či je minimálna verzia teórie skutočne implementovaný v prírode a ako plne popisuje mikrosvet.

Počas implementácie tohto programu bola objavená nová častica, dosť ťažká na štandardy fyziky mikrosveta. V tejto oblasti vedy sa hmotnosť meria v jednotkách energie, pričom sa berie do úvahy vzťah E = mс 2 medzi hmotnosťou a pokojovou energiou. Jednotkou energie je elektrónvolt (eV) - energia, ktorú elektrón získa po prechode potenciálovým rozdielom 1 volt, a jej deriváty - MeV (milión, 10 6 eV), GeV (miliarda, 10 9 eV), TeV (bilión, 1012 eV) . Hmotnosť elektrónu v týchto jednotkách je 0,5 MeV, protón je približne 1 GeV a najťažšia známa elementárna častica, t-kvark, má 173 GeV. Takže hmotnosť novej častice je 125-126 GeV (neistota je spojená s chybou merania). Nazvime túto novú časticu N.

Nemá elektrický náboj, je nestabilný a môže sa rozkladať rôznymi spôsobmi. Bol objavený vo Veľkom hadrónovom urýchľovači CERN štúdiom rozpadov na dva fotóny, H → γγ, a na dva elektrón-pozitrónové a/alebo mión-antimiónové páry, H → e + e - e + e - , H → e + e - μ + μ -, H → μ + μ - μ + μ-. Druhý typ procesu je napísaný ako H → 4ℓ, kde ℓ označuje jednu z častíc e +, e -, μ + alebo μ - (nazývajú sa leptóny). CMS aj ATLAS tiež hlásia určitý prebytok udalostí, čo možno vysvetliť rozpadmi H → 2ℓ2ν, kde ν je neutríno. Tento prebytok však zatiaľ nemá vysokú štatistickú významnosť.

Vo všeobecnosti je všetko, čo je teraz známe o novej častici, v súlade s jej interpretáciou ako Higgsov bozón, predpovedanej najjednoduchšou verziou teórie elementárnych častíc - Štandardným modelom. Pomocou štandardného modelu je možné vypočítať pravdepodobnosť tvorby Higgsovho bozónu pri zrážkach protónov a protónov vo Veľkom hadrónovom urýchľovači, ako aj pravdepodobnosti jeho rozpadov, a tým predpovedať počet očakávaných udalostí. Predpovede sú dobre potvrdené experimentmi, ale, samozrejme, v medziach chyby. Experimentálne chyby sú stále veľké a nameraných hodnôt je stále veľmi málo. Napriek tomu je ťažké pochybovať o tom, že bol objavený Higgsov bozón alebo niečo veľmi podobné, najmä ak vezmeme do úvahy, že tieto rozpady by mali byť veľmi zriedkavé: 2 z 1 000 Higgsových bozónov sa rozpadajú na dva fotóny a 1 z 10 000 rozpadne na 4ℓ.

Vo viac ako polovici prípadov by sa Higgsov bozón mal rozpadnúť na pár b-kvark - b-antikvark: H → bb̃. Zrodenie páru bb̃ pri zrážkach protón-protón (a protón-antiprotón) je veľmi častým javom aj bez Higgsovho bozónu a zatiaľ nebolo možné izolovať signál z neho od tohto „šumu“ (fyzici hovoria pozadie ) v experimentoch na LHC. Čiastočne sa to dosiahlo na urýchľovači Tevatron a hoci štatistická významnosť je tam výrazne nižšia, tieto údaje sú tiež v súlade s predpoveďami štandardného modelu.

Všetky elementárne častice majú spin - vnútorný moment hybnosti. Spin častice môže byť celý (vrátane nuly) alebo polovičný v jednotkách Planckovej konštanty ћ. Častice s celočíselným spinom sa nazývajú bozóny a častice s polovičným spinom sa nazývajú fermióny. Spin elektrónu je 1/2, spin fotónu je 1. Z analýzy produktov rozpadu novej častice vyplýva, že jej spin je integrálny, čiže ide o bozón. Zo zachovania momentu hybnosti pri rozpade častice na pár fotónov H → γγ vyplýva: spin každého fotónu je celé číslo; Celkový moment hybnosti konečného stavu (pár fotónov) zostáva vždy nedotknutý. To znamená, že počiatočný stav je tiež neporušený.

Navyše sa to nerovná jednote: častica so spinom 1 sa nemôže rozpadnúť na dva fotóny so spinom 1. Zostáva spin 0; 2 alebo viac. Hoci spin novej častice ešte nebol zmeraný, je mimoriadne nepravdepodobné, že máme do činenia s časticou so spinom 2 alebo väčším. Je takmer isté, že spin H je nulový a ako uvidíme, presne taký musí byť Higgsov bozón.

Na záver popisu známych vlastností novej častice povedzme, že podľa štandardov fyziky mikrosveta žije pomerne dlho. Na základe experimentálnych údajov nižší odhad jeho životnosti dáva ТH > 10 -24 s, čo nie je v rozpore s predpoveďou štandardného modelu: ТH = 1,6·10 -22 s. Pre porovnanie: životnosť t-kvarku je T t = 3·10 -25 s. Všimnite si, že priame meranie životnosti novej častice na LHC je sotva možné.

Prečo ďalší bozón?

V kvantovej fyzike každá elementárna častica slúži ako kvantum určitého poľa a naopak: každé pole má svoju kvantovú časticu; najznámejším príkladom je elektromagnetické pole a jeho kvantum, fotón. Preto možno otázku položenú v nadpise preformulovať takto:

Prečo je potrebné nové pole a aké sú jeho očakávané vlastnosti?

Krátka odpoveď je, že symetrie teórie mikrosveta – či už je to štandardný model alebo nejaká zložitejšia teória – zakazujú, aby elementárne častice mali hmotnosť a nové pole tieto symetrie narúša a zabezpečuje existenciu hmoty častíc. V štandardnom modeli - najjednoduchšej verzii teórie (ale iba v nej!) - sú všetky vlastnosti nového poľa a teda aj nového bozónu, s výnimkou jeho hmotnosti, jednoznačne predpovedané, opäť na základe úvah o symetrii. . Ako sme povedali, dostupné experimentálne údaje sú v súlade s najjednoduchšou verziou teórie, ale týchto údajov je stále dosť málo a čaká nás ešte veľa práce, aby sme zistili, ako presne funguje nový sektor fyziky elementárnych častíc.

Uvažujme aspoň vo všeobecnosti o úlohe symetrie vo fyzike mikrosveta.

Symetrie, zákony ochrany a zákazy

Spoločnou vlastnosťou fyzikálnych teórií, či už ide o newtonovskú mechaniku, mechaniku špeciálnej relativity, kvantovú mechaniku alebo teóriu mikrosveta, je, že každá symetria má svoj vlastný zákon zachovania. Napríklad symetria vzhľadom na posuny v čase (teda skutočnosť, že fyzikálne zákony sú v každom okamihu rovnaké) zodpovedá zákonu zachovania energie, symetria vzhľadom na posuny v priestore zodpovedá zákonu zachovania hybnosti a symetrie vzhľadom na rotácie v ňom (všetky smery v priestore sú rovnaké) - zákon zachovania momentu hybnosti. Zákony zachovania možno interpretovať aj ako zákazy: uvedené symetrie zakazujú zmeny energie, hybnosti a momentu hybnosti uzavretého systému počas jeho vývoja.

A naopak: každý zákon zachovania má svoju vlastnú symetriu; Toto tvrdenie je v kvantovej teórii absolútne presné. Vzniká otázka: aká symetria zodpovedá zákonu zachovania elektrického náboja? Je jasné, že symetrie priestoru a času, ktoré sme práve spomenuli, s tým nemajú nič spoločné. Napriek tomu, okrem zrejmých, časopriestorových symetrií, existujú aj neočividné, „vnútorné“ symetrie. Jedna z nich vedie k zachovaniu elektrického náboja. Pre nás je dôležité, že tá istá vnútorná symetria (pochopená len v rozšírenom zmysle – fyzici používajú termín „invariantnosť merania“) vysvetľuje, prečo fotón nemá žiadnu hmotnosť. Nedostatok hmoty vo fotóne zasa úzko súvisí s tým, že svetlo má len dva typy polarizácie – ľavú a pravú.

Aby sme objasnili súvislosť medzi prítomnosťou iba dvoch typov polarizácie svetla a neprítomnosťou hmoty vo fotóne, odbočme na chvíľu od rozprávania o symetriách a opäť si pripomeňme, že elementárne častice sú charakterizované spinom, polovičným alebo celým číslom. v jednotkách Planckovej konštanty ћ. Elementárne fermióny (poločíselné spinové častice) majú spin 1/2. Ide o elektrón e, elektrónové neutríno ν e, ťažké analógy elektrónu - mión μ a tau leptón τ, ich neutrína ν μ a ν τ, kvarky šiestich typov u, d, c, s, t, b a antičastice zodpovedajúce tzv. všetky (pozitrón e + , elektrónové antineutríno ν̃ e, antikvark ũ atď.). Kvarky U a d sú ľahké a tvoria protón (kvarkové zloženie uud) a neutrón (udd). Zvyšné kvarky (c, t, s, b) sú ťažšie; sú súčasťou krátkodobých častíc, napríklad K-mezónov.

Bosóny, častice celého spinu, zahŕňajú nielen fotón, ale aj jeho vzdialené analógy - gluóny (spin 1). Gluóny sú zodpovedné za interakcie medzi kvarkami a viažu ich na protón, neutrón a ďalšie častice. Okrem toho existujú ďalšie tri častice spin-1 - elektricky nabité W +, W - bozóny a neutrálny Z-bozón, o ktorých bude reč nižšie. No, Higgsov bozón, ako už bolo spomenuté, musí mať nulový spin. Teraz sme vymenovali všetky elementárne častice nachádzajúce sa v štandardnom modeli.

Masívna častica spinu s (v jednotkách ћ) má 2s + 1 stavy s rôznymi spinovými priemetmi na danú os (spin je vnútorný moment hybnosti - vektor, takže pojem jej priemet na danú os má obvyklý význam) . Napríklad spin elektrónu (s = 1/2) v jeho pokojovom rámci môže smerovať napríklad hore (s 3 = +1/2) alebo dole (s 3 = -1/2). Bozón Z má nenulovú hmotnosť a spin s = 1, má teda tri stavy s rôznymi projekciami spinu: s 3 = +1, 0 alebo -1. Úplne iná situácia je s bezhmotnými časticami. Keďže letia rýchlosťou svetla, nie je možné presunúť sa do referenčného systému, kde je takáto častica v pokoji. Napriek tomu môžeme hovoriť o jeho helicite – projekcii rotácie na smer pohybu. Takže aj keď sa rotácia fotónu rovná jednote, existujú len dve takéto projekcie - v smere pohybu a proti nemu. Ide o pravú a ľavú polarizáciu svetla (fotóny). Tretí stav s projekciou nulového spinu, ktorý by musel existovať, keby mal fotón hmotnosť, je zakázaný hlbokou vnútornou symetriou elektrodynamiky, práve symetriou, ktorá vedie k zachovaniu elektrického náboja. Táto vnútorná symetria teda zakazuje existenciu hmoty vo fotóne!

Je tam niečo zle

To, čo nás však zaujíma, nie sú fotóny, ale W ± - a Z-bozóny. Tieto častice, objavené v roku 1983 na protónovo-antiprotónovom zrážači Spp̃S v CERN-e a predpovedané dávno predtým teoretikmi, majú pomerne veľkú hmotnosť: W ± bozón má hmotnosť 80 GeV (asi 80-krát ťažší ako protón) a Z bozón má hmotnosť 91 GeV. Vlastnosti W ± - a Z-bozónov sú dobre známe najmä vďaka experimentom na elektrón-pozitrónových urýchľovačoch LEP (CERN) a SLC (SLAC, USA) a protón-antiprotónovom urýchľovači Tevatron (Fermilab, USA): presnosť merania množstva veličín týkajúcich sa W ± - a Z-bozónov, lepšie ako 0,1 %. Ich vlastnosti a tiež ďalšie častice sú dokonale opísané štandardným modelom. To platí aj pre interakcie W ± - a Z-bozónov s elektrónmi, neutrínami, kvarkami a inými časticami. Takéto interakcie sa mimochodom nazývajú slabé. Boli podrobne študované; Jedným z dlho známych príkladov ich prejavu sú beta rozpady miónov, neutrónov a jadier.

Ako už bolo spomenuté, každý z bozónov W ± - a Z môže byť v troch spinových stavoch a nie v dvoch, ako fotón. Interagujú však s fermónmi (neutrína, kvarky, elektróny atď.) v princípe rovnako ako fotóny. Napríklad fotón interaguje s elektrickým nábojom elektrónu a elektrickým prúdom vytvoreným pohybujúcim sa elektrónom. Rovnakým spôsobom Z-bozón interaguje s určitým elektrónovým nábojom a prúdom, ktorý vzniká pri pohybe elektrónu, len tento náboj a prúd sú neelektrickej povahy. Až do dôležitého znaku, o ktorom budeme čoskoro diskutovať, bude analógia úplná, ak je elektrónu okrem elektrického náboja priradený aj náboj Z. Kvarky aj neutrína majú svoje vlastné Z-náboje.

Analógia s elektrodynamikou siaha ešte ďalej. Podobne ako fotónová teória, aj teória bozónov W ± a Z má hlbokú vnútornú symetriu, blízku tej, ktorá vedie k zákonu zachovania elektrického náboja. V úplnej analógii s fotónom zakazuje bozónom W ± - a Z mať tretiu polarizáciu, a teda hmotnosť. Tu vzniká nekonzistentnosť: zákaz symetrie hmotnosti častice spin-1 funguje pre fotón, ale nefunguje pre W ± - a Z-bozóny!

Ďalej viac. K slabým interakciám elektrónov, neutrín, kvarkov a iných častíc s W ± - a Z-bozónmi dochádza, akoby tieto fermióny nemali žiadnu hmotnosť! Počet polarizácií s tým nemá nič spoločné: masívne aj bezhmotné fermióny majú dve polarizácie (smery rotácie). Ide o to, ako presne fermióny interagujú s W ± a Z bozónmi.

Aby sme vysvetlili podstatu problému, najprv vypnime hmotnosť elektrónu (teoreticky je to povolené) a uvažujme o imaginárnom svete, v ktorom je hmotnosť elektrónu nulová. V takomto svete letí elektrón rýchlosťou svetla a môže mať rotáciu nasmerovanú buď v smere pohybu, alebo proti nemu. Pokiaľ ide o fotón, v prvom prípade má zmysel hovoriť o elektróne s pravou polarizáciou alebo skrátka o pravotočivom elektróne, v druhom prípade o ľavostrannom.

Keďže dobre vieme, ako fungujú elektromagnetické a slabé interakcie (a podieľa sa na nich iba elektrón), sme celkom schopní popísať vlastnosti elektrónu v našom imaginárnom svete. A takí sú.

Po prvé, v tomto svete sú pravý a ľavý elektrón dve úplne odlišné častice: pravý elektrón sa nikdy nezmení na ľavý a naopak. Zákon zachovania momentu hybnosti (v tomto prípade spinu) to zakazuje a interakcie elektrónu s fotónom a Z-bozónom nemenia jeho polarizáciu. Po druhé, iba ľavý elektrón zažíva interakciu elektrónu s W bozónom a pravý sa na nej nezúčastňuje vôbec. Treťou dôležitou vlastnosťou, ktorú sme na tomto obrázku už spomenuli, je, že Z-náboje ľavého a pravého elektrónu sú odlišné a ľavý elektrón interaguje s bozónom Z silnejšie ako pravý. Podobné vlastnosti majú mión, tau leptón a kvarky.

Zdôrazňujeme, že v imaginárnom svete s bezhmotnými fermiónmi nie je problém s tým, že ľavý a pravý elektrón interaguje s W- a Z-bozónmi odlišne a najmä že „ľavý“ a „pravý“ Z-náboj je odlišný. . V tomto svete sú ľavé a pravé elektróny rôzne častice a tým to končí: neprekvapuje nás napríklad, že elektrón a neutríno majú rôzne elektrické náboje: -1 a 0.

Zahrnutím hmotnosti elektrónu okamžite dospejeme k rozporu. Rýchly elektrón, ktorého rýchlosť je blízka rýchlosti svetla a ktorého spin smeruje proti smeru pohybu, vyzerá takmer rovnako ako ľavý elektrón z nášho imaginárneho sveta. A malo by to interagovať takmer rovnakým spôsobom. Ak je jeho interakcia spojená s nábojom Z, potom hodnota jeho náboja Z je „ľavotočivá“, rovnaká ako hodnota ľavostranného elektrónu z imaginárneho sveta. Rýchlosť masívneho elektrónu je však stále menšia ako rýchlosť svetla a vždy sa môžete prepnúť na referenčný systém, ktorý sa pohybuje ešte rýchlejšie. V novom systéme bude smer pohybu elektrónov obrátený, ale smer rotácie zostane rovnaký.

Projekcia spinu na smer pohybu bude teraz kladná a takýto elektrón bude vyzerať ako pravotočivý, nie ľavotočivý. Podľa toho by jeho Z-náboj mal byť rovnaký ako náboj pravotočivého elektrónu z imaginárneho sveta. Ale to nemôže byť: hodnota poplatku by nemala závisieť od referenčného systému. Je tu rozpor. Zdôraznime, že sme k tomu dospeli za predpokladu, že Z-náboj je zachovaný; Nedá sa inak hovoriť o jej význame pre danú časticu.

Tento rozpor ukazuje, že symetrie Štandardného modelu (pre definitívnosť si o ňom povieme, hoci všetko uvedené platí pre akúkoľvek inú verziu teórie) by mali zakazovať existenciu hmôt nielen vo W ± - a Z-bozónoch, ale aj vo fermionoch. Ale čo s tým má spoločné symetria?

Napriek tomu, že by mali viesť k zachovaniu Z-náboja. Meraním Z-náboja elektrónu by sme mohli definitívne zistiť, či je elektrón ľavotočivý alebo pravotočivý. A to je možné len vtedy, keď je hmotnosť elektrónu nulová.

Vo svete, kde by sa všetky symetrie Štandardného modelu realizovali rovnakým spôsobom ako v elektrodynamike, by teda všetky elementárne častice mali nulovú hmotnosť. Ale v skutočnom svete majú masy, čo znamená, že sa musí niečo stať so symetriami štandardného modelu.

Porušenie symetrie

Keď hovoríme o spojení symetrie so zákonmi a zákazmi ochrany, stratili sme zo zreteľa jednu okolnosť. Spočíva v tom, že zákony zachovania a zákazy symetrie sú splnené iba vtedy, keď je symetria explicitne prítomná. Aj symetrie sa však dajú narušiť. Napríklad v homogénnej vzorke železa pri izbovej teplote môže byť magnetické pole nasmerované v určitom smere; vzorka je potom magnet. Ak by v ňom žili mikroskopické tvory, zistili by, že nie všetky smery vesmíru sú rovnaké. Elektrón letiaci cez magnetické pole je ovplyvnený Lorentzovou silou z magnetického poľa, ale elektrón letiaci pozdĺž neho nie je ovplyvnený silou. Elektrón sa pohybuje pozdĺž magnetického poľa v priamke, naprieč poľom v kruhu a vo všeobecnom prípade v špirále. Preto magnetické pole vo vnútri vzorky narúša symetriu vzhľadom na rotácie v priestore. V tomto ohľade nie je vo vnútri magnetu splnený zákon zachovania momentu hybnosti: keď sa elektrón pohybuje po špirále, projekcia momentu hybnosti na os kolmú na magnetické pole sa časom mení.

Tu máme do činenia so spontánnym narušením symetrie. Pri absencii vonkajších vplyvov (napríklad magnetického poľa Zeme) v rôznych vzorkách železa môže byť magnetické pole nasmerované rôznymi smermi a žiadny z týchto smerov nie je výhodnejší ako iný. Pôvodná symetria vzhľadom na rotáciu je stále prítomná a prejavuje sa tým, že magnetické pole vo vzorke môže smerovať kamkoľvek. Akonáhle však vzniklo magnetické pole, objavil sa aj preferovaný smer a symetria vnútri magnetu bola narušená. Na formálnejšej úrovni sú rovnice, ktorými sa riadi interakcia atómov železa medzi sebou a s magnetickým poľom, symetrické vzhľadom na rotácie v priestore, ale stav systému týchto atómov – vzorky železa – je asymetrický. Ide o jav spontánneho narušenia symetrie. Všimnite si, že tu hovoríme o najvýhodnejšom stave, ktorý má najmenej energie; Tento stav sa nazýva základný. Tu nakoniec skončí vzorka železa, aj keď bola pôvodne nezmagnetizovaná.

Takže spontánne porušenie nejakej symetrie nastane, keď rovnice teórie sú symetrické, ale základný stav nie je. Slovo „spontánny“ je v tomto prípade použité z dôvodu, že systém sám bez našej účasti volí asymetrický stav, keďže práve tento stav je energeticky najpriaznivejší. Z uvedeného príkladu je zrejmé, že ak je symetria spontánne porušená, potom zákony zachovania a z toho vyplývajúce zákazy nefungujú; v našom príklade sa to týka zachovania momentu hybnosti. Zdôraznime, že úplnú symetriu teórie možno prelomiť len čiastočne: v našom príklade z úplnej symetrie vzhľadom na všetky rotácie v priestore zostáva symetria vzhľadom na rotácie okolo smeru magnetického poľa jasná a neprerušená.

Mikroskopické bytosti žijúce vo vnútri magnetu si môžu položiť otázku: „V našom svete nie sú všetky smery rovnaké, moment hybnosti nie je zachovaný, ale je priestor skutočne asymetrický vzhľadom na rotácie? Po preštudovaní pohybu elektrónov a vytvorení zodpovedajúcej teórie (v tomto prípade elektrodynamiky) by pochopili, že odpoveď na túto otázku je negatívna: jej rovnice sú symetrické, ale táto symetria je spontánne narušená v dôsledku „šírenia“ magnetického poľa. všade. Pri ďalšom rozvíjaní teórie by predpovedali, že pole zodpovedné za spontánne narušenie symetrie by malo mať svoje vlastné kvantá, fotóny. A po vybudovaní malého urýchľovača vo vnútri magnetu by sme radi videli, že tieto kvantá skutočne existujú – rodia sa pri zrážkach elektrónov!

Vo všeobecnosti je situácia v časticovej fyzike podobná tej, ktorá je opísaná. Ale sú tu aj dôležité rozdiely. Po prvé, nie je potrebné hovoriť o akomkoľvek médiu, ako je kryštálová mriežka atómov železa. V prírode je stavom s najnižšou energiou vákuum (podľa definície!). To neznamená, že vo vákuu - základnom stave prírody - nemôžu existovať rovnomerne „rozptýlené“ polia, podobne ako magnetické pole v našom príklade. Naopak, nezrovnalosti, o ktorých sme hovorili, naznačujú, že symetrie Štandardného modelu (presnejšie ich časť) by sa mali spontánne narušiť, a to predpokladá, že vo vákuu je nejaké pole, ktoré toto porušenie zabezpečuje. Po druhé, nehovoríme o časopriestorových symetriách, ako v našom príklade, ale o vnútorných symetriách. Naopak, časopriestorové symetrie by nemali byť narušené prítomnosťou poľa vo vákuu. Z toho vyplýva dôležitý záver: na rozdiel od magnetického poľa by toto pole nemalo zvýrazňovať žiadny smer v priestore (presnejšie v časopriestore, keďže máme do činenia s relativistickou fyzikou). Polia s touto vlastnosťou sa nazývajú skalárne; zodpovedajú časticiam so spinom 0. Preto pole „rozprestreté“ vo vákuu a vedúce k narušeniu symetrie musí byť doteraz neznáme a nové. Známe polia, ktoré sme explicitne alebo implicitne spomenuli vyššie - elektromagnetické pole, polia W ± - a Z-bozónov, gluóny - skutočne zodpovedajú časticiam so spinom 1. Takéto polia zvýrazňujú smery v časopriestore a nazývajú sa vektorové, a potrebujeme poľný skalár. Polia zodpovedajúce fermionom (spin 1/2) tiež nie sú vhodné. Po tretie, nové pole by nemalo úplne narušiť symetrie štandardného modelu; vnútorná symetria elektrodynamiky by mala zostať neporušená. Nakoniec, a to je najdôležitejšie, interakcia nového poľa „rozptýleného“ vo vákuu s W ± - a Z-bozónmi, elektrónmi a inými fermiónmi by mala viesť k objaveniu sa hmôt v týchto časticiach.

Mechanizmus generovania hmotností častíc spin-1 (v prírode sú to W ± - a Z-bozóny) v dôsledku spontánneho narušenia symetrie navrhli v kontexte fyziky elementárnych častíc bruselskí teoretici Francois Englert a Robert Brout v roku 1964 a o niečo neskôr edinburský fyzik Peter Higgs .

Výskumníci sa opierali o myšlienku spontánneho narúšania symetrie (ale v teóriách bez vektorových polí, teda bez častíc spin 1), ktorá bola zavedená v rokoch 1960-1961 v prácach J. Nambu, ktorý spolu s J. Jonom -Lasinio, V. G. Vaks a A. I. Larkin, J. Goldstone (Yoichiro Nambu dostal za túto prácu v roku 2008 Nobelovu cenu). Na rozdiel od predchádzajúcich autorov Engler, Brout a Higgs uvažovali o teórii (v tom čase špekulatívnej), ktorá zahŕňala skalárne (spin 0) aj vektorové pole (spin 1). Táto teória má vnútornú symetriu, celkom podobnú symetrii elektrodynamiky, čo vedie k zachovaniu elektrického náboja a k zákazu hmotnosti fotónu. Ale na rozdiel od elektrodynamiky je vnútorná symetria spontánne narušená rovnomerným skalárnym poľom prítomným vo vákuu. Pozoruhodným výsledkom Englera, Brouta a Higgsa bola demonštrácia skutočnosti, že toto porušenie symetrie automaticky vedie k objaveniu sa hmoty v častici so spinom 1 - kvante vektorového poľa!

Pomerne jednoduché zovšeobecnenie mechanizmu Engler-Brout-Higgs, spojené so zahrnutím do teórie fermiónov a ich interakciou so skalárnym poľom narúšajúcim symetriu, vedie k objaveniu sa hmoty vo fermiónoch. Všetko začína do seba zapadať! Štandardný model sa získa ako ďalšie zovšeobecnenie. Teraz obsahuje nie jedno, ale niekoľko vektorových polí - fotóny, W ± - a Z-bozóny (gluóny sú samostatný príbeh, nemajú nič spoločné s Engler-Brout-Higgsovým mechanizmom) a rôzne typy fermiónov. Posledný krok je vlastne celkom netriviálny; Steven Weinberg, Sheldon Glashow a Abdus Salam dostali v roku 1979 Nobelovu cenu za formulovanie úplnej teórie slabých a elektromagnetických interakcií.

Vráťme sa do roku 1964. Na analýzu svojej teórie Engler a Brout použili prístup, ktorý je podľa dnešných štandardov dosť prepracovaný. Pravdepodobne preto si nevšimli, že spolu s masívnou časticou spin-1 teória predpovedá existenciu ďalšej častice - bozónu so spinom 0. Higgs si to však všimol a teraz sa táto nová bezrotová častica často nazýva Higgsov bozón. . Ako už bolo uvedené, táto terminológia nie je úplne správna: boli to Engler a Brout, ktorí prvýkrát navrhli použiť skalárne pole na spontánne narušenie symetrie a generovanie hmotností častíc spin-1. Bez toho, aby sme zachádzali do ďalšej terminológie, zdôrazňujeme, že nový bozón s nulovým spinom slúži ako kvantum samotného skalárneho poľa, ktoré narúša symetriu. A v tom je jeho jedinečnosť.

Tu je potrebné objasniť. Zopakujme si, že ak by nedošlo k samovoľnému narušeniu symetrie, potom by bozóny W ± a Z boli bez hmotnosti. Každý z troch bozónov W +, W -, Z by mal, podobne ako fotón, dve polarizácie. Celkovo, ak by sme častice s rôznou polarizáciou považovali za nerovnaké, mali by sme 2 × 3 = 6 typov W ± - a Z-bozónov. V štandardnom modeli sú bozóny W ± a Z masívne, každý z nich má tri spinové stavy, teda tri polarizácie, celkovo 3 × 3 = 9 typov častíc - kvantá polí W ±, Z. Vynára sa otázka, odkiaľ sa vzali tri „extra“ typy? Faktom je, že štandardný model nemusí mať jedno, ale štyri Engler-Brout-Higgsove skalárne polia. Kvantom jedného z nich je Higgsov bozón. A kvantá ostatných troch sa v dôsledku spontánneho narušenia symetrie premenia na tri „extra“ kvantá prítomné v masívnych W ± - a Z-bozónoch. Boli nájdené už dávno, pretože je známe, že bozóny W ± - a Z majú hmotnosť: tri „extra“ spinové stavy bozónov W + -, W - a Z sú také, aké sú.

Táto aritmetika je mimochodom v súlade so skutočnosťou, že všetky štyri polia Engler-Brout-Higgs sú skalárne a ich kvantá majú nulový spin. Bezhmotné W ± - a Z-bozóny by mali spinové projekcie v smere pohybu rovné -1 a +1. Pre masívne W ± - a Z-bozóny tieto projekcie nadobúdajú hodnoty -1, 0 a +1, to znamená, že „extra“ kvantá majú nulovú projekciu. Tri Engler-Brout-Higgsove polia, z ktorých sa tieto „extra“ kvantá získavajú, majú tiež projekciu nulového spinu do smeru pohybu jednoducho preto, že ich spinový vektor je nulový. Všetko do seba zapadá.

Higgsov bozón je teda kvantom jedného zo štyroch Engler-Brout-Higgsových skalárnych polí v štandardnom modeli. Ostatné tri sú pohltené (vedeckým termínom!) W ± - a Z-bozóny, čím sa premenia do ich tretieho, chýbajúceho spinového stavu.

Je nový bozón skutočne potrebný?

Najúžasnejšie na tomto príbehu je to, že dnes už rozumieme: mechanizmus Engler-Brout-Higgs v žiadnom prípade nie je jediným možným mechanizmom na narušenie symetrie vo fyzike mikrosveta a generovanie hmotnosti elementárnych častíc, a Higgsov bozón možno nie. existujú. Napríklad vo fyzike kondenzovaných látok (kvapalín, pevných látok) existuje veľa príkladov spontánneho narušenia symetrie a rôznych mechanizmov na toto porušenie. A vo väčšine prípadov v nich nie je nič ako Higgsov bozón.

Najbližším pevným analógom spontánneho narušenia symetrie Štandardného modelu vo vákuu je spontánne porušenie vnútornej symetrie elektrodynamiky v hrúbke supravodiča. To vedie k tomu, že v supravodiči má fotón v určitom zmysle hmotnosť (ako W ± - a Z-bozóny vo vákuu). To sa prejavuje Meissnerovým efektom – vypudením magnetického poľa zo supravodiča. Fotón „nechce“ preniknúť dovnútra supravodiča, kde sa stáva masívnym: je tam pre neho „tvrdý“, je preň energeticky nevýhodný (pamätajte: E = mс 2). Magnetické pole, ktoré možno trochu konvenčne považovať za súbor fotónov, má rovnakú vlastnosť: nepreniká supravodičom. Toto je Meissnerov efekt.

Efektívna Ginzburg-Landauova teória supravodivosti je extrémne podobná Engler-Brout-Higgsovej teórii (presnejšie naopak: Ginzburg-Landauova teória je o 14 rokov staršia). Obsahuje tiež skalárne pole, ktoré je rovnomerne „rozprestreté“ po celom supravodiči a vedie k spontánnemu narušeniu symetrie. Nie nadarmo sa však Ginzburg-Landauova teória nazýva efektívna: zachytáva, obrazne povedané, vonkajšiu stránku javu, no na pochopenie základných, mikroskopických príčin vzniku supravodivosti je úplne nedostatočná. V skutočnosti v supravodiči nie je žiadne skalárne pole; obsahuje elektróny a kryštálovú mriežku a supravodivosť je spôsobená špeciálnymi vlastnosťami základného stavu elektrónového systému, ktoré vznikajú v dôsledku interakcie medzi nimi (pozri „Veda a život“. ” č. 2, 2004, článok “ “. - Ed.).

Mohol by sa podobný obraz odohrať aj v mikrokozme? Ukáže sa, že vo vákuu nie je „rozptýlené“ základné skalárne pole a spontánne narušenie symetrie je spôsobené úplne inými príčinami? Ak uvažujeme čisto teoreticky a nevenujeme pozornosť experimentálnym faktom, potom je odpoveď na túto otázku kladná. Dobrým príkladom je takzvaný technicolor model, ktorý v roku 1979 navrhli už spomínaný Steven Weinberg a – nezávisle na sebe – Leonard Susskind.

Neobsahuje ani základné skalárne polia, ani Higgsov bozón, ale namiesto toho existuje veľa nových elementárnych častíc, ktoré svojimi vlastnosťami pripomínajú kvarky. Interakcia medzi nimi vedie k spontánnemu narušeniu symetrie a generovaniu hmotností W ± - a Z-bozónov. S hmotnosťami známych fermiónov, napríklad elektrónu, je situácia horšia, ale aj tento problém sa dá vyriešiť skomplikovaním teórie.

Pozorný čitateľ si môže položiť otázku: „A čo argumenty z predchádzajúcej kapitoly, ktoré hovoria, že je to skalárne pole, ktoré by malo narušiť symetriu?“ Medzerou je, že toto skalárne pole môže byť zložené v tom zmysle, že zodpovedajúce kvantové častice nie sú elementárne, ale pozostávajú z iných, „skutočne“ elementárnych častíc.

Pripomeňme si v tejto súvislosti kvantovo-mechanický Heisenbergov vzťah neurčitosti Δх ×Δр ≥ ћ, kde Δх a Δр sú neistoty súradnice a hybnosti. Jedným z jeho prejavov je, že štruktúra zložených objektov s charakteristickou vnútornou veľkosťou Δх sa objavuje len v procesoch s časticami s dostatočne vysokou hybnosťou р ≥ћ/Δх, a teda s dostatočne vysokými energiami. Tu je vhodné pripomenúť Rutherforda, ktorý v tom čase bombardoval atómy elektrónmi vysokých energií a tak zistil, že atómy sa skladajú z jadier a elektrónov. Pri pohľade na atómy cez mikroskop, dokonca aj s najvyspelejšou optikou (teda pomocou svetla – nízkoenergetických fotónov), nie je možné zistiť, že atómy sú zložené, a nie elementárne bodové častice: nie je dostatočné rozlíšenie.

Takže pri nízkych energiách zložená častica vyzerá ako elementárna častica. Na efektívne opísanie takýchto častíc pri nízkych energiách ich možno považovať za kvantá nejakého poľa. Ak je spin zloženej častice nulový, potom je toto pole skalárne.

Podobná situácia je realizovaná napríklad vo fyzike π-mezónov, častíc so spinom 0. Do polovice 60. rokov nebolo známe, že sa skladajú z kvarkov a antikvarkov (kvarkové zloženie π + -, π - - a π 0 -mezóny - sú to ud̃, dũ a kombinácia uũ a dd̃).

Potom boli π-mezóny opísané pomocou elementárnych skalárnych polí. Teraz vieme, že tieto častice sú zložené, ale „stará“ teória poľa mezónov π zostáva platná, pretože sa berú do úvahy procesy pri nízkych energiách. Až pri energiách rádovo 1 GeV a vyšších sa začína objavovať ich kvarková štruktúra a teória prestáva fungovať. Energetická stupnica 1 GeV sa tu neobjavila náhodou: toto je stupnica silných interakcií, ktoré viažu kvarky na π-mezóny, protóny, neutróny atď., toto je stupnica hmotností silne interagujúcich častíc, napr. protón. Všimnite si, že samotné π-mezóny stoja od seba: z dôvodu, o ktorom tu nebudeme hovoriť, majú oveľa menšie hmotnosti: m π± = 140 MeV, m π0 = 135 MeV.

Takže skalárne polia zodpovedné za spontánne narušenie symetrie môžu byť v princípe zložené. Presne túto situáciu naznačuje techniccolor model. V tomto prípade tri bezrotové kvantá, ktoré sú pohltené W ± - a Z-bozónmi a stávajú sa ich chýbajúcimi spinovými stavmi, majú blízku analógiu s π + -, π - - a π 0 -mezónmi. Len zodpovedajúca energetická stupnica už nie je 1 GeV, ale niekoľko TeV. Na takomto obrázku sa očakáva existencia mnohých nových čiastočiek - analógov protónu, neutrónu atď. — s hmotnosťou rádovo niekoľkých TeV. Naopak, absentuje v ňom relatívne ľahký Higgsov bozón. Ďalšou črtou modelu je, že bozóny W ± a Z v ňom sú čiastočne zložené častice, keďže, ako sme povedali, niektoré ich zložky sú podobné π mezónom. To by sa malo prejaviť pri interakciách W ± a Z bozónov.

Práve posledná okolnosť viedla k odmietnutiu technicolorového modelu (aspoň v jeho pôvodnej formulácii) dávno pred objavením nového bozónu: presné merania vlastností bozónov W ± a Z na LEP a SLC nesúhlasia. predpovede modelu.

Táto krásna teória bola rozdrvená tvrdohlavými experimentálnymi faktami a objav Higgsovho bozónu to ukončil. Napriek tomu je pre mňa, ako aj pre mnohých iných teoretikov, myšlienka zložených skalárnych polí príťažlivejšia ako teória Engler-Brout-Higgs s elementárnymi skalárnymi poľami. Samozrejme, po objave nového bozónu v CERN-e sa myšlienka zloženia ocitla v ešte zložitejšej pozícii ako predtým: ak je táto častica zložená, mala by celkom úspešne napodobňovať elementárny Higgsov bozón. No počkáme si, aké experimenty na LHC ukážu predovšetkým presnejšie merania vlastností nového bozónu.

Objav sa uskutočnil. Čo bude ďalej?

Vráťme sa ako pracovná hypotéza k minimálnej verzii teórie – štandardnému modelu s jedným elementárnym Higgsovým bozónom. Keďže v tejto teórii je to Engler-Brout-Higgsovo pole (presnejšie polia), ktoré dáva hmotnosti všetkým elementárnym časticiam, interakcia každej z týchto častíc s Higgsovým bozónom je prísne fixná. Čím väčšia je hmotnosť častice, tým silnejšia je interakcia; Čím silnejšia je interakcia, tým je pravdepodobnejšie, že sa Higgsov bozón rozpadne na pár častíc daného typu. Rozpady Higgsovho bozónu na páry reálnych častíc tt̃, ZZ a W+W- zakazuje zákon zachovania energie. Vyžaduje, aby súčet hmotností produktov rozpadu bol menší ako hmotnosť rozpadajúcej sa častice (opäť si pamätajte E = mc 2), a pre nás, pripomeňte si, m n ≈ 125 GeV, m t = 173 GeV, m z = 91 GeV a mw = 80 GeV. Ďalšou najväčšou hmotnosťou je kvark b s m b = 4 GeV, a preto, ako sme povedali, sa Higgsov bozón najľahšie rozpadá na pár bb̃. Zaujímavý je aj rozpad Higgsovho bozónu na pár dosť ťažkých τ-leptónov H → τ + τ - (m τ = 1,8 GeV), ktorý nastáva s pravdepodobnosťou 6 %. Rozpad H → μ + μ - (m µ = 106 MeV) by mal nastať s ešte menšou, ale stále nemiznúcou pravdepodobnosťou 0,02 %. Okrem vyššie diskutovaných rozpadov, H → γγ; H → 4ℓ a H → 2ℓ2ν, zaznamenávame rozpad H → Zγ, ktorého pravdepodobnosť by mala byť 0,15%. Všetky tieto pravdepodobnosti budú merateľné na LHC a akákoľvek odchýlka od týchto predpovedí bude znamenať, že naša pracovná hypotéza, Štandardný model, je nesprávna. Naopak, súhlas s predpoveďami Štandardného modelu nás bude čoraz viac presviedčať o jeho platnosti.

To isté možno povedať o vzniku Higgsovho bozónu pri zrážkach protónov. Higgsov bozón môže byť produkovaný samostatne z interakcie dvoch gluónov, spolu s párom vysokoenergetických svetelných kvarkov, spolu s jedným W alebo Z bozónom, alebo nakoniec spolu s párom tt̃. Častice produkované spolu s Higgsovým bozónom je možné detegovať a identifikovať, takže na LHC možno samostatne študovať rôzne mechanizmy produkcie. Takto je možné získať informácie o interakcii Higgsovho bozónu s W ± -, Z-bozónmi a t-kvarkom.

Napokon, dôležitou vlastnosťou Higgsovho bozónu je jeho interakcia so sebou samým. Mala by sa prejaviť v procese Н* → НН, kde Н* je virtuálna častica. Vlastnosti tejto interakcie sú tiež jasne predpovedané štandardným modelom. Jeho štúdium je však otázkou ďalekej budúcnosti.

LHC má teda rozsiahly program na štúdium interakcií nového bozónu. V dôsledku jeho implementácie sa viac-menej ukáže, či Štandardný model popisuje prírodu, alebo máme do činenia s nejakou inou, zložitejšou (a možno aj jednoduchšou) teóriou. Ďalší pokrok je spojený s výrazným zvýšením presnosti merania; vyžiada si výstavbu nového elektrón-pozitrónového urýchľovača - e + e - urýchľovača s rekordnou energiou pre tento typ stroja. Je celkom možné, že nás na tejto ceste čaká veľa prekvapení.

Namiesto záveru: pri hľadaní „novej fyziky“

Z „technického“ hľadiska je štandardný model vnútorne konzistentný. To znamená, že v jeho rámci je možné - aspoň v zásade a spravidla v praxi - vypočítať akúkoľvek fyzikálnu veličinu (samozrejme súvisiacu s javmi, ktoré má opísať) a výsledok nebude obsahovať neistoty. Napriek tomu mnohí, hoci nie všetci, teoretici považujú stav vecí v Štandardnom modeli, mierne povedané, za nie celkom uspokojivý. A to predovšetkým vďaka jeho energetickému rozsahu.

Ako je zrejmé z predchádzajúceho, energetická škála Štandardného modelu je rádovo M cm = 100 GeV (nehovoríme tu o silných interakciách so škálou 1 GeV, s ňou je všetko jednoduchšie). Toto je hmotnostná stupnica W ± a Z bozónov a Higgsovho bozónu. Je to veľa alebo málo? Z experimentálneho hľadiska - pekne, ale z teoretického hľadiska...

Vo fyzike existuje iná energetická stupnica. Je spojená s gravitáciou a rovná sa Planckovej hmotnosti M pl = 10 19 GeV. Pri nízkych energiách sú gravitačné interakcie medzi časticami zanedbateľné, ale s rastúcou energiou sa zvyšujú a pri energiách rádovo M pl gravitácia silnie. Energie nad M pl sú oblasťou kvantovej gravitácie, nech je to čokoľvek. Pre nás je dôležité, že gravitácia je možno najzákladnejšou interakciou a gravitačná stupnica M pl je najzákladnejšou energetickou stupnicou. Prečo je potom stupnica štandardného modelu Mcm = 100 GeV tak ďaleko od Mpl = 1019 GeV?

Identifikovaný problém má ešte jeden, jemnejší aspekt. Je spojená s vlastnosťami fyzikálneho vákua. V kvantovej teórii je vákuum - základný stav prírody - štruktúrované veľmi netriviálnym spôsobom. Neustále sa v ňom vytvárajú a ničia virtuálne častice; inými slovami, kolísanie poľa sa vytvára a mizne. Tieto procesy nemôžeme priamo pozorovať, ale ovplyvňujú pozorovateľné vlastnosti elementárnych častíc, atómov atď. Napríklad interakcia elektrónu v atóme s virtuálnymi elektrónmi a fotónmi vedie k javu pozorovanému v atómových spektrách – Lambovmu posunu. Ďalší príklad: korekcia magnetického momentu elektrónu alebo miónu (anomálny magnetický moment) je tiež spôsobená interakciou s virtuálnymi časticami. Tieto a podobné efekty boli vypočítané a zmerané (v týchto prípadoch s fantastickou presnosťou!), takže si môžeme byť istí, že máme správny obraz fyzikálneho vákua.

Na tomto obrázku všetky parametre pôvodne zahrnuté v teórii dostávajú korekcie, nazývané radiačné, v dôsledku interakcie s virtuálnymi časticami. V kvantovej elektrodynamike sú malé, ale v sektore Engler-Brout-Higgs sú obrovské. Toto je zvláštnosť elementárnych skalárnych polí, ktoré tvoria tento sektor; ostatné polia túto vlastnosť nemajú. Hlavným efektom je, že radiačné korekcie majú tendenciu „sťahovať“ energetickú škálu štandardného modelu M cm smerom ku gravitačnej škále M pl. Ak zostaneme v rámci Štandardného modelu, potom jediným východiskom je vybrať počiatočné parametre teórie tak, aby spolu s korekciami žiarenia viedli k správnej hodnote M cm.Ukazuje sa však, že presnosť fit by mal byť blízko k M cm 2 /M pl 2 = 10 -34 ! Toto je druhý aspekt problému energetickej stupnice štandardného modelu: zdá sa nepravdepodobné, že k takémuto prispôsobeniu dochádza v prírode.

Mnohí (hoci, opakujeme, nie všetci) teoretici sa domnievajú, že tento problém jasne naznačuje potrebu ísť nad rámec štandardného modelu. V skutočnosti, ak Štandardný model prestane fungovať alebo sa výrazne rozšíri na energetickej škále „novej fyziky - NF“ M nf, potom požadovaná presnosť prispôsobenia parametrov bude, zhruba povedané, M 2 cm / M 2 nf, ale v skutočnosti je to asi o dva rády menej. Ak predpokladáme, že v prírode neexistuje žiadne jemné dolaďovanie parametrov, potom by mierka „novej fyziky“ mala ležať v oblasti 1-2 TeV, teda presne v oblasti dostupnej pre výskum na Veľkom hadrónovom urýchľovači!

Aká by mohla byť „nová fyzika“? V tejto otázke nie je medzi teoretikmi jednota. Jednou z možností je zložená povaha skalárnych polí, ktoré poskytujú spontánne narušenie symetrie, o ktorej sme už diskutovali. Ďalšou, tiež populárnou (zatiaľ?) možnosťou je supersymetria, o ktorej si povieme len toľko, že predpovedá celú zoo nových častíc s hmotnosťou v stovkách GeV – niekoľko TeV. Diskutuje sa aj o veľmi exotických možnostiach, ako sú dodatočné dimenzie priestoru (napríklad tzv. M-teória – pozri „Veda a život“ č. 2, 3, 1997, článok „Superstruny: na ceste k teórii zo všetkého.“ - Ed. .).

Napriek všetkému úsiliu zatiaľ neboli prijaté žiadne experimentálne náznaky „novej fyziky“. To už v skutočnosti začína vzbudzovať obavy: rozumieme všetkému správne? Je však dosť možné, že v oblasti energie a množstva zozbieraných dát sme sa ešte nedostali k „novej fyzike“ a budú s tým spojené nové, prevratné objavy. Hlavné nádeje sa tu opäť vkladajú do veľkého hadrónového urýchľovača, ktorý o rok a pol začne pracovať na plnú energiu 13-14 TeV a rýchlo zbierať dáta. Sledujte novinky!

Presné meracie a zisťovacie stroje

Časticová fyzika, ktorá študuje najmenšie objekty v prírode, si vyžaduje obrovské výskumné zariadenia, kde sa tieto častice urýchľujú, zrážajú a rozpadajú sa. Najvýkonnejšie z nich sú zrážacie zariadenia.

Collider je urýchľovač so zrážajúcimi sa lúčmi častíc, v ktorých sa častice čelne zrážajú napríklad elektróny a pozitróny v e + e - zrážadlách. Doteraz boli vytvorené aj zrážače protón-antiprotón, protón-protón, elektrón-protón a jadro-jadro (alebo ťažký ión). O ďalších možnostiach, napríklad μ + μ - - collider, sa stále diskutuje. Hlavnými zrážačmi pre časticovú fyziku sú protón-antiprotón, protón-protón a elektrón-pozitrón.

Veľký hadrónový urýchľovač (LHC)- protón-protón, urýchľuje dva zväzky protónov jeden k druhému (môže fungovať aj ako zrážač ťažkých iónov). Návrhová energia protónov v každom lúči je 7 TeV, takže celková energia kolízie je 14 TeV. V roku 2011 pracoval zrážač s polovičnou energiou a v roku 2012 s plnou energiou 8 TeV. Veľký hadrónový urýchľovač je 27 km dlhý prstenec, v ktorom sú protóny urýchľované elektrickými poľami a obsiahnuté v poliach vytvorených supravodivými magnetmi. K zrážkam protónov dochádza na štyroch miestach, kde sú umiestnené detektory na zaznamenávanie častíc vznikajúcich pri zrážkach. ATLAS a CMS sú navrhnuté pre výskum fyziky vysokoenergetických častíc; LHC-b je na štúdium častíc, ktoré obsahujú b-kvarky a ALICE je na štúdium horúcej a hustej kvark-gluónovej hmoty.

Spp.S- protón-antiprotónový urýchľovač v CERN-e. Dĺžka prstenca je 6,9 ​​km, maximálna energia kolízie je 630 GeV. Pracoval v rokoch 1981 až 1990.

LEP- prstencový elektrón-pozitrónový urýchľovač s maximálnou zrážkovou energiou 209 GeV, umiestnený v rovnakom tuneli ako LHC. Pracoval v rokoch 1989 až 2000.

SLC— lineárny elektrón-pozitrónový urýchľovač v SLAC, USA. Energia zrážky 91 GeV (hmotnosť Z-bozónu). Pracoval v rokoch 1989 až 1998.

Tevatron je prstencový protón-antiprotónový urýchľovač vo Fermilabe, USA. Dĺžka prstenca je 6 km, maximálna energia zrážky je 2 TeV. Pracoval v rokoch 1987 až 2011.

Pri porovnávaní protón-protónových a protón-antiprotónových urýchľovačov s elektrón-pozitrónovými urýchľovačmi je potrebné mať na pamäti, že protón je zložená častica, obsahuje kvarky a gluóny. Každý z týchto kvarkov a gluónov nesie len zlomok energie protónu. Preto napríklad vo Veľkom hadrónovom urýchľovači je energia elementárnej zrážky (medzi dvoma kvarkami, medzi dvoma gluónmi alebo kvarkom s gluónom) výrazne nižšia ako celková energia zrážaných protónov (14 TeV pri konštrukčných parametroch) . Z tohto dôvodu energetický rozsah dostupný na štúdium na ňom dosahuje „iba“ 2-4 TeV, v závislosti od skúmaného procesu. Elektrón-pozitrónové urýchľovače nemajú takúto vlastnosť: elektrón je elementárna častica bez štruktúry.

Výhodou protón-protónových (a protón-antiprotónových) zrážačov je, že aj s prihliadnutím na túto vlastnosť je s nimi technicky jednoduchšie dosiahnuť vysoké zrážkové energie ako s elektrón-pozitrónovými zrážačmi. Existuje aj mínus. Kvôli zloženej štruktúre protónu a tým, že kvarky a gluóny medzi sebou interagujú oveľa silnejšie ako elektróny a pozitróny, dochádza pri zrážkach protónov oveľa viac udalostí, ktoré nie sú zaujímavé z hľadiska hľadania Higgsovho bozónu resp. iné nové častice a javy. Zaujímavé udalosti vyzerajú pri zrážkach protónov „špinavšie“, rodí sa v nich veľa „cudzích“, nezaujímavých častíc. To všetko vytvára „šum“, od ktorého je ťažšie izolovať užitočný signál ako pri zrážačoch elektrón-pozitrón. Preto je presnosť merania nižšia. Kvôli tomu všetkému sa protón-protónové (a protón-antiprotónové) urýchľovače nazývajú objavovacie stroje a elektrón-pozitrónové urýchľovače sa nazývajú presné meracie stroje.

Smerodajná odchýlka(štandardná odchýlka) σ x - charakteristika náhodných odchýlok nameranej hodnoty od priemernej hodnoty. Pravdepodobnosť, že nameraná hodnota X sa bude náhodne líšiť o 5σ x od skutočnej hodnoty, je len 0,00006 %. To je dôvod, prečo sa v časticovej fyzike odchýlka signálu od pozadia o 5σ považuje za dostatočnú na rozpoznanie signálu ako pravdivého.

Častice, uvedené v štandardnom modeli, okrem protónu, elektrónu, neutrína a ich antičastíc, sú nestabilné: rozpadajú sa na iné častice. Dva z troch typov neutrín by však mali byť tiež nestabilné, no ich životnosť je extrémne dlhá. Vo fyzike mikrosveta existuje princíp: všetko, čo sa môže stať, sa skutočne deje. Preto je stabilita častice spojená s akýmsi zákonom zachovania. Zákon zachovania náboja zakazuje rozpad elektrónu a pozitrónu. Najľahšie neutríno (spin 1/2) sa nerozpadá vďaka zachovaniu momentu hybnosti. Rozpad protónu je zakázaný zákonom zachovania iného „náboja“, ktorý sa nazýva baryónové číslo (baryónové číslo protónu je podľa definície 1 a číslo ľahších častíc je nula).

Ďalšia vnútorná symetria je spojená s baryónovým číslom. Či je to presné alebo približné, či je protón stabilný alebo má konečnú, aj keď veľmi dlhú životnosť, je predmetom samostatnej diskusie.

Kvarky- jeden z druhov elementárnych častíc. Vo voľnom stave nie sú pozorované, ale sú vždy navzájom spojené a tvoria zložené častice - hadróny. Jedinou výnimkou je t-kvark, ktorý sa rozpadne skôr, ako sa stihne spojiť s inými kvarkami alebo antikvarkmi do hadrónu. Hadróny zahŕňajú protón, neutrón, π-mezóny, K-mezóny atď.

Kvark b je jedným zo šiestich typov kvarkov, druhý v hmotnosti po kvarku t.

Mión je ťažký nestabilný analóg elektrónu s hmotnosťou m μ = 106 MeV. Životnosť miónu T μ = 2·10 -6 sekúnd je dostatočne dlhá na to, aby preletel celým detektorom bez rozpadu.

Virtuálna častica sa od skutočného líši tým, že pre reálnu časticu je splnený obvyklý relativistický vzťah medzi energiou a hybnosťou E 2 = p 2 s 2 + m 2 s 4, ale pre virtuálnu nie. Je to možné vďaka kvantovo mechanickému vzťahu ΔE·Δt ~ ħ medzi energetickou neistotou ΔE a trvaním procesu Δt. Preto sa virtuálna častica takmer okamžite rozpadne alebo anihiluje s inou (jej životnosť Δt je veľmi krátka), zatiaľ čo skutočná častica žije výrazne dlhšie alebo je vo všeobecnosti stabilná.

Posun úrovne jahniat- mierna odchýlka jemnej štruktúry hladín atómu vodíka a atómov podobných vodíku vplyvom emisie a absorpcie virtuálnych fotónov alebo virtuálneho vytvárania a anihilácie elektrón-pozitrónových párov. Efekt objavili v roku 1947 americkí fyzici W. Lamb a R. Rutherford.

Takzvaná Božia častica, ktorá bola dlho nepolapiteľná, bola konečne zachytená. Higgsov bozón bol chýbajúci kúsok skladačky s názvom Štandardný model. Vedci sa domnievajú, že tento bozón je zodpovedný za hmotnosť častíc. Najmä Veľký hadrónový urýchľovač bol postavený špeciálne na hľadanie Higgsovho bozónu, ktorý si poradil so svojou hlavnou úlohou. Pre vedcov však vyvstali nové záhady: existuje skutočne jeden Higgsov bozón? Objav tohto bozónu navyše nijako nevysvetlil paradoxnú existenciu temnej hmoty, ktorá fyzikov v poslednom čase zamestnáva čoraz viac.

Fyzici konečne videli, ako sa základná častica prvýkrát objavená vo Veľkom hadrónovom urýchľovači rozpadá na dva kvarky krásy, exotické častice s krátkou životnosťou, ktoré sa často objavujú po zrážkach častíc s vysokou energiou. Tento nepolapiteľný proces sme mohli pozorovať až teraz, prvýkrát po šiestich rokoch od objavu Higgsovho bozónu. Vedci z dvoch experimentov LHC, ATLAS a CMS, oznámili svoje výsledky súčasne na workshope, ktorý sa konal v CERN 28. augusta.

Jedna z najväčších záhad fyziky môže byť vyriešená "matracovým" axionovým poľom, ktoré preniká priestorom a časom. Traja fyzici spolupracujúci v oblasti zálivu San Francisco za posledné tri roky vyvinuli nové riešenie otázky, ktorá trápi ich vedecký odbor už viac ako 30 rokov. Dokonca aj stredoškolák môže formulovať túto hlbokú záhadu, ktorá poháňala experimenty na najvýkonnejších urýchľovačoch častíc a dala podnet na vznik kontroverzných hypotéz multivesmíru: ako magnet zdvihne kancelársku sponku proti gravitačnej sile celej planéty.