Meie, Quantuzi meeskond, (püüame liituda GT kogukonnaga) pakume oma tõlget veebisaidi particleadventure.org osast, mis on pühendatud Higgsi bosonile. Sellest tekstist oleme välja jätnud mitteinformatiivsed pildid (täisversiooni vaata originaalist). Materjal pakub huvi kõigile, kes on huvitatud rakendusfüüsika viimastest saavutustest.

Higgsi bosoni roll

Higgsi boson oli viimane standardmudelis avastatud osake. See on teooria oluline komponent. Tema avastus aitas kinnitada mehhanismi, kuidas põhiosakesed massi omandavad. Need standardmudeli põhiosakesed on kvargid, leptonid ja jõudu kandvad osakesed.

1964. aasta teooria

1964. aastal püstitasid kuus teoreetilist füüsikut hüpoteesi uue välja (nagu elektromagnetväli) olemasolu, mis täidab kogu ruumi ja lahendab kriitilise probleemi meie arusaamises universumist.

Sõltumatult töötasid teised füüsikud välja fundamentaalsete osakeste teooria, mida lõpuks nimetati standardmudeliks ja mis andis fenomenaalse täpsuse (standardmudeli mõne osa katsetäpsus ulatub 1:10 miljardi kohta. See on samaväärne New Yorgi ja Sani vahelise kauguse ennustamisega). Francisco täpsusega umbes 0,4 mm). Need jõupingutused osutusid omavahel tihedalt seotud. Standardmudel vajas osakeste massi omandamiseks mehhanismi. Väljateooria töötasid välja Peter Higgs, Robert Brout, Francois Englert, Gerald Guralnick, Carl Hagen ja Thomas Kibble.

boson

Peter Higgs mõistis, et analoogselt teiste kvantväljadega peab selle uue väljaga olema seotud osake. Selle spinn peab olema nulliga võrdne ja seega peab see olema boson - täisarvulise spinniga osake (erinevalt fermionidest, millel on pooltäisarvuline spin: 1/2, 3/2 jne). Ja tõepoolest, see sai peagi tuntuks kui Higgsi boson. Selle ainus puudus oli see, et keegi ei näinud seda.

Mis on bosoni mass?

Kahjuks ei täpsustanud bosoni ennustanud teooria selle massi. Möödus aastaid, kuni sai selgeks, et Higgsi boson peab olema üliraske ja suure tõenäosusega väljaspool suurt hadronipõrgutajat (LHC) rajatud rajatisi.

Pidage meeles, et vastavalt E=mc 2, mida suurem on osakese mass, seda rohkem on selle loomiseks vaja energiat.

Ajal, mil LHC 2010. aastal andmeid koguma hakkas, näitasid teiste kiirenditega tehtud katsed, et Higgsi bosoni mass peaks olema suurem kui 115 GeV/c2. LHC katsete käigus kavatseti otsida tõendeid bosoni massivahemikus 115–600 GeV/c2 või isegi üle 1000 GeV/c2.

Igal aastal oli eksperimentaalselt võimalik välistada suurema massiga bosoneid. 1990. aastal teati, et nõutav mass peaks olema suurem kui 25 GeV/c2 ja 2003. aastal selgus, et see on suurem kui 115 GeV/c2

Suure hadronipõrguti kokkupõrked võivad tekitada palju huvitavaid asju

Dennis Overbye New York Timesis räägib triljondiksekundi tingimuste taasloomisest pärast Suurt Pauku ja ütleb:

« ...[plahvatuse] jäänuseid selles kosmose osas pole nähtud pärast universumi jahtumist 14 miljardit aastat tagasi – elu kevad on põgus, ikka ja jälle kõigis oma võimalikes variatsioonides, justkui oleks universum osalesid oma versioonis filmist Groundhog Day»

Üks neist "jäänustest" võib olla Higgsi boson. Selle mass peab olema väga suur ja see peab lagunema vähem kui nanosekundi jooksul.

Teadaanne

Pärast pool sajandit kestnud ootusärevust muutus draama ägedaks. Füüsikud magasid väljaspool auditooriumi, et võtta istet Genfis CERNi laboris toimunud seminaril.

Kümne tuhande miili kaugusel, teisel pool planeeti, Melbourne'is toimunud mainekale rahvusvahelisele osakestefüüsika konverentsile kogunesid sajad teadlased kõigist maakera nurkadest, et kuulata seminari ülekannet Genfist.

Kuid kõigepealt heidame pilgu taustale.

Ilutulestik 4. juulil

4. juulil 2012 esitlesid ATLASe ja CMS-i eksperimentide juhid suures hadronite põrkeseadmes oma viimaseid tulemusi Higgsi bosoni otsimisel. Käisid kuulujutud, et nad kavatsevad esitada rohkemat kui lihtsalt tulemuste aruannet, kuid mida?

Muidugi, kui tulemused esitati, teatasid mõlemad katseid läbi viinud koostööpartnerid, et nad on leidnud tõendeid "Higggsi bosonitaolise" osakese olemasolu kohta massiga umbes 125 GeV. See oli kindlasti osake ja kui see pole Higgsi boson, siis on see selle väga kvaliteetne imitatsioon.

Tõendid ei olnud veenvad; teadlastel olid viie sigma tulemused, mis tähendab, et tõenäosus, et andmed olid lihtsalt statistiline viga, oli väiksem kui üks miljonist.

Higgsi boson laguneb teisteks osakesteks

Higgsi boson laguneb teisteks osakesteks peaaegu kohe pärast selle tootmist, seega saame jälgida ainult selle lagunemissaadusi. Kõige tavalisemad lagunemised (nende hulgas, mida näeme) on näidatud joonisel:

Iga Higgsi bosoni lagunemisrežiimi nimetatakse "lagunemiskanaliks" või "lagunemisrežiimiks". Kuigi bb-režiim on levinud, tekitavad paljud teised protsessid sarnaseid osakesi, nii et kui jälgida bb-i lagunemist, on väga raske öelda, kas osakesed on tingitud Higgsi bosonist või millestki muust. Me ütleme, et bb-lagunemisrežiimil on "lai taust".

Parimad lagunemiskanalid Higgsi bosoni otsimiseks on kahe footoni ja kahe Z-bosoni kanalid.*

*(Tehniliselt ei ole 125 GeV Higgsi bosonimassi puhul lagunemine kaheks Z-bosoniks võimalik, kuna Z-bosoni mass on 91 GeV, mistõttu paari massiks on 182 GeV, mis on suurem kui 125 GeV. mida me täheldame, on lagunemine Z-bosoniks ja virtuaalseks Z-bosoniks (Z*), mille mass on palju väiksem.)

Higgsi bosoni lagunemine kuni Z + Z

Z-bosonitel on ka mitu lagunemisrežiimi, sealhulgas Z → e+ + e- ja Z → µ+ + µ-.

Z + Z lagunemisrežiim oli ATLAS-i ja CMS-i katsete jaoks üsna lihtne, kusjuures mõlemad Z-bosonid lagunesid ühes kahest režiimist (Z → e+ e- või Z → µ+ µ-). Joonisel on näidatud Higgsi bosoni neli täheldatud lagunemisrežiimi:

Lõpptulemus on see, et mõnikord näeb vaatleja (lisaks mõnele sidumata osakesele) nelja müüoni või nelja elektroni või kahte müüoni ja kahte elektroni.

Milline näeks välja Higgsi boson ATLASe detektoris

Sel juhul näis, et "jet" (joa) langes ja Higgsi boson tõusis, kuid see lagunes peaaegu kohe. Iga kokkupõrkepilti nimetatakse "sündmuseks".

Näide sündmusest koos Higgsi bosoni võimaliku lagunemisega ilusa animatsiooni kujul kahe prootoni kokkupõrkest suures hadronipõrgutis, näete seda allika veebisaidil sellel lingil.

Sel juhul võib tekkida Higgsi boson, mis laguneb kohe kaheks Z-bosoniks, mis omakorda kohe lagunevad (jättes kaks müüoni ja kaks elektroni).

Mehhanism, mis annab osakestele massi

Higgsi bosoni avastamine on uskumatu vihje selle kohta, kuidas põhiosakesed omandavad massi, nagu väidavad Higgs, Brout, Engler, Gerald, Karl ja Kibble. Mis mehhanism see on? See on väga keeruline matemaatiline teooria, kuid selle peamist ideed saab mõista lihtsa analoogia abil.

Kujutage ette ruumi, mis on täidetud Higgsi väljaga, nagu seltskond füüsikuid, kes suhtlevad üksteisega rahulikult kokteilide saatel...
Ühel hetkel siseneb Peter Higgs ja tekitab üle ruumi liikudes elevust, meelitades igal sammul fännide seltskonda...

Enne ruumi sisenemist sai professor Higgs vabalt liikuda. Kuid pärast füüsikuid täis ruumi sisenemist tema kiirus langes. Rühm fänne aeglustas tema liikumist üle ruumi; teisisõnu sai ta massi juurde. See on analoogne massita osakestele, mis omandavad massi, kui nad suhtlevad Higgsi väljaga.

Kuid ta tahtis ainult baari jõuda!

(Analoogia idee kuulub prof David J. Millerile Londoni ülikooli kolledžist, kes võitis auhinna Higgsi bosoni ligipääsetava selgituse eest – © CERN)

Kuidas saab Higgsi boson oma massi?

Teisest küljest, kui uudised ruumis levivad, moodustavad nad ka inimrühmi, kuid seekord ainult füüsikutest. Selline seltskond võib aeglaselt ruumis ringi liikuda. Nagu teisedki osakesed, omandab Higgsi boson massi lihtsalt Higgsi väljaga suhtlemisel.

Higgsi bosoni massi leidmine

Kuidas leida Higgsi bosoni mass, kui see laguneb enne avastamist teisteks osakesteks?

Kui otsustate jalgratta kokku panna ja soovite teada selle massi, peaksite liitma jalgrattaosade massid: kaks ratast, raam, juhtraud, sadul jne.

Kuid kui soovite arvutada Higgsi bosoni massi osakeste põhjal, milleks see lagunes, ei saa te masse lihtsalt liita. Miks mitte?

Higgsi bosoni lagunemisosakeste masside liitmine ei toimi, kuna neil osakestel on puhkeenergiaga võrreldes tohutu kineetiline energia (pidage meeles, et puhkeolekus oleva osakese puhul E = mc 2). See tuleneb asjaolust, et Higgsi bosoni mass on palju suurem kui selle lagunemise lõppsaaduste mass, nii et ülejäänud energia läheb kuhugi, nimelt pärast lagunemist tekkivate osakeste kineetilisesse energiasse. Relatiivsusteooria käsib meil kasutada allolevat võrrandit osakeste hulga "invariantse massi" arvutamiseks pärast lagunemist, mis annab meile "vanema", Higgsi bosoni massi:

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

Higgsi bosoni massi leidmine selle lagunemissaaduste põhjal

Quantuzi märkus: siin oleme tõlkes pisut ebakindlad, kuna sellega on seotud eriterminid. Soovitame igaks juhuks tõlget allikaga võrrelda.

Kui me räägime lagunemisest nagu H → Z + Z* → e+ + e- + µ+ + µ-, siis võivad ülaltoodud neli võimalikku kombinatsiooni tekkida nii Higgsi bosoni lagunemise kui ka taustprotsesside tõttu, seega peame vaatama nende kombinatsioonide nelja osakese kogumassi histogrammi.

Massi histogramm viitab sellele, et me jälgime suurt hulka sündmusi ja märgime nende sündmuste arvu, kui saadakse tulemuseks muutumatu mass. See näeb välja nagu histogramm, kuna muutumatud massiväärtused on jagatud veergudeks. Iga veeru kõrgus näitab sündmuste arvu, mille korral invariantne mass on vastavas vahemikus.

Võiksime ette kujutada, et need on Higgsi bosoni lagunemise tulemused, kuid see pole nii.

Higgsi bosoni andmed taustast

Histogrammi punased ja lillad alad näitavad "tausta", millel on oodata nelja leptoni sündmuste arvu ilma Higgsi bosoni osaluseta.

Sinine ala (vt animatsioon) tähistab "signaali" ennustust, milles nelja leptoni sündmuste arv viitab Higgsi bosoni lagunemise tulemusele. Signaal asetatakse tausta ülaossa, kuna sündmuste prognoositud koguarvu saamiseks liidate lihtsalt kokku kõik sündmuste võimalikud tagajärjed.

Mustad punktid näitavad vaadeldud sündmuste arvu, samas kui punkte läbivad mustad jooned tähistavad nende numbrite statistilist ebakindlust. Andmete tõus (vt järgmist slaidi) 125 GeV juures on märk uuest 125 GeV osakesest (Higgsi boson).

Algsel veebisaidil on animatsioon Higgsi bosoni andmete arengust, kui need akumuleeruvad.

Higgsi bosoni signaal tõuseb aeglaselt taustast kõrgemale.

Andmed Higgsi bosoni lagunemisest kaheks footoniks

Lagunemine kaheks footoniks (H → γ + γ) on veelgi laiema taustaga, kuid sellest hoolimata on signaal selgelt eristatav.

See on Higgsi bosoni kaheks footoniks lagunemise muutumatu massi histogramm. Nagu näha, on taust võrreldes eelmise graafikuga väga lai. Seda seetõttu, et kahte footoni tekitavaid protsesse on palju rohkem kui nelja leptonit tekitavaid protsesse.

Katkendlik punane joon näitab tausta ja paks punane joon näitab tausta ja signaali summat. Näeme, et andmed on heas kooskõlas uue osakesega, mis on umbes 125 GeV.

Esimeste andmete puudused

Andmed olid veenvad, kuid mitte täiuslikud ja neil oli olulisi piiranguid. 4. juuliks 2012 ei olnud piisavalt statistikat, et määrata kindlaks osakese (Higgsi bosoni) lagunemise kiirus erinevateks vähemmassiivsete osakeste komplektideks (nn hargnemisproportsioonid), mida standardmudel ennustas.

"Hargnevussuhe" on lihtsalt tõenäosus, et osake laguneb antud lagunemiskanali kaudu. Neid proportsioone ennustab standardmudel ja mõõdetakse samade osakeste lagunemist korduvalt jälgides.

Järgmine graafik näitab parimaid hargnemisproportsioonide mõõtmisi, mida saame teha 2013. aasta seisuga. Kuna need on standardmudeli ennustatud proportsioonid, on ootus 1,0. Punktid on praegused mõõtmised. Ilmselgelt on vearibad (punased jooned) enamasti siiski liiga suured, et teha tõsiseid järeldusi. Neid segmente lühendatakse uute andmete vastuvõtmisel ja punktid võivad liikuda.

Kuidas teate, et inimene jälgib Higgsi bosoni kandidaatsündmust? Selliseid sündmusi eristavad ainulaadsed parameetrid.

Kas osake on Higgsi boson?

Kuigi tuvastati uue osakese lagunemine, oli selle toimumise kiirus 4. juuliks endiselt ebaselge. Ei olnud isegi teada, kas avastatud osakesel olid õiged kvantarvud – st kas sellel oli Higgsi bosoni jaoks vajalik spinn ja paarsus.

Teisisõnu, 4. juulil nägi osake välja nagu part, kuid me pidime veenduma, et see ujub nagu part ja vuliseb nagu part.

Kõik Large Hadron Collider (ja ka Tevatroni põrkur Fermilabis) katsete ATLAS ja CMS tulemused pärast 4. juulit 2012 näitasid märkimisväärset kokkusobivust eeldatavate hargnemisproportsioonidega viie ülalkirjeldatud lagunemisrežiimi puhul ja eeldatava spinniga. (võrdne nulliga) ja paarsus (võrdne +1), mis on põhilised kvantarvud.

Need parameetrid on olulised otsustamaks, kas uus osake on tõesti Higgsi boson või mõni muu ootamatu osake. Seega viitavad kõik kättesaadavad tõendid standardmudeli Higgsi bosonile.

Mõned füüsikud pidasid seda pettumuseks! Kui uus osake on Higgsi boson standardmudelist, siis on standardmudel sisuliselt valmis. Kõik, mida nüüd teha saab, on mõõta juba avastatud asju järjest suurema täpsusega.

Kuid kui uus osake osutub millekski, mida standardmudel ei ennusta, avab see ukse paljudele uutele teooriatele ja ideedele, mida testida. Ootamatud tulemused nõuavad alati uusi selgitusi ja aitavad teoreetilist füüsikat edasi lükata.

Kust tuli mass universumist?

Tavalises aines sisaldub suurem osa massist aatomites ja täpsemalt prootonitest ja neutronitest koosnevas tuumas.

Prootonid ja neutronid koosnevad kolmest kvargist, mis saavad oma massi Higgsi väljaga suhtlemisel.

AGA... kvarkide massid annavad umbes 10 MeV, mis on umbes 1% prootoni ja neutroni massist. Kust siis ülejäänud mass tuleb?

Selgub, et prootoni mass tuleneb teda moodustavate kvarkide kineetilisest energiast. Nagu te muidugi teate, on mass ja energia seotud võrdsusega E=mc 2.

Seega kuulub Higgsi mehhanismi vaid väike osa universumi tavalise aine massist. Kuid nagu järgmises osas näeme, oleks Universum ilma Higgsi massita täiesti elamiskõlbmatu ja Higgsi mehhanismi avastajaks poleks kedagi!

Kui Higgsi välja poleks?

Kui Higgsi välja poleks, siis milline oleks universum?

See pole nii ilmne.

Kindlasti ei seoks miski aatomites olevaid elektrone. Nad lendaksid valguse kiirusel laiali.

Kuid kvarke seob tugev vastastikmõju ja nad ei saa eksisteerida vabas vormis. Mõned kvarkide seotud olekud võivad säilida, kuid prootonite ja neutronite kohta pole selge.

Kõik see oleks tõenäoliselt tuumataoline aine. Ja võib-olla kukkus see kõik kokku gravitatsiooni mõjul.

Fakt, milles oleme kindlad: universum oleks külm, pime ja elutu.
Seega päästab Higgsi boson meid külmast, pimedast ja elutust universumist, kus pole inimesi, kes Higgsi bosonit avastaksid.

Kas Higgsi boson on standardmudeli boson?

Teame kindlalt, et osake, mille me avastasime, on Higgsi boson. Teame ka, et see on väga sarnane standardmudeli Higgsi bosoniga. Kuid on kaks punkti, mida pole ikka veel tõestatud:

1. Hoolimata asjaolust, et Higgsi boson pärineb standardmudelist, on väikeseid lahknevusi, mis viitavad uue füüsika olemasolule (praegu teadmata).
2. Higgsi bosoneid on rohkem kui üks, erineva massiga. See viitab ka sellele, et tuleb uurida uusi teooriaid.

Ainult aeg ja uued andmed paljastavad kas standardmudeli ja selle bosoni puhtuse või uued põnevad füüsikateooriad.

Higgsi boson, selle koht elementaarosakeste reas ja teoreetiliselt ennustatavad omadused. Bosoni otsimise tähtsus maailma füüsilise pildi jaoks. Katsed...

Masterwebist

10.06.2018 14:00

Füüsikas on Higgsi boson elementaarosake, mis teadlaste arvates mängib Universumi massi tekkes olulist rolli. Selle osakese olemasolu kinnitamine või ümberlükkamine oli Genfi lähedal asuvas Euroopa osakeste füüsika laboris (CERN) asuva maailma võimsaima osakeste kiirendi, Large Hadron Collider (LHC) kasutamise üks peamisi eesmärke.

Miks oli Higgsi bosoni leidmine nii oluline?

Kaasaegses osakeste füüsikas on teatud standardmudel. Ainus osake, mida see mudel ennustab ja mille tuvastamisega teadlased on pikka aega vaeva näinud, on boson. Osakeste standardmudel (katseandmetel) kirjeldab kõiki elementaarosakeste vahelisi interaktsioone ja teisendusi. Sellesse mudelisse jäi aga ainus “tühi koht” - vastuse puudumine massi päritolu küsimusele. Massi tähtsus on väljaspool kahtlust, sest ilma selleta oleks Universum täiesti teistsugune. Kui elektronil poleks massi, siis ei eksisteeriks aatomeid ja ainet ennast, poleks bioloogiat ja keemiat ning lõpuks poleks ka inimest.

Massi olemasolu kontseptsiooni selgitamiseks püstitasid mitmed füüsikud, sealhulgas britt Peter Higgs, nn Higgsi välja olemasolu hüpoteesi juba eelmise sajandi 60ndatel. Analoogiliselt footoniga, mis on elektromagnetvälja osake, nõuab Higgsi väli ka selle kandjaosakese olemasolu. Seega on Higgsi bosonid lihtsate sõnadega osakesed, mille hulgast moodustub Higgsi väli.

Higgsi osake ja selle loodav väli

Kõik elementaarosakesed võib jagada kahte tüüpi:

• Fermions.
• Bosonid.

Fermionid on osakesed, mis moodustavad meile teadaoleva aine, näiteks prootonid, elektronid ja neutronid. Bosonid on elementaarosakesed, mis määravad fermioonide vahel erinevate interaktsioonide olemasolu. Näiteks bosonid on footon - elektromagnetilise interaktsiooni kandja, gluoon - tugeva või tuuma interaktsiooni kandja, Z- ja W-bosonid, mis vastutavad nõrga interaktsiooni, st elementaarosakeste vaheliste transformatsioonide eest.

Kui rääkida lihtsamalt Higgsi bosonist ja massi tekkimist selgitava hüpoteesi tähendusest, siis peaksime ette kujutama, et need bosonid on jaotunud Universumi ruumis ja moodustavad pideva Higgsi välja. Kui mõni keha, aatom või elementaarosake kogeb selle välja suhtes “hõõrdumist”, st suhtleb sellega, siis see interaktsioon avaldub selle keha või osakese massi olemasoluna. Mida rohkem keha "hõõrub" osakest vastu Higgsi välja, seda suurem on selle mass.

Kuidas Higgsi bosonit tuvastada ja kuhu kaevata

Seda bosonit ei saa otseselt tuvastada, kuna (teoreetiliste andmete kohaselt) laguneb see pärast ilmumist koheselt teisteks stabiilsemateks elementaarosakesteks. Kuid pärast Higgsi bosoni lagunemist ilmunud osakesed on juba tuvastatavad. Need on "jäljed", mis näitavad selle olulise osakese olemasolu.

Teadlased põrkasid Higgsi bosoniosakeste tuvastamiseks kokku suure energiaga prootonikiirte. Vastavalt Albert Einsteini kuulsale võrrandile E = mc2 võib kokkupõrke ajal prootonite tohutu energia muutuda massiks. Põrkuri prootoni kokkupõrke tsoonis on palju detektoreid, mis võimaldavad salvestada mis tahes osakeste välimust ja lagunemist.

Higgsi bosoni massi teoreetiliselt kindlaks ei tehtud, kuid määrati ainult selle väärtuste võimalik kogum. Osakese tuvastamiseks on vaja võimsaid kiirendeid. Large Hadron Collider (LHC) on praegu planeedi Maa võimsaim kiirendi. Tema abiga õnnestus kokku põrgata prootoneid 14 tetraelektronvolti (TeV) lähedase energiaga. Praegu töötab see umbes 8 TeV energiaga. Kuid isegi need energiad osutusid piisavaks Higgsi bosoni või jumalaosakese tuvastamiseks, nagu paljud seda ka nimetavad.

Juhuslikud ja reaalsed sündmused

Osakestefüüsikas hinnatakse sündmuse olemasolu teatud tõenäosusega "sigma", mis määrab selle katses saadud sündmuse juhuslikkuse või reaalsuse. Sündmuse tõenäosuse suurendamiseks on vaja analüüsida suurt hulka andmeid. Higgsi bosoni otsimine ja avastamine on üks seda tüüpi tõenäolisi sündmusi. Selle osakese tuvastamiseks tekitas LHC umbes 300 miljonit kokkupõrget sekundis, seega oli analüüsimist vajavate andmete hulk tohutu.

Konkreetse sündmuse reaalsest vaatlusest saame rääkida julgelt, kui selle “sigma” on 5 või rohkem. See on samaväärne mündi sündmusega (kui viskad selle ümber ja see langeb 20 korda järjest pea peale). See tulemus vastab tõenäosusele, mis on väiksem kui 0,00006%.

Kui see "uus" reaalne sündmus on avastatud, tuleb seda üksikasjalikult uurida, vastates küsimusele, kas see sündmus vastab täpselt Higgsi osakesele või on see mõni muu osake. Selleks on vaja hoolikalt uurida selle uue osakese lagunemissaaduste omadusi ja võrrelda neid teoreetiliste ennustuste tulemustega.

LHC katsed ja massiosakese avastamine

Massiosakeste otsingud, mis viidi läbi Genfis LHC põrkajate juures ja USA-s Fermilabis Tevatronis, näitasid, et jumalaosakese mass peab olema suurem kui 114 gigaelektronvolti (GeV), kui seda väljendatakse energiaekvivalendina. Näiteks oletame, et ühe prootoni mass vastab ligikaudu 1 GeV-le. Teised katsed, mille eesmärk oli selle osakese otsimine, näitasid, et selle mass ei tohi ületada 158 GeV.

LHC Higgsi bosoni otsimise esimesed tulemused esitati 2011. aastal tänu põrkajal ühe aasta jooksul kogutud andmete analüüsile. Selle aja jooksul viidi selle probleemiga läbi kaks peamist katset – ATLAS ja CMS. Nende katsete kohaselt on bosoni mass vahemikus 116–130 GeV või vahemikus 115–127 GeV. Huvitav on märkida, et mõlemas LHC katses on bosonimass paljude tunnuste järgi kitsas piirkonnas vahemikus 124–126 GeV.

Peter Higgs pälvis koos kolleegi Frank Englertiga 8. oktoobril 2013 Nobeli preemia elementaarosakestes massi olemasolu mõistmise teoreetilise mehhanismi avastamise eest, mis leidis kinnitust CERNi LHC ATLAS ja CMS katsetes. (Genf), kui avastati eksperimentaalselt ennustatud boson.

Higgsi osakese avastamise tähtsus füüsika jaoks

Lihtsamalt öeldes tähistas Higgsi bosoni avastamine osakeste füüsika uue etapi algust, kuna see sündmus andis uusi viise Universumi nähtuste edasiseks uurimiseks. Näiteks musta aine olemuse ja omaduste uurimine, mis üldistel hinnangutel moodustab umbes 23% kogu teadaolevast Universumist, kuid mille omadused on tänaseni saladuseks. Jumalaosakese avastamine võimaldas LHC-s läbi mõelda ja läbi viia uusi katseid, mis aitavad selles küsimuses selgust saada.

Bosoni omadused

Paljud jumalaosakeste omadused, mida on kirjeldatud elementaarosakeste standardmudelis, on nüüdseks täielikult välja kujunenud. Sellel bosonil on null spin ja sellel pole elektrilaengut ega värvi, mistõttu see ei suhtle teiste bosonitega, nagu footon ja gluoon. Kuid see interakteerub kõigi osakestega, millel on mass: kvargid, leptonid ning nõrga vastasmõju bosonid Z ja W. Mida suurem on osakese mass, seda tugevam on see vastastikmõju Higgsi bosoniga. Lisaks on see boson omaenda antiosake.

Teooria ei ennusta osakese massi, selle keskmist eluiga ja bosonite vahelist vastasmõju. Neid koguseid saab mõõta ainult katseliselt. CERNi (Genfi) LHC-s tehtud katsete tulemused näitasid, et selle osakese mass jääb vahemikku 125–126 GeV ja selle eluiga on ligikaudu 10–22 sekundit.

Avastas bosoni ja kosmoseapokalüpsise

Selle osakese avastamist peetakse inimkonna ajaloos üheks olulisemaks. Katsed selle bosoniga jätkuvad ja teadlased saavad uusi tulemusi. Üks neist oli tõsiasi, et boson võib viia universumi hävinguni. Pealegi on see protsess juba alanud (teadlaste sõnul). Probleemi olemus on järgmine: Higgsi boson võib universumi mõnes osas iseenesest kokku kukkuda. See loob energiamulli, mis järk-järgult levib, neelates endasse kõik, mis oma teel on.

Kui küsida, kas maailm saab otsa, vastab iga teadlane jaatavalt. Fakt on see, et on olemas teooria, mida nimetatakse "Tähemudeliks". See postuleerib ilmse väite: kõigel on oma algus ja lõpp. Kaasaegsete ideede kohaselt näeb universumi lõpp välja selline: universumi kiirenenud paisumine viib aine hajumiseni ruumis. See protsess jätkub kuni viimase tähe kustumiseni, misjärel universum sukeldub igavesse pimedusse. Keegi ei tea, kui kaua see aega võtab, et see juhtuks.

Higgsi bosoni avastamisega kerkis esile veel üks maailmalõpu teooria. Fakt on see, et mõned füüsikud usuvad, et tekkiv bosonimass on üks võimalikest ajutistest massidest, on ka teisi väärtusi. Neid massiväärtusi saab ka realiseerida, kuna (lihtsamalt öeldes) on Higgsi boson elementaarosake, millel võivad olla laineomadused. See tähendab, et on olemas võimalus selle üleminekuks stabiilsemasse olekusse, mis vastab suuremale massile. Kui selline üleminek toimub, siis saavad kõik inimesele teadaolevad loodusseadused teistsuguse kuju ja seetõttu saabub meile tuntud Universumi lõpp. Lisaks võis see protsess mõnes Universumi osas juba toimuda. Inimkonnal ei jää oma eksisteerimiseks palju aega.

LHC ja teiste osakeste kiirendite kasulikkus ühiskonnale

Osakeste kiirendite jaoks väljatöötatavad tehnoloogiad on kasulikud ka meditsiinis, arvutiteaduses, tööstuses ja keskkonnas. Näiteks saab meditsiinidiagnostika tehnoloogiates kasutada ülijuhtivatest materjalidest kokkupõrkega magneteid, mille abil kiirendatakse elementaarosakesi. Positrontomograafias (positron on elektroni antiosake) saab kasutada kaasaegseid põrkeris toodetud erinevate osakeste detektoreid. Lisaks saab LHC-s elementaarosakeste kiirte moodustamise tehnoloogiaid kasutada mitmesuguste haiguste, näiteks vähi raviks.

Mis puutub CERN-is (Genfi) infotehnoloogia jaoks LHC-d kasutavatest teadusuuringutest saadava kasu kohta, siis tuleb öelda, et nii ülemaailmne arvutivõrk GRID kui ka Internet ise võlgnevad oma arengu suuresti tänu katsetele osakeste kiirenditega, mis tootsid tohutuid koguseid. andmetest. Vajadus jagada neid andmeid teadlaste vahel üle maailma, viis Tim Bernels-Lee poolt CERNis välja World Wide Web (WWW) keele, millel Internet põhineb.

Osakeste kiireid, mis tekkisid ja tekivad erinevat tüüpi kiirendites, kasutatakse praegu tööstuses laialdaselt uute materjalide omaduste, bioloogiliste objektide struktuuri ja keemiatööstuse toodete uurimiseks. Osakestefüüsika saavutusi kasutatakse päikeseenergia paneelide projekteerimiseks, radioaktiivsete jäätmete ümbertöötlemiseks jne.

Higgsi osakese avastamise mõju kirjandusele, kinole ja muusikale

Järgmised faktid näitavad füüsikas massiosakeste avastamise uudiste sensatsioonilist olemust:

• Pärast selle osakese avastamist ilmus populaarteaduslik raamat "The God Particle: If the Universe is the Answer, what is the Question"? Lev Liederman. Füüsikud ütlevad, et Higgsi bosoni nimetamine jumalaosakeseks on liialdus.
• Filmis Inglid ja deemonid, mis põhineb samanimelisel raamatul, on kasutatud ka nimetust "Jumalaosakese" boson.
• Ulmefilm Solaris, mille peaosades on George Clooney ja Natascha McElhone, esitab teooria, mis mainib Higgsi välja ja selle olulist rolli subatomaarsete osakeste stabiliseerimisel.
• Ulmeraamatus Flashforward, mille kirjutas Robert Sawyer 1999. aastal, põhjustavad kaks teadlast üleilmse katastroofi, kui viivad läbi katseid Higgsi bosoni tuvastamiseks.
• Hispaania seriaal "Ark" räägib globaalsest katastroofist, kus Suure Hadronipõrgetise katsete tulemusel ujutati kõik mandrid üle ja ellu jäid vaid laeval "Polar Star" olnud inimesed.
• Madridist pärit muusikarühm "Aviador Dro" pühendas oma albumis "Teaduse hääl" loo avastatud massibosonile.
• Austraalia laulja Nick Cave nimetas oma albumis "Push the Sky Away" üht laulu "Blue Higgs Boson".

Kievyan Street, 16 0016 Armeenia, Jerevan +374 11 233 255

Võime panustada suure summa peale, et enamikul teist (kaasa arvatud teadushuvilised) ei ole väga head ettekujutust sellest, mida füüsikud suure hadronite põrgataja juurest leidsid, miks nad seda nii kaua otsisid ja mis edasi saab. .

Seetõttu lühike lugu sellest, mis on Higgsi boson.

Alustada tuleb sellest, et inimesed on üldiselt väga halvad, et kujutada oma mõtetes ette mikrokosmoses, elementaarosakeste skaalal toimuvat.

Näiteks kujutavad paljud koolipõlvest ette, et elektronid on väikesed kollased pallid, nagu miniplaneedid, mis tiirlevad ümber aatomituuma, või näeb see välja nagu vaarikas, mis koosneb punastest ja sinistest prootonitest-neutronitest. Need, kes on populaarsetest raamatutest kvantmehaanikaga mõnevõrra tuttavad, kujutavad elementaarosakesi ette uduste pilvedena. Kui meile öeldakse, et iga elementaarosake on ka laine, kujutame ette laineid merel (või ookeanis): perioodiliselt võnkuva kolmemõõtmelise keskkonna pinda. Kui meile öeldakse, et osake on sündmus teatud väljas, siis kujutame ette välja (miski sumiseb tühjas, nagu trafokarp).

See kõik on väga halb. Sõnad "osake", "väli" ja "laine" peegeldavad tegelikkust äärmiselt halvasti ja neid pole võimalik ette kujutada. Mis iganes visuaalne pilt teile meelde tuleb, on vale ja segab arusaamist. Elementaarosakesed ei ole põhimõtteliselt nähtavad või „puudutavad“ ja meie, ahvide järeltulijad, oleme loodud ainult selliseid asju ette kujutama. Ei ole tõsi, et elektron (või footon või Higgsi boson) „on nii osake kui laine”; see on midagi kolmandat, mille jaoks pole meie keeles kunagi sõnu olnud (nagu mittevajalik). Meie (selles mõttes, inimkond) teame, kuidas nad käituvad, saame teha mõningaid arvutusi, korraldada nendega katseid, kuid me ei leia nende jaoks head vaimset pilti, sest asjad, mis on elementaarosakestega vähemalt ligikaudu sarnased, ei ole meie skaalal üldse leitud.

Professionaalsed füüsikud ei püüa mikromaailmas toimuvat visuaalselt (või muul viisil inimtunnete mõttes) ette kujutada; see on halb tee, see ei vii kuhugi. Neil tekib järk-järgult intuitsioon selle kohta, millised objektid seal elavad ja mis nendega juhtub, kui nad seda ja teist teevad, kuid tõenäoliselt ei suuda mitteprofessionaal seda dubleerida.

Nii et ma loodan, et te ei mõtle enam väikestele pallidele. Nüüd sellest, mida nad suure hadronite põrgataja juures otsisid ja leidsid.

Üldtunnustatud teooriat selle kohta, kuidas maailm töötab väikseimas mastaabis, nimetatakse standardmudeliks. Tema sõnul toimib meie maailm nii. See sisaldab mitut põhimõtteliselt erinevat tüüpi ainet, mis suhtlevad üksteisega erineval viisil. Mõnikord on mugav rääkida sellistest interaktsioonidest nagu teatud "objektide" vahetus, mille jaoks saab mõõta kiirust, massi, kiirendada või suruda neid üksteise vastu jne. Mõnel juhul on mugav neid nimetada (ja mõelda neist) kandjaosakesteks. Selliseid osakesi on mudelis 12 tüüpi. Tuletan meelde, et kõik, millest ma praegu kirjutan, on endiselt ebatäpne ja rüvetav; kuid ma loodan, et siiski palju vähem kui enamik meediakajastusi. (Näiteks 4. juuli “Moskva kaja” paistis silma lausega “5 punkti sigmaskaalal”, teadjamad hindavad seda).

Nii või teisiti on standardmudeli 12 osakesest 11 juba varem vaadeldud. 12. on Higgsi väljale vastav boson – mis annab paljudele teistele osakestele massi. Väga hea (aga muidugi ka ebakorrektne) analoogia, mis pole minu poolt välja mõeldud: kujutage ette täiesti siledat piljardilauda, ​​millel on piljardipallid - elementaarosakesed. Nad hajuvad kergesti erinevatesse suundadesse ja liiguvad kõikjal ilma segamiseta. Kujutage nüüd ette, et laud on kaetud mingi kleepuva massiga, mis takistab osakeste liikumist: see on Higgsi väli ja osakese kleepumise ulatus sellise katte külge on selle mass. Higgsi väli ei suhtle mingil viisil mõne osakesega, näiteks footonitega, ja nende mass on vastavalt null; Võib ette kujutada, et footonid on õhuhokis nagu litter ja katet ei panda üldse tähele.

Kogu see analoogia on näiteks vale, sest mass, erinevalt meie kleepuvast kattest, ei lase osakesel liikuda, küll aga kiirendada, kuid see annab mingi arusaama illusiooni.

Higgsi boson on sellele "kleepuvale väljale" vastav osake. Kujutage ette, et lööte piljardilauda väga tugevalt, kahjustate vilti ja purustate väikese koguse kleepuvat ainet mullilaadseks voldiks, mis voolab kiiresti tagasi. See on see.

Tegelikult on just seda suur hadronite põrgataja kõik need aastad teinud ja umbes selline nägi välja Higgsi bosoni hankimise protsess: me lööme kõigest jõust vastu lauda, ​​kuni riie ise hakkab muutuma staatiline, kõva ja kleepuv pind millekski huvitavamaks (või kuni juhtub midagi veelgi imelisemat, mida teooria ei ennusta). Seetõttu on LHC nii suur ja võimas: nad on juba proovinud vähema energiaga lauale lüüa, kuid edutult.

Nüüd kurikuulsast 5 sigmast. Ülaltoodud protsessi probleem seisneb selles, et me saame ainult koputada ja loota, et sellest midagi tuleb; Garanteeritud retsepti Higgsi bosoni saamiseks pole. Veelgi hullem, kui ta lõpuks maailma sünnib, peab meil olema aega tema registreerimiseks (loomulikult on teda võimatu näha ja ta eksisteerib vaid tühise sekundi murdosa). Ükskõik, millist detektorit me kasutame, võime vaid öelda, et näib, et oleme täheldanud midagi sarnast.

Kujutage nüüd ette, et meil on eriline stants; see langeb juhuslikult ühele kuuest tahkest, kuid kui Higgsi boson on just sel ajal selle lähedal, siis kuus ei kuku kunagi välja. See on tüüpiline detektor. Kui viskame ühe korra täringut ja lööme samal ajal kõigest jõust vastu lauda, ​​siis ükski tulemus ei ütle meile midagi: kas see tuli 4-ga? Täiesti tõenäoline sündmus. Kas viskasite 6? Võib-olla tabasime lihtsalt valel hetkel kergelt vastu lauda ja bosonil, kuigi see oli olemas, ei olnud aega õigel hetkel sündida või suutis vastupidi laguneda.

Kuid me saame seda katset teha mitu korda ja isegi mitu korda! Suurepärane, veeretame täringut 60 000 000 korda. Oletame, et kuus tuli "ainult" 9 500 000 korda, mitte 10 000 000; Kas see tähendab, et aeg-ajalt ilmub boson või on see lihtsalt aktsepteeritav kokkusattumus – me ei usu, et stants peaks olema kuus sile 10 miljonit korda 60-st?

Noh uh. Selliseid asju ei saa silmaga hinnata, tuleb arvestada, kui suur on kõrvalekalle ja kuidas see on seotud võimalike õnnetustega. Mida suurem on kõrvalekalle, seda vähem on tõenäoline, et luu lihtsalt kogemata nii pikali jäi ja seda suurem on tõenäosus, et aeg-ajalt (mitte alati) tekkis mõni uus elementaarosake, mis ei lase tal kuuena lamada. Keskmisest kõrvalekallet on mugav väljendada sigmades. “Üks sigma” on hälbe tase, mis on “enim oodatud” (selle konkreetse väärtuse saab välja arvutada iga füüsika- või matemaatikateaduskonna kolmanda kursuse üliõpilane). Kui katseid on päris palju, siis 5 sigma suurune hälve on tase, mil arvamus “juhuslikkus on ebatõenäoline” muutub absoluutselt kindlaks kindlustundeks.

Füüsikud teatasid ligikaudu sellise hälbe taseme saavutamisest kahel erineval detektoril 4. juulil. Mõlemad detektorid käitusid väga sarnaselt sellele, kuidas nad käituksid siis, kui tugevalt vastu lauda lüües tekkiv osake oleks tegelikult Higgsi boson; Rangelt võttes ei tähenda see, et just tema on meie ees, me peame mõõtma kõikvõimalikke muid selle omadusi kõikvõimalike muude detektoritega. Kuid kahtlusi on vähe.

Lõpetuseks sellest, mis meid tulevikus ees ootab. Kas "uus füüsika" on avastatud ja kas on tehtud läbimurre, mis aitab meil luua hüperkosmosemootoreid ja absoluutset kütust? Ei; ja isegi vastupidi: sai selgeks, et selles füüsika osas, mis uurib elementaarosakesi, imesid ei juhtu ja loodus on üles ehitatud peaaegu nii, nagu füüsikud olid kogu aeg eeldanud (noh, või peaaegu nii). See on isegi veidi kurb.

Olukorra teeb keeruliseks asjaolu, et me teame täiesti kindlalt, et põhimõtteliselt ei saa seda täpselt niimoodi üles ehitada. Standardmudel on puhtalt matemaatiliselt kokkusobimatu Einsteini üldise relatiivsusteooriaga ja mõlemad lihtsalt ei saa olla korraga tõesed.

Ja kuhu nüüd kaevata, pole veel väga selge (asi pole selles, et mõtteid poleks, pigem vastupidi: erinevaid teoreetilisi võimalusi on liiga palju ja nende testimiseks on palju vähem võimalusi). Võib-olla on see kellelegi selge, aga mulle kindlasti mitte. Läksin juba ammu selles postituses oma pädevusest kaugemale. Kui ma kuskil halvasti valetasin, parandage mind.

- Mida annab uus osake teadlastele ja tavainimestele?

Kaasaegse fundamentaalfüüsika peamised arengusuunad on elementaarosakeste füüsika ja kosmoloogia – Universumi evolutsiooni teadus. Viimase 10–15 aastaga on selgunud, et mikro- ja makromaailma seadmed on omavahel tihedalt seotud. Ühe valdkonna avastus annab tugeva tõuke teise arengule.

Higgsi bosoni avastamine võimaldab teadlastel kinnitada, et kaasaegse füüsika alus – standardmudel – on usaldusväärne alus meie loodusalaste ideede edasiarendamiseks. Higgsi osakese olemasolu ennustus ei leidnud katseliselt aastakümneid kinnitust, mis oli kogu osakeste füüsikas tume laik. Higgsi bosoni avastamine kinnitab peamise arengusuuna õigsust ja ahendab oluliselt alternatiivsete teooriate võimalusi nii mikro- kui ka makromaailmas. See võimaldab eelarvevahendeid tõhusamalt kasutada.

- Kus on võimalik uue bosoni avastamist rakendada?

Sellest on veel vara rääkida. Kõigepealt peate põhjalikult uurima selle omadusi ja alles seejärel mõtlema rakendusele. Juba praegu uuritakse võimalusi kasutada Higgsi osakesi Universumi tekke varaseima etapi selgitamiseks. Ja ka tumeenergia fenomen. Viimane, seni seletamatu nähtus, avastati 1998. aastal, jälgides universumi eredaimate objektide, kvasarite, kiirendatud taandumist. Seda efekti saab seletada ainult universumit täitva aine ebatavaliste omaduste eeldamisega.

- Millise tõuke uute tehnoloogiate arendamiseks võib see osake anda?

Teadusajaloost on teada, et fundamentaalsed avastused ei vii kohe uute tehnoloogiate tekkeni. Tuntud näide on Michael Faraday avastus elektromagnetilise induktsiooni seadustest, mille rakendamine tehnoloogias tundus äärmiselt kaheldav. Nüüd, peaaegu 200 aastat hiljem, on meie maailma ilma elektrita raske ette kujutada. Teine näide on 1933. aastal avastatud neutriino, mis interakteerub ainega nii nõrgalt, et suudab Maad läbida, ilma et seda isegi märkaks. Pikka aega tundus, et sellise omadusega osakesele on raske rakendust leida. Kuid nüüd püüavad teadlased juba kasutada neutriinosid signaalide edastamiseks tiheda meedia kaudu ja tuumareaktsioonide jälgede tuvastamiseks suurte vahemaade tagant.

Sarnane on olukord ka Higgsi osakesega. Ilmselt peab mööduma üle tosina aasta, enne kui selle nähtuse tehnikas kasutamise võimalused ilmsiks tulevad. Esiteks arenevad seotud teadusvaldkonnad, seejärel levib mõju edasi. Võib selguda, et ainult tulevased põlvkonnad saavad selle avastuse viljadest kasu, täpselt nagu meie praegu Faraday avastustest.

Kaasaegse teaduse areng toimub kiirendatud tempos ja erinevates suundades. Nii ehitatakse Dubnasse Venemaa raskeioonide kiirendit Nika. See hakkab töötama energiapiirkonnas, mida ei hõlma ükski maailmas olemasolev käitis, sealhulgas suur hadronite põrgataja. Just selles energiapiirkonnas on võimalus saada tuumaaine segafaas – olek, kus tuumast vabanevad osakesed – kvargid ja gluoonid – eksisteerivad samaaegselt. Seni pole keegi maailmas suutnud vabu kvarke “püüda”.

Akadeemik Valeri Rubakov, RASi tuumauuringute instituut ja Moskva Riiklik Ülikool.

Neljandal juulil 2012 leidis aset füüsika jaoks silmapaistva tähtsusega sündmus: CERN-is (Euroopa Tuumauuringute Keskuses) toimunud seminaril teatati uue osakese avastamisest, mis, nagu avastuse autorid hoolikalt deklareerivad, vastab. oma omadustes elementaarfüüsika osakeste standardmudeli teoreetiliselt ennustatud elementaarbosonile. Tavaliselt nimetatakse seda Higgsi bosoniks, kuigi see nimi pole täiesti adekvaatne. Olgu kuidas on, räägime ühe fundamentaalfüüsika põhiobjekti avastamisest, millel pole teadaolevate elementaarosakeste seas analooge ja millel on ainulaadne koht maailma füüsilises pildis (vt "Teadus ja elu"). nr 1, 1996, artikkel “Boson Higgs on vajalik!”).

LHC-B detektor on mõeldud B-mesonite – b-kvarki sisaldavate hadronite – omaduste uurimiseks. Need osakesed lagunevad kiiresti, neil on aega osakeste kiirest eemale lennata vaid millimeetri jagu. Foto: Maximilien Brice, CERN.

Standardmudeli elementaarosakesed. Peaaegu kõigil neil on oma antiosakesed, mis on tähistatud sümboliga, mille peal on tilde.

Interaktsioonid mikromaailmas. Elektromagnetiline interaktsioon tekib footonite emissiooni ja neeldumise tõttu (a). Nõrgad interaktsioonid on sarnase iseloomuga: need on põhjustatud Z-bosonite (b) või W-bosonite (c) emissioonist, neeldumisest või lagunemisest.

Higgsi boson H (spin 0) laguneb kaheks footoniks (spin 1), mille spinnid on antiparalleelsed ja kokku moodustavad 0.

Kui kiirgav elektron kiirgab footoni või kiirgab Z-bosoni, siis selle spinni projektsioon liikumissuunale ei muutu. Ringikujuline nool näitab elektroni sisemist pöörlemist.

Ühtlases magnetväljas liigub elektron sirgjooneliselt piki välja ja spiraalselt igas teises suunas.

Pika lainepikkusega ja seetõttu madala energiaga footon ei suuda lahendada π-mesoni - kvark-antikvark paari - struktuuri.

Suures hadronipõrgutis tohutute energiateni kiirendatud osakesed põrkuvad, tekitades palju sekundaarseid osakesi – reaktsiooniprodukte. Nende hulgas avastati Higgsi boson, mida füüsikud olid lootnud leida ligi pool sajandit.

Inglise füüsik Peter W. Higgs tõestas 1960. aastate alguses, et elementaarosakeste standardmudelis peab olema veel üks boson – väljakvant, mis loob aines massi.

Mis toimus seminaril ja enne seda

Seminari väljakuulutamine tehti juuni lõpus ja kohe sai selgeks, et see tuleb erakordne. Fakt on see, et esimesed märgid uue bosoni olemasolust saadi juba 2011. aasta detsembris CERNi suures hadronipõrgutis (LHC) läbi viidud ATLAS-i ja CMS-i katsetes. Lisaks ilmus vahetult enne seminari teade, et uue bosoni olemasolule viitavad ka Tevatroni prooton-antiprootoni põrkur (Fermilab, USA) tehtud katsete andmed. Sellest kõigest ei piisanud veel avastusest rääkimiseks. Kuid alates detsembrist on LHC-s kogutavate andmete hulk kahekordistunud ja nende töötlemise meetodid on muutunud arenenumaks. Tulemus oli muljetavaldav: igas ATLAS-i ja CMS-i katses eraldi saavutas signaali statistiline usaldusväärsus väärtuse, mida peetakse osakeste füüsikas avastustasemeks (viis standardhälvet).

Seminar möödus pidulikus õhkkonnas. Lisaks CERNis töötavatele teadlastele ja seal suveprogrammides õppivatele tudengitele “külastasid” seda interneti vahendusel Melbourne’is samal päeval avatud suurimal kõrgenergiafüüsika konverentsil osalejad. Seminari kanti üle Interneti teaduskeskustesse ja ülikoolidesse üle maailma, sealhulgas loomulikult Venemaal. Pärast CMS-i koostööjuhtide – Joe Incandela ja ATLASe – Fabiola Gianotti muljetavaldavaid etteasteid lõpetas CERNi peadirektor Rolf Heuer: "Ma arvan, et see on meil olemas!" ("Ma arvan, et see on meie kätes!").

Mis on siis "meie kätes" ja miks teoreetikud selle välja tulid?

Mis on uus osake?

Mikromaailma teooria minimaalset versiooni nimetatakse kohmakalt standardmudeliks. See hõlmab kõiki teadaolevaid elementaarosakesi (loetleme need allpool) ja kõiki teadaolevaid nendevahelisi interaktsioone. Gravitatsiooniline interaktsioon eristub: see ei sõltu elementaarosakeste tüübist, vaid seda kirjeldab Einsteini üldrelatiivsusteooria. Higgsi boson jäi standardmudeli ainsaks elemendiks, mida ei olnud kuni viimase ajani avastatud.

Standardmudeli nimetasime minimaalseks just seetõttu, et selles pole muid elementaarosakesi. Eelkõige on sellel üks ja ainult üks Higgsi boson ning see on elementaarosake, mitte liitosake (teisi võimalusi käsitletakse allpool). Enamikku standardmudeli aspekte – välja arvatud uus sektor, kuhu Higgsi boson kuulub – on testitud arvukates katsetes ja LHC tööprogrammi põhiülesanne on välja selgitada, kas teooria minimaalne versioon on ka tegelikult looduses rakendatud ja kui täielikult see mikromaailma kirjeldab.

Selle programmi rakendamise käigus avastati uus osake, mis on mikromaailma füüsika standardite järgi üsna raske. Selles teadusvaldkonnas mõõdetakse massi energiaühikutes, pidades silmas seost E = mс 2 massi ja puhkeenergia vahel. Energia ühik on elektronvolt (eV) - energia, mille elektron omandab pärast 1-voldise potentsiaalide erinevuse läbimist, ja selle tuletised - MeV (miljon, 10 6 eV), GeV (miljard, 10 9 eV), TeV (triljon, 10 12 eV) . Elektroni mass nendes ühikutes on 0,5 MeV, prootoni mass on ligikaudu 1 GeV ja raskeim teadaolev elementaarosake, t-kvark, on 173 GeV. Seega on uue osakese mass 125-126 GeV (määramatus on seotud mõõtmisveaga). Nimetagem seda uut osakest N.

Sellel puudub elektrilaeng, see on ebastabiilne ja võib erineval viisil laguneda. See avastati CERNi suures hadronite põrgatis, uurides lagunemist kaheks footoniks H → γγ ja kaheks elektron-positron ja/või müon-antimuon paariks, H → e + e - e + e - , H → e + e - μ + μ - , H → μ + μ - μ + μ-. Teist tüüpi protsess on kirjutatud kui H → 4ℓ, kus ℓ tähistab ühte osakestest e +, e -, μ + või μ - (neid nimetatakse leptoniteks). Nii CMS kui ka ATLAS teatavad ka mõningatest sündmustest, mida saab seletada H → 2ℓ2ν lagunemisega, kus ν on neutriino. See ülejääk ei oma aga veel suurt statistilist olulisust.

Üldiselt on kõik, mis uue osakese kohta praegu teada on, kooskõlas selle tõlgendusega Higgsi bosonina, mida ennustab elementaarosakeste teooria kõige lihtsam versioon - standardmudel. Standardmudeli raames on võimalik arvutada nii Higgsi bosoni tekke tõenäosus prootoni-prootoni kokkupõrgetes Suure Hadroni põrkega kui ka selle lagunemise tõenäosusi ning seeläbi prognoosida oodatavate sündmuste arvu. Ennustusi kinnitavad hästi katsed, kuid loomulikult vea piirides. Eksperimentaalsed vead on endiselt suured ja mõõdetud väärtusi on endiselt väga vähe. Sellegipoolest on raske kahelda, et avastati just Higgsi boson või midagi sellele väga sarnast, eriti kui arvestada, et need lagunemised peaksid olema väga haruldased: 1000 Higgsi bosonist 2 laguneb kaheks footoniks ja 1 10 000-st. laguneb 4 ℓ .

Enam kui pooltel juhtudel peaks Higgsi boson lagunema b-kvark - b-antikvark paariks: H → bb̃. bb̃-paari sünd prootoni-prootoni (ja prooton-antiprootoni) kokkupõrgetes on väga sagedane nähtus ka ilma Higgsi bosonita ning sellest “mürast” pole siiani suudetud signaali eraldada (füüsikud ütlevad taustaks ) LHC katsetes. See saavutati osaliselt Tevatroni põrkur ja kuigi seal on statistiline olulisus märgatavalt väiksem, on need andmed kooskõlas ka standardmudeli ennustustega.

Kõigil elementaarosakestel on spin – sisemine nurkimment. Osakese spinn võib olla täisarv (kaasa arvatud null) või pooltäisarv Plancki konstandi ћ ühikutes. Täisarvulise spinniga osakesi nimetatakse bosoniteks ja pooltäisarvulise spinniga osakesi fermionideks. Elektroni spinn on 1/2, footoni spinn on 1. Uue osakese lagunemissaaduste analüüsist järeldub, et tema spinn on integraalne ehk tegemist on bosoniga. Osakese lagunemisel footonipaariks H → γγ nurkimpulsi säilimisest järeldub: iga footoni spinn on täisarv; Lõppseisundi (footonipaari) summaarne nurkimment jääb alati puutumatuks. See tähendab, et ka algseisund on terve.

Lisaks ei võrdu see ühtsusega: spinni 1 osake ei saa laguneda kaheks footoniks, mille spinn on 1. Alles jääb spin 0; 2 või enam. Kuigi uue osakese spinni pole veel mõõdetud, on äärmiselt ebatõenäoline, et tegemist on osakesega, mille spinn on 2 või suurem. On peaaegu kindel, et H spinn on null ja nagu näeme, peab Higgsi boson just selline olema.

Lõpetades uue osakese teadaolevate omaduste kirjelduse, oletame, et mikromaailma füüsika standardite järgi elab see päris kaua. Katseandmete põhjal annab selle eluea madalam hinnang ТH > 10 -24 s, mis ei ole vastuolus Standardmudeli ennustusega: ТH = 1,6·10 -22 s. Võrdluseks: t-kvargi eluiga on T t = 3·10 -25 s. Pange tähele, et uue osakese eluea otsene mõõtmine LHC-s on vaevalt võimalik.

Miks veel üks boson?

Kvantfüüsikas toimib iga elementaarosake teatud välja kvantina ja vastupidi: igal väljal on oma kvantosake; kuulsaim näide on elektromagnetväli ja selle kvant, footon. Seetõttu võib pealkirjas püstitatud küsimuse ümber sõnastada järgmiselt:

Miks on uut valdkonda vaja ja millised on selle eeldatavad omadused?

Lühike vastus on, et mikromaailma teooria sümmeetriad – olgu selleks standardmudel või mõni keerulisem teooria – keelavad elementaarosakestel massi omamise ning uus väli rikub need sümmeetriad ja tagab osakeste masside olemasolu. Standardmudelis - teooria kõige lihtsamas versioonis (aga ainult selles!) - ennustatakse üheselt kõik uue välja ja vastavalt ka uue bosoni omadused, välja arvatud selle mass, taaskord sümmeetriakaalutluste põhjal. . Nagu me ütlesime, on olemasolevad eksperimentaalsed andmed kooskõlas teooria kõige lihtsama versiooniga, kuid neid andmeid on endiselt üsna vähe ja ees on palju tööd, et täpselt välja selgitada, kuidas uus elementaarosakeste füüsika sektor täpselt töötab.

Mõelgem vähemalt üldjoontes sümmeetria rollile mikromaailma füüsikas.

Sümmeetriad, looduskaitseseadused ja keelud

Füüsikaliste teooriate, olgu selleks Newtoni mehaanika, erirelatiivsusteooria, kvantmehaanika või mikromaailma teooria, ühine omadus on see, et igal sümmeetrial on oma jäävusseadus. Näiteks sümmeetria aja nihke suhtes (see tähendab, et füüsikaseadused on igal ajahetkel samad) vastab energia jäävuse seadusele, sümmeetria ruumi nihke suhtes vastab seadusele. impulsi jäävuse ja selles toimuvate pöörlemiste sümmeetria (kõik suunad ruumis on võrdsed) - nurkimpulsi jäävuse seadus. Jäävusseadusi võib tõlgendada ka keeldudena: loetletud sümmeetriad keelavad suletud süsteemi energia, impulsi ja nurkimpulsi muutumise selle evolutsiooni käigus.

Ja vastupidi: igal looduskaitseseadusel on oma sümmeetria; See väide on kvantteoorias täiesti täpne. Tekib küsimus: milline sümmeetria vastab elektrilaengu jäävuse seadusele? On selge, et ruumi ja aja sümmeetriatel, mida just mainisime, pole sellega mingit pistmist. Sellegipoolest on lisaks ilmselgetele aegruumi sümmeetriatele ka mitteilmseid "sisemisi" sümmeetriaid. Üks neist viib elektrilaengu säilimiseni. Meie jaoks on oluline, et see sama sisemine sümmeetria (mida mõistetakse ainult laiendatud tähenduses - füüsikud kasutavad terminit "gabariidi invariantsus") selgitab, miks footonil massi pole. Footoni massi puudumine on omakorda tihedalt seotud sellega, et valgusel on ainult kahte tüüpi polarisatsioon - vasak ja parem.

Et selgitada seost ainult kahte tüüpi valguse polarisatsiooni olemasolu ja footonis oleva massi puudumise vahel, kaldugem korraks kõrvale sümmeetriatest rääkimisest ja tuletagem taas meelde, et elementaarosakesi iseloomustavad spin, pool- või täisarv. Plancki konstandi ühikutes ћ. Elementaarsed fermionid (pooltäisarvulised spin-osakesed) omavad spin 1/2. Need on elektron e, elektronneutriino ν e, elektroni rasked analoogid - muuon μ ja tau lepton τ, nende neutriinod ν μ ja ν τ, kuut tüüpi u, d, c, s, t, b kvargid ja antiosakesed, mis vastavad kõik need (positron e +, elektron antineutriino ν̃ e, antikvark ũ jne). U- ja d-kvargid on kerged ning moodustavad prootoni (kvargi koostis uud) ja neutroni (udd). Ülejäänud kvargid (c, t, s, b) on raskemad; need on osa lühiealistest osakestest, näiteks K-mesonitest.

Bosonid, terve spinni osakesed, hõlmavad mitte ainult footonit, vaid ka selle kaugeid analooge - gluoone (spin 1). Gluoonid vastutavad kvarkide vastastikmõju eest ja seovad need prootoniteks, neutroniteks ja muudeks koostisosadeks. Lisaks on veel kolm spin-1 osakest - elektriliselt laetud W +, W - bosonid ja neutraalne Z-boson, millest tuleb juttu allpool. Noh, nagu juba mainitud, peab Higgsi bosonil olema null spin. Nüüd oleme loetlenud kõik standardmudelis leitud elementaarosakesed.

Massiivsel spinni s osakesel (ühikutes ћ) on 2s + 1 olekut, millel on erinevad spin-projektsioonid antud teljele (spinn on sisemine nurkimpulss - vektor, seega on selle projektsiooni kontseptsioonil antud teljele tavaline tähendus) . Näiteks elektroni spinn (s = 1/2) tema puhkeraamis võib olla suunatud näiteks üles (s 3 = +1/2) või alla (s 3 = -1/2). Z-bosoni mass on nullist erinev ja spinn s = 1, seega on sellel kolm erineva spinni projektsiooniga olekut: s 3 = +1, 0 või -1. Täiesti erinev on olukord massitute osakestega. Kuna nad lendavad valguse kiirusel, on võimatu liikuda võrdlussüsteemi, kus selline osake on puhkeolekus. Sellegipoolest võime rääkida selle helilisusest - spinni projektsioonist liikumissuunale. Niisiis, kuigi footoni spin on võrdne ühtsusega, on selliseid projektsioone ainult kaks - liikumise suunas ja selle vastu. Need on valguse parem- ja vasakpoolne polarisatsioon (footonid). Kolmas null-spinniprojektsiooniga olek, mis peaks eksisteerima, kui footonil oleks mass, keelab elektrodünaamika sügav sisesümmeetria, just see sümmeetria, mis viib elektrilaengu säilimiseni. Seega see sisemine sümmeetria keelab footonis massi olemasolu!

Kas midagi on valesti

Meid huvitavad aga mitte footonid, vaid W ± - ja Z-bosonid. Nendel osakestel, mis avastati 1983. aastal CERNi Spp̃S prooton-antiprootoni põrkurist ja mida teoreetikud ennustasid ammu, on üsna suur mass: W ± bosoni mass on 80 GeV (umbes 80 korda raskem kui prooton) ja Z-bosoni mass on 91 GeV. W ± - ja Z-bosonite omadused on hästi teada peamiselt tänu katsetele elektron-positron põrkur LEP (CERN) ja SLC (SLAC, USA) ning prooton-antiprooton põrkur Tevatron (Fermilab, USA): mitmete W ± - ja Z-bosonitega seotud suuruste mõõtmised, paremad kui 0,1%. Nende omadusi ja ka teisi osakesi kirjeldab standardmudel suurepäraselt. See kehtib ka W ± - ja Z-bosonite interaktsioonide kohta elektronide, neutriinode, kvarkide ja muude osakestega. Muide, selliseid koostoimeid nimetatakse nõrkadeks. Neid on üksikasjalikult uuritud; Üks ammutuntud näidetest nende avaldumisest on müüoni, neutroni ja tuumade beeta-lagunemine.

Nagu juba mainitud, võivad kõik W ± - ja Z-bosonid olla kolmes pöörlemisolekus, mitte aga kahes, nagu footon. Kuid nad interakteeruvad fermionidega (neutriinod, kvargid, elektronid jne) põhimõtteliselt samamoodi nagu footonid. Näiteks interakteerub footon elektroni elektrilaengu ja liikuva elektroni tekitatava elektrivooluga. Samamoodi suhtleb Z-boson teatud elektroni laengu ja vooluga, mis tekib elektroni liikumisel, ainult see laeng ja vool on oma olemuselt mitteelektrilised. Kuni ühe olulise tunnuseni, millest peagi juttu tuleb, saab analoogia täielikuks, kui lisaks elektrilaengule määratakse elektronile ka Z-laeng. Nii kvarkidel kui ka neutriinodel on oma Z-laengud.

Analoogia elektrodünaamikaga ulatub veelgi kaugemale. Nagu footoniteoorial, on ka W ± ja Z bosonite teoorial sügav sisemine sümmeetria, mis on lähedane elektrilaengu jäävuse seaduseni. Täielikult analoogselt footoniga keelab see W ± - ja Z-bosonitel kolmanda polarisatsiooni ja seega ka massi. Siit tekibki ebakõla: spin-1 osakese massi sümmeetria keeld toimib footoni puhul, aga ei tööta W ± - ja Z-bosonite puhul!

Edasi veel. Elektronide, neutriinode, kvarkide ja muude W ± - ja Z-bosonitega osakeste nõrk vastastikmõju toimub nii, nagu neil fermioonidel polekski massi! Polarisatsioonide arvul pole sellega midagi pistmist: nii massiivsetel kui ka massitutel fermionidel on kaks polarisatsiooni (spinni suunda). Asi on selles, kuidas täpselt fermionid W ± ja Z bosonitega suhtlevad.

Probleemi olemuse selgitamiseks lülitame esmalt välja elektroni massi (teoreetiliselt on see lubatud) ja vaatleme kujuteldavat maailma, milles elektroni mass on null. Sellises maailmas lendab elektron valguse kiirusel ja selle pöörlemine võib olla suunatud kas liikumise suunas või vastu. Mis puudutab footoni, siis esimesel juhul on mõttekas rääkida parempoolse polarisatsiooniga elektronist või lühidalt paremakäelisest elektronist, teisel juhul vasakukäelisest.

Kuna me teame hästi, kuidas elektromagnetilised ja nõrgad vastasmõjud toimivad (ja neis osaleb ainult elektron), siis oleme üsna võimelised kirjeldama elektroni omadusi oma kujuteldavas maailmas. Ja nad on sellised.

Esiteks on siin maailmas parem- ja vasakpoolne elektron kaks täiesti erinevat osakest: parem elektron ei muutu kunagi vasakpoolseks ja vastupidi. See on keelatud impulsimomendi (antud juhul spinni) jäävuse seadusega ning elektroni interaktsioonid footoni ja Z-bosoniga ei muuda selle polarisatsiooni. Teiseks kogeb ainult vasak elektron elektroni interaktsiooni W-bosoniga ja parem elektron ei osale selles üldse. Kolmas oluline omadus, mida me sellel pildil varem mainisime, on see, et vasaku ja parema elektroni Z-laengud on erinevad ning vasak elektron interakteerub Z-bosoniga tugevamini kui parem. Müüonil, tau leptonil ja kvarkidel on sarnased omadused.

Rõhutame, et massita fermionidega kujuteldavas maailmas ei ole probleemi selles, et vasak ja parem elektron interakteeruvad W- ja Z-bosonitega erinevalt ning eelkõige see, et "vasak" ja "parem" Z-laeng on erinevad. . Selles maailmas on vasak ja parem elektron erinevad osakesed ja sellega asi ka lõppeb: meid ei üllata näiteks see, et elektronil ja neutriinol on erinevad elektrilaengud: -1 ja 0.

Kaasades elektroni massi, jõuame kohe vastuoluni. Kiire elektron, mille kiirus on lähedane valguse kiirusele ja mille spinn on suunatud vastu liikumissuunda, näeb välja peaaegu samasugune kui vasak elektron meie kujuteldavast maailmast. Ja see peaks suhtlema peaaegu samal viisil. Kui selle interaktsioon on seotud Z-laenguga, siis on selle Z-laengu väärtus “vasakpoolne”, sama, mis kujuteldavast maailmast pärit vasakukäelise elektroni oma. Massiivse elektroni kiirus on aga ikkagi väiksem kui valguse kiirus ja alati saab lülituda veelgi kiiremini liikuvale referentssüsteemile. Uues süsteemis muutub elektronide liikumise suund vastupidiseks, kuid spinni suund jääb samaks.

Spinni projektsioon liikumissuunale on nüüd positiivne ja selline elektron näeb välja nagu parem-, mitte vasakukäeline. Sellest lähtuvalt peaks selle Z-laeng olema sama, mis kujuteldavast maailmast pärit paremakäelise elektroni oma. Kuid see ei saa olla: tasu väärtus ei tohiks sõltuda võrdlussüsteemist. Siin on vastuolu. Rõhutagem, et jõudsime selleni eeldusel, et Z-laeng on säilinud; Selle olulisusest antud osakese jaoks ei saa teisiti rääkida.

See vastuolu näitab, et standardmudeli sümmeetriad (määratluse huvides räägime sellest, kuigi kõik öeldu kehtib teooria mis tahes muu versiooni kohta) peaksid keelama masside olemasolu mitte ainult W ± - ja Z-bosonites, vaid ka fermioonides. Aga mis on sümmeetrial sellega pistmist?

Hoolimata asjaolust, et need peaksid viima Z-laengu säilimiseni. Mõõtes elektroni Z-laengu, saaksime kindlalt öelda, kas elektron on vasaku- või paremakäeline. Ja see on võimalik ainult siis, kui elektroni mass on null.

Seega maailmas, kus kõik standardmudeli sümmeetriad realiseeruksid samamoodi nagu elektrodünaamikas, oleks kõigi elementaarosakeste mass null. Kuid tegelikus maailmas on neil massid, mis tähendab, et standardmudeli sümmeetriatega peab midagi juhtuma.

Sümmeetria rikkumine

Rääkides sümmeetria seostest looduskaitseseaduste ja -keeldudega, kaotasime silmist ühe asjaolu. See seisneb selles, et säilitusseadused ja sümmeetriakeelud on täidetud ainult siis, kui sümmeetria on selgelt olemas. Samas võib ka sümmeetriaid murda. Näiteks toatemperatuuril olevas homogeenses rauaproovis võib olla mingis suunas suunatud magnetväli; prooviks on siis magnet. Kui selle sees elaksid mikroskoopilised olendid, avastaksid nad, et kõik ruumi suunad pole võrdsed. Üle magnetvälja lendavat elektroni mõjutab magnetväljast tulenev Lorentzi jõud, kuid mööda seda lendavat elektroni jõud ei mõjuta. Elektron liigub mööda magnetvälja sirgjooneliselt, üle välja ringjooneliselt ja üldiselt spiraalselt. Seetõttu rikub proovi sees olev magnetväli sümmeetriat ruumis pöörlemise suhtes. Sellega seoses ei ole magneti sees nurkimpulsi jäävuse seadus täidetud: kui elektron liigub spiraalis, muutub nurkimpulsi projektsioon magnetväljaga risti olevale teljele ajas.

Siin on tegemist spontaanse sümmeetria katkemisega. Väliste mõjude puudumisel (näiteks Maa magnetväli) saab erinevates rauaproovides magnetvälja suunata erinevatesse suundadesse ning ükski neist suundadest ei ole teisele eelistatav. Esialgne sümmeetria pöörlemise suhtes on endiselt olemas ja see väljendub selles, et proovis saab magnetvälja suunata ükskõik kuhu. Kuid kui magnetväli tekkis, ilmnes ka eelistatud suund ja magneti sees olev sümmeetria katkes. Formaalsemal tasandil on rauaaatomite omavahelist ja magnetvälja vastasmõju reguleerivad võrrandid ruumis pöörlemise suhtes sümmeetrilised, kuid nende aatomite süsteemi – rauaproovi – olek on asümmeetriline. See on spontaanse sümmeetria purunemise nähtus. Pange tähele, et me räägime siin kõige soodsamast olekust, millel on kõige vähem energiat; Seda seisundit nimetatakse baasseisundiks. See on koht, kuhu rauaproov lõpuks jõuab, isegi kui see oli algselt magnetiseerimata.

Niisiis, mingi sümmeetria spontaanne katkemine toimub siis, kui teooria võrrandid on sümmeetrilised, kuid põhiseisund mitte. Sõna "spontaanne" kasutatakse sel juhul seetõttu, et süsteem ise valib ilma meie osaluseta asümmeetrilise oleku, kuna just see seisund on energeetiliselt kõige soodsam. Ülaltoodud näitest on selge, et kui sümmeetria on spontaanselt katkenud, siis sellest tulenevad looduskaitseseadused ja keelud ei tööta; meie näites viitab see nurkimpulsi säilimisele. Rõhutagem, et teooria täielikku sümmeetriat saab murda ainult osaliselt: meie näites jääb täielikust sümmeetriast kõigi ruumis toimuvate pöörlemiste suhtes sümmeetria magnetvälja suuna ümber pöörlemise suhtes selgeks ja katkematuks.

Magnetis elavad mikroskoopilised olendid võivad esitada endale küsimuse: "Meie maailmas ei ole kõik suunad võrdsed, nurkimment ei säili, kuid kas ruum on pöörete suhtes tõesti asümmeetriline?" Olles uurinud elektronide liikumist ja ehitanud vastava teooria (antud juhul elektrodünaamika), saavad nad aru, et vastus sellele küsimusele on eitav: selle võrrandid on sümmeetrilised, kuid see sümmeetria katkeb spontaanselt magnetvälja "levimise" tõttu. kõikjal. Teooriat edasi arendades ennustasid nad, et väljal, mis vastutab sümmeetria spontaanse katkemise eest, peaks olema oma kvantid, footonid. Ja olles ehitanud magneti sisse väikese kiirendi, näeksime hea meelega, et need kvantid on tõesti olemas – need sünnivad elektronide kokkupõrgetes!

Üldiselt on osakeste füüsika olukord sarnane kirjeldatuga. Kuid on ka olulisi erinevusi. Esiteks pole vaja rääkida ühestki keskkonnast nagu rauaaatomite kristallvõre. Looduses on madalaima energiaga olek vaakum (definitsiooni järgi!). See ei tähenda, et vaakumis – looduse põhiseisundis – ei saaks olla ühtlaselt “hajutatud” välju, mis on sarnased meie näite magnetväljaga. Vastupidi, ebakõlad, millest me rääkisime, viitavad sellele, et standardmudeli sümmeetriad (täpsemalt osa neist) peaksid spontaanselt katkema ja see eeldab, et vaakumis on mingi väli, mis selle rikkumise tagab. Teiseks, me ei räägi aegruumi sümmeetriatest, nagu meie näites, vaid sisesümmeetriatest. Ruumi-aja sümmeetriat, vastupidi, ei tohiks rikkuda vaakumis oleva välja tõttu. Sellest järeldub oluline järeldus: erinevalt magnetväljast ei tohiks see väli esile tuua ühtegi suunda ruumis (täpsemalt aegruumis, kuna tegemist on relativistliku füüsikaga). Selle omadusega välju nimetatakse skalaariks; need vastavad osakestele spin 0. Seetõttu peab vaakumis “laialivalguv” ja sümmeetria purunemiseni viiv väli olema seni tundmatu ja uus. Tõepoolest, teadaolevad väljad, mida me eespool otseselt või kaudselt mainisime - elektromagnetväli, W ± - ja Z-bosonite väljad, gluoonid - vastavad spin 1 osakestele. Sellised väljad tõstavad esile suundi aegruumis ja neid nimetatakse vektoriks, ja me vajame välja skalaari. Samuti ei sobi fermionidele vastavad väljad (spin 1/2). Kolmandaks, uus väli ei tohiks täielikult rikkuda standardmudeli sümmeetriat, elektrodünaamika sisemine sümmeetria peaks jääma katkematuks. Lõpuks, ja see on kõige olulisem, uue vaakumis "hajutatud" välja interaktsioon W ± - ja Z-bosonite, elektronide ja muude fermionidega peaks viima nendes osakestes masside ilmnemiseni.

Spontaanse sümmeetria purunemise tõttu spin-1 osakeste masside tekke mehhanismi (looduses on need W ± - ja Z-bosonid) pakkusid elementaarosakeste füüsika kontekstis välja Brüsseli teoreetikud Francois Englert ja Robert Brout 1964. aastal ja veidi hiljem Edinburghi füüsik Peter Higgs .

Teadlased toetusid spontaanse sümmeetria katkemise ideele (kuid teooriates ilma vektorväljadeta, see tähendab ilma spin 1 osakesteta), mida tutvustas aastatel 1960-1961 J. Nambu töödes, kes koos J. Jonaga -Lasinio, V. G. Vaks ja A. I. Larkin, J. Goldstone (Yoichiro Nambu sai selle töö eest 2008. aastal Nobeli preemia). Erinevalt eelmistest autoritest pidasid Engler, Brout ja Higgs teooriat (tol ajal spekulatiivseks), mis hõlmas nii skalaari (spin 0) kui ka vektorvälja (spin 1). Sellel teoorial on sisemine sümmeetria, mis on üsna sarnane elektrodünaamika sümmeetriaga, mis viib elektrilaengu säilimiseni ja footonite massi keelamiseni. Kuid erinevalt elektrodünaamikast rikub sisemist sümmeetriat spontaanselt vaakumis esinev ühtlane skalaarväli. Engleri, Brouti ja Higgsi tähelepanuväärne tulemus oli tõestus, et see sümmeetria rikkumine toob automaatselt kaasa massi ilmumise spin 1 osakeses - vektorvälja kvantis!

Engler-Brout-Higgsi mehhanismi üsna sirgjooneline üldistus, mis on seotud fermioonide teooriasse kaasamisega ja nende vastasmõjuga sümmeetriat purustava skalaarväljaga, viib fermioonides massi ilmumiseni. Kõik hakkab paika loksuma! Standardmudel saadakse täiendava üldistusena. See sisaldab nüüd mitte ühte, vaid mitut vektorvälja - footoneid, W ± - ja Z-bosoneid (gluoonid on omaette lugu, neil pole Engler-Brout-Higgsi mehhanismiga midagi pistmist) ja erinevat tüüpi fermione. Viimane samm on tegelikult üsna mittetriviaalne; Steven Weinberg, Sheldon Glashow ja Abdus Salam said 1979. aastal Nobeli preemia nõrga ja elektromagnetilise vastastikmõju tervikliku teooria sõnastamise eest.

Tuleme tagasi aastasse 1964. Engler ja Brout kasutasid oma teooria analüüsimiseks lähenemisviisi, mis on tänapäevaste standardite kohaselt üsna läbimõeldud. Tõenäoliselt seetõttu ei märganud nad, et koos massiivse spin-1 osakesega ennustab teooria teise osakese olemasolu - bosoni spinniga 0. Kuid Higgs märkas ja nüüd nimetatakse seda uut spinnita osakest sageli Higgsi bosoniks. . Nagu juba märgitud, ei ole see terminoloogia täiesti õige: Engler ja Brout tegid esmakordselt ettepaneku kasutada skalaarvälja spontaanse sümmeetria purustamiseks ja spin-1 osakeste masside genereerimiseks. Ilma pikemasse terminoloogiasse laskumata rõhutame, et uus nullspinniga boson toimib sümmeetriat rikkuva skalaarse välja kvantina. Ja see on selle ainulaadsus.

Siin tuleb teha täpsustus. Kordame, et kui spontaanset sümmeetria purunemist ei toimuks, oleksid W ± ja Z bosonid massita. Kõigil kolmel bosonil W + , W - , Z oleks nagu footonil kaks polarisatsiooni. Kokkuvõttes, kui pidada erineva polarisatsiooniga osakesi ebavõrdseks, oleks meil 2 × 3 = 6 tüüpi W ± - ja Z-bosoneid. Standardmudelis on W ± ja Z bosonid massiivsed, igaühel neist on kolm spinni olekut, see tähendab kolm polarisatsiooni, kokku 3 × 3 = 9 tüüpi osakesi – väljade W ±, Z kvantid. Tekib küsimus, kust tulid kolm “lisa” tüüpi? Fakt on see, et standardmudelil peab olema mitte üks, vaid neli Engler-Brout-Higgs skalaarvälja. Neist ühe kvant on Higgsi boson. Ja ülejäänud kolme kvantid muutuvad spontaanse sümmeetria purunemise tulemusena kolmeks "ekstra" kvantiks, mis esinevad massiivsetes W ± - ja Z-bosonites. Need leiti kaua aega tagasi, kuna on teada, et W ± - ja Z-bosonitel on mass: W + -, W - ja Z-bosonite kolm “ekstra” spinni olekut on sellised, nagu nad on.

See aritmeetika, muide, on kooskõlas tõsiasjaga, et kõik neli Engler-Brout-Higggsi välja on skalaarsed, nende kvantidel on null spin. Massita W ± - ja Z-bosonite pöörlemisprojektsioonid liikumissuunas oleksid võrdsed -1 ja +1. Massiivsete W ± - ja Z-bosonite puhul võtavad need projektsioonid väärtused -1, 0 ja +1, see tähendab, et "ekstra" kvantidel on nullprojektsioon. Kolmel Engler-Brout-Higggsi väljal, millest need "lisa" kvantid saadakse, on ka null-spinni projektsioon liikumissuunale lihtsalt seetõttu, et nende spinnvektor on null. Kõik sobib kokku.

Niisiis on Higgsi boson standardmudeli ühe neljast Engleri-Brouti-Higgsi skalaarväljast kvant. Ülejäänud kolm söövad (teaduslik termin!) W ± - ja Z-bosonid, muutudes oma kolmandaks, puuduvaks spin-olekuks.

Kas uus boson on tõesti vajalik?

Kõige hämmastavam selles loos on see, et täna mõistame: Engler-Brout-Higgs mehhanism pole sugugi ainus võimalik mehhanism mikromaailma füüsikas sümmeetria murdmiseks ja elementaarosakeste masside genereerimiseks ning Higgsi boson ei pruugi seda teha. olemas. Näiteks kondenseerunud aine (vedelikud, tahked ained) füüsikas on palju näiteid spontaanse sümmeetria purunemisest ja selle purunemise mehhanismidest. Ja enamasti pole neis midagi Higgsi bosoni sarnast.

Standardmudeli spontaanse sümmeetria purunemise lähim tahkis analoog vaakumis on elektrodünaamika sisemise sümmeetria spontaanne katkemine ülijuhi paksuses. See viib selleni, et ülijuhis on footonil teatud mõttes mass (nagu W ± - ja Z-bosonid vaakumis). See väljendub Meissneri efektis – ülijuhist magnetvälja väljutamises. Footon “ei taha” tungida ülijuhi sisse, kus ta muutub massiivseks: seal on tal “raske”, seal on energeetiliselt ebasoodne (meenuta: E = mс 2). Magnetväljal, mida võib mõnevõrra tinglikult pidada footonite kogumiks, on sama omadus: see ei tungi ülijuhist läbi. See on Meissneri efekt.

Efektiivne Ginzburg-Landau ülijuhtivuse teooria on äärmiselt sarnane Engler-Brout-Higgsi teooriaga (täpsemalt vastupidi: Ginzburg-Landau teooria on 14 aastat vanem). See sisaldab ka skalaarvälja, mis on ühtlaselt "levitatud" kogu ülijuhis ja põhjustab spontaanse sümmeetria purunemise. Ent asjata ei nimetata Ginzburg-Landau teooriat efektiivseks: see tabab küll piltlikult öeldes nähtuse välist külge, kuid on täiesti ebaadekvaatne ülijuhtivuse tekkimise fundamentaalsete, mikroskoopiliste põhjuste mõistmiseks. Tegelikult ülijuhis skalaarvälja ei ole, see sisaldab elektrone ja kristallvõre ning ülijuhtivus tuleneb elektronsüsteemi põhioleku eriomadustest, mis tulenevad nendevahelisest vastastikmõjust (vt "Teadus ja elu" ” nr 2, 2004, artikkel “ “. – Toim).

Kas sarnane pilt võiks toimuda ka mikrokosmoses? Kas selgub, et vaakumis ei ole “hajutatud” fundamentaalset skalaarvälja ja spontaanne sümmeetria purunemine on põhjustatud hoopis teistest põhjustest? Kui arutleme puhtalt teoreetiliselt ega pööra tähelepanu eksperimentaalsetele faktidele, siis on vastus sellele küsimusele jaatav. Hea näide on nn technicolor mudel, mille pakkusid 1979. aastal välja juba mainitud Steven Weinberg ja – iseseisvalt – Leonard Susskind.

See ei sisalda ei fundamentaalseid skalaarvälju ega Higgsi bosonit, kuid selle asemel on palju uusi elementaarosakesi, mis oma omadustelt meenutavad kvarke. Nende vaheline interaktsioon viib spontaanse sümmeetria katkemiseni ja W ± - ja Z-bosonite masside tekkeni. Tuntud fermioonide, näiteks elektronide massidega on olukord hullem, kuid seda probleemi saab lahendada ka teooria keerulisemaks muutmisega.

Tähelepanelik lugeja võib esitada küsimuse: "Kuidas on lood eelmise peatüki argumentidega, mis ütlevad, et just skalaarväli peaks sümmeetriat rikkuma?" Siin on lünk selles, et see skalaarväli võib olla komposiitne selles mõttes, et vastavad kvantosakesed ei ole elementaarosakesed, vaid koosnevad teistest, “tõeliselt” elementaarosakestest.

Meenutagem sellega seoses kvantmehhaanilist Heisenbergi määramatuse seost Δх ×Δр ≥ ћ, kus Δх ja Δр on vastavalt koordinaadi ja impulsi määramatused. Üks selle ilminguid on see, et iseloomuliku sisesuurusega Δx komposiitobjektide struktuur ilmneb ainult protsessides, mis hõlmavad osakesi, mille moment on piisavalt suur р ≥ћ/Δх ja seetõttu piisavalt kõrge energiaga. Siinkohal on paslik meenutada Rutherfordi, kes pommitas toona aatomeid suure energiaga elektronidega ja sai nii teada, et aatomid koosnevad tuumadest ja elektronidest. Vaadates aatomeid läbi mikroskoobi, on isegi kõige arenenuma optikaga (st kasutades valgust - madala energiaga footoneid) võimatu avastada, et aatomid on liitosakesed, mitte elementaarsed punktosakesed: eraldusvõime pole piisav.

Seega näeb liitosake madala energia korral välja nagu elementaarosake. Selliste osakeste tõhusaks kirjeldamiseks madala energiaga võib neid pidada mõne välja kvantideks. Kui liitosakese spin on null, siis see väli on skalaarne.

Sarnane olukord realiseerub näiteks π-mesonite, osakeste spinniga 0 füüsikas. Kuni 1960. aastate keskpaigani ei teatud, et need koosnevad kvarkidest ja antikvarkidest (kvarkide koostis π + -, π - - ja π 0 -mesonid - need on vastavalt ud̃, dũ ning uũ ja dd̃ kombinatsioon).

Seejärel kirjeldati π-mesoneid elementaarsete skalaarväljadega. Nüüd teame, et need osakesed on komposiitmaterjalid, kuid π-mesonite "vana" väljateooria jääb kehtima, kuna arvestatakse madala energiaga protsesse. Ainult 1 GeV suurusjärgus ja kõrgematel energiatel hakkab ilmnema nende kvarkide struktuur ja teooria lakkab töötamast. 1 GeV energiaskaala ei ilmnenud siin juhuslikult: see on tugevate interaktsioonide skaala, mis seovad kvarke π-mesoniteks, prootoniteks, neutroniteks jne, see on tugevalt interakteeruvate osakeste masside skaala, näiteks prooton. Pange tähele, et π-mesonid ise eristuvad: põhjusel, millest me siin ei räägi, on nende mass palju väiksem: m π± = 140 MeV, m π0 = 135 MeV.

Seega võivad spontaanse sümmeetria katkemise eest vastutavad skalaarväljad olla põhimõtteliselt liited. Just sellist olukorda soovitab technicolori mudel. Sel juhul on kolmel spinnita kvantil, mida söövad W ± - ja Z-bosonid ja millest saavad nende puuduvad spinni olekud, lähedane analoogia π + -, π - - ja π 0 -mesonitega. Ainult vastav energiaskaala pole enam 1 GeV, vaid mitu TeV. Sellises pildis eeldatakse paljude uute koostisosakeste olemasolu - prootoni, neutroni jne analooge. — massidega, mis on suurusjärgus mitu TeV. Vastupidi, suhteliselt kerge Higgsi boson selles puudub. Mudeli eripäraks on ka see, et selles sisalduvad W ± ja Z bosonid on osaliselt liitosakesed, kuna, nagu öeldud, on osa nende komponentidest sarnased π mesonitega. See peaks väljenduma W ± ja Z bosonite vastastikmõjus.

Just viimane asjaolu viis technicolori mudeli (vähemalt selle algses sõnastuses) tagasilükkamiseni ammu enne uue bosoni avastamist: W ± ja Z bosonite omaduste täpsed mõõtmised LEP-is ja SLC-s ei nõustu mudeli ennustused.

Selle kauni teooria purustasid kangekaelsed eksperimentaalsed faktid ja Higgsi bosoni avastamine tegi sellele lõpu. Sellegipoolest on minu jaoks, nagu ka paljude teiste teoreetikute jaoks, idee liitskalaarväljadest atraktiivsem kui Engler-Brout-Higgsi teooria elementaarsete skalaarväljadega. Muidugi sattus komposiitsuse idee pärast uue bosoni avastamist CERNis end varasemast veelgi raskemas olukorras: kui see osake on komposiit, peaks see üsna edukalt jäljendama elementaarset Higgsi bosonit. Ja veel, ootame ja vaatame, millised katsed LHC-s näitavad ennekõike uue bosoni omaduste täpsemaid mõõtmisi.

Avastus on tehtud. Mis järgmiseks?

Pöördugem tööhüpoteesina tagasi teooria minimaalse versiooni – ühe elementaarse Higgsi bosoniga standardmudeli juurde. Kuna selles teoorias annab kõikidele elementaarosakestele massid Engler-Brout-Higgsi väli (täpsemalt väljad), on nende osakeste vastastikmõju Higgsi bosoniga rangelt fikseeritud. Mida suurem on osakese mass, seda tugevam on vastastikmõju; Mida tugevam on interaktsioon, seda tõenäolisem on, et Higgsi boson laguneb teatud tüüpi osakeste paariks. Higgsi bosoni lagunemine reaalsete osakeste paarideks tt̃ , ZZ ja W+W- on energia jäävuse seadusega keelatud. See nõuab, et lagunemissaaduste masside summa oleks väiksem kui laguneva osakese mass (jällegi pidage meeles, et E = mc 2) ja meie jaoks, meenutage, m n ≈ 125 GeV, m t = 173 GeV, m z = 91 GeV ja m w = 80 GeV. Suuruselt järgmine mass on b-kvark, mille m b = 4 GeV, ja seepärast, nagu me ütlesime, laguneb Higgsi boson kõige kergemini bb̃ paariks. Huvitav on ka Higgsi bosoni lagunemine üsna rasketeks τ-leptoniteks H → τ + τ - (m τ = 1,8 GeV), mis toimub 6% tõenäosusega. Lagunemine H → μ + μ - (m µ = 106 MeV) peaks toimuma veelgi väiksema, kuid siiski mittekaduva tõenäosusega 0,02%. Lisaks eespool käsitletud lagunemistele H → γγ; H → 4ℓ ja H → 2ℓ2ν, märgime lagunemise H → Zγ, mille tõenäosus peaks olema 0,15%. Kõik need tõenäosused on LHC-s mõõdetavad ja nendest ennustustest kõrvalekaldumine tähendab, et meie tööhüpotees, standardmudel, on vale. Ja vastupidi, standardmudeli ennustustega nõustumine veenab meid üha enam selle kehtivuses.

Sama võib öelda ka Higgsi bosoni tekke kohta prootonite kokkupõrgetes. Higgsi bosonit saab toota üksi kahe gluoni koosmõjul koos paari suure energiaga valguskvargiga, koos ühe W või Z bosoniga või lõpuks koos tt̃ paariga. Higgsi bosoniga koos toodetud osakesi on võimalik tuvastada ja tuvastada, seega saab LHC-s erinevaid tootmismehhanisme eraldi uurida. Seega on võimalik saada teavet Higgsi bosoni interaktsiooni kohta W ± -, Z-bosonite ja t-kvargiga.

Lõpuks on Higgsi bosoni oluline omadus selle interaktsioon iseendaga. See peaks avalduma protsessis Н* → НН, kus Н* on virtuaalne osake. Selle interaktsiooni omadusi ennustab selgelt ka standardmudel. Selle uurimine on aga kauge tuleviku küsimus.

Seega on LHC-l ulatuslik programm uue bosoni vastasmõjude uurimiseks. Selle rakendamise tulemusena saab enam-vähem selgeks, kas standardmudel kirjeldab loodust või on tegemist mõne muu, keerulisema (ja võib-olla ka lihtsama) teooriaga. Edasine areng on seotud mõõtmistäpsuse olulise suurenemisega; selleks on vaja ehitada uus elektron-positroni kiirendi - e + e - põrkur, millel on seda tüüpi masinate jaoks rekordenergia. Väga hästi võib juhtuda, et sellel teel ootab meid ees palju üllatusi.

Järelduse asemel: "uue füüsika" otsingul

"Tehnilisest" vaatenurgast on standardmudel sisemiselt järjepidev. See tähendab, et selle raames on võimalik - vähemalt põhimõtteliselt ja reeglina praktikas - arvutada mis tahes füüsikaline suurus (muidugi, mis on seotud nähtustega, mida see on mõeldud kirjeldama) ja tulemus ei sisalda ebakindlust. Sellegipoolest peavad paljud, ehkki mitte kõik teoreetikud tavamudeli olukorda pehmelt öeldes mitte täiesti rahuldavaks. Ja selle põhjuseks on eelkõige selle energiaskaala.

Nagu eelnevast selgub, on Standardmudeli energiaskaala suurusjärgus M cm = 100 GeV (me ei räägi siin tugevatest interaktsioonidest skaalaga 1 GeV, sellega on kõik lihtsam). See on W ± ja Z ning Higgsi bosoni massiskaala. Kas seda on palju või vähe? Eksperimentaalsest vaatenurgast – päris palju, aga teoreetilisest vaatenurgast...

Füüsikas on veel üks energiaskaala. See on seotud gravitatsiooniga ja võrdub Plancki massiga M pl = 10 19 GeV. Madala energia korral on osakeste vahelised gravitatsioonilised vastasmõjud tühised, kuid need suurenevad energia suurenedes ning M pl suurusjärgus energiatel muutub gravitatsioon tugevaks. Energiad üle M pl on kvantgravitatsiooni piirkond, mis iganes see ka poleks. Meie jaoks on oluline, et gravitatsioon on ehk kõige fundamentaalsem interaktsioon ja gravitatsiooniskaala M pl on kõige fundamentaalsem energiaskaala. Miks on siis standardmudeli skaala Mcm = 100 GeV nii kaugel väärtusest Mpl = 1019 GeV?

Tuvastatud probleemil on veel üks, peenem aspekt. Seda seostatakse füüsikalise vaakumi omadustega. Kvantteoorias on vaakum – looduse põhiseisund – struktureeritud väga mittetriviaalselt. Selles luuakse ja hävitatakse pidevalt virtuaalseid osakesi; teisisõnu tekivad ja kaovad välja kõikumised. Me ei saa neid protsesse otseselt jälgida, kuid need mõjutavad elementaarosakeste, aatomite jne jälgitavaid omadusi. Näiteks aatomis oleva elektroni interaktsioon virtuaalsete elektronide ja footonitega viib aatomispektrites täheldatava nähtuseni – lambi nihkeni. Teine näide: elektroni või müüoni magnetmomendi korrigeerimine (anomaalne magnetmoment) on samuti tingitud interaktsioonist virtuaalsete osakestega. Need ja sarnased efektid on välja arvutatud ja mõõdetud (nendel juhtudel fantastilise täpsusega!), et saaksime olla kindlad, et meil on füüsilisest vaakumist õige pilt.

Sellel pildil saavad kõik algselt teoorias sisalduvad parameetrid virtuaalsete osakestega interaktsiooni tõttu parandusi, mida nimetatakse kiirguslikeks. Kvantelektrodünaamikas on need väikesed, ent Engler-Brout-Higgsi sektoris tohutud. See on selle sektori moodustavate elementaarsete skalaarväljade eripära; teistel väljadel see omadus puudub. Peamine mõju seisneb siin selles, et kiirguskorrektsioonid kipuvad standardmudeli M cm energiaskaalat gravitatsiooniskaala M pl suunas “tõmbama”. Kui jääda standardmudeli piiresse, siis ainsaks väljapääsuks on valida teooria algparameetrid nii, et need koos kiirguskorrektsioonidega viiksid õige väärtuseni M cm. Selgub aga, et sobivus peaks olema lähedane M cm 2 /M pl 2 = 10 -34 ! See on standardmudeli energiaskaala probleemi teine ​​aspekt: ​​tundub ebausutav, et selline sobivus looduses esineb.

Paljud (kuigi kordame, mitte kõik) teoreetikud usuvad, et see probleem viitab selgelt vajadusele minna standardmudelist kaugemale. Tõepoolest, kui standardmudel lakkab töötamast või laieneb märkimisväärselt "uue füüsika - NF" energiaskaalal M nf, on parameetrite sobitamise nõutav täpsus jämedalt öeldes M 2 cm / M 2 nf, kuid tegelikult on see on umbes kaks suurusjärku vähem. Kui eeldada, et looduses parameetrite peenhäälestust ei toimu, siis peaks “uue füüsika” skaala jääma 1-2 TeV vahemikku ehk täpselt Suure Hadronipõrgeti uurimiseks ligipääsetavasse piirkonda!

Milline võiks olla "uus füüsika"? Selles küsimuses pole teoreetikute seas ühtsust. Üks võimalus on skalaarväljade komposiitne olemus, mis tagavad juba käsitletud spontaanse sümmeetria katkemise. Teine, samuti populaarne (seni?) võimalus on supersümmeetria, mille kohta ütleme vaid seda, et see ennustab tervet loomaaeda uusi osakesi massidega sadade GeV - mitu TeV vahemikku. Arutletakse ka väga eksootiliste võimaluste üle, nagu ruumi lisadimensioonid (näiteks nn M-teooria - vt “Teadus ja elu” nr 2, 3, 1997, artikkel “Superstrings: on the way to theory to theory kõigest.” – toim.).

Kõigist jõupingutustest hoolimata pole „uue füüsika” eksperimentaalseid vihjeid veel saadud. See hakkab tegelikult juba tekitama muret: kas me saame kõigest õigesti aru? On aga täiesti võimalik, et energia ja kogutavate andmete hulga osas pole me veel “uue füüsikani” jõudnud ning sellega seostatakse uusi, revolutsioonilisi avastusi. Peamised lootused on siin taas pandud suurele hadronite põrkeseadmele, mis pooleteise aasta pärast hakkab tööle täisenergial 13-14 TeV ja kogub kiiresti andmeid. Jälgi uudiseid!

Täpsed mõõtmis- ja avastusmasinad

Osakeste füüsika, mis uurib looduses kõige pisemaid objekte, nõuab hiiglaslikke uurimisrajatisi, kus need osakesed kiirenevad, põrkuvad ja lagunevad. Kõige võimsamad neist on põrkajad.

Collider on põrkuvate osakeste kiirtega kiirendi, milles osakesed põrkuvad laupkokku, näiteks elektronid ja positronid e + e - põrkurites. Seni on loodud ka prooton-antiprooton, prooton-prooton, elektron-prooton ja tuum-tuum (ehk raske ioon) põrkeid. Muude võimaluste üle, näiteks μ + μ - - põrkur, arutatakse endiselt. Osakeste füüsika peamised põrkajad on prooton-antiprooton, prooton-prooton ja elektron-positron.

Suur hadronite põrkur (LHC)- prooton-prooton, see kiirendab kahte prootonite kiirt üksteise suunas (võib töötada ka raskete ioonide põrkurina). Prootonite projektenergia igas kiires on 7 TeV, seega on kokkupõrkeenergia kokku 14 TeV. 2011. aastal töötas põrkur poole selle energiaga ja 2012. aastal täisenergiaga 8 TeV. Large Hadron Collider on 27 km pikkune rõngas, milles prootoneid kiirendavad elektriväljad ja mis sisalduvad ülijuhtivate magnetite tekitatud väljades. Prootonite kokkupõrked toimuvad neljas kohas, kus asuvad detektorid, mis salvestavad kokkupõrgetes tekkinud osakesi. ATLAS ja CMS on mõeldud suure energiaga osakeste füüsika uurimiseks; LHC-b on mõeldud b-kvarke sisaldavate osakeste uurimiseks ja ALICE on mõeldud kuuma ja tiheda kvark-gluoonaine uurimiseks.

Spp̃S- prooton-antiprootoni põrkur CERNis. Rõnga pikkus on 6,9 km, maksimaalne kokkupõrkeenergia 630 GeV. Töötas 1981-1990.

LEP- rõngaselektron-positron põrkur maksimaalse kokkupõrkeenergiaga 209 GeV, mis asub LHC-ga samas tunnelis. Töötas 1989-2000.

SLC— lineaarne elektron-positron põrkur USA-s SLACis. Kokkupõrke energia 91 GeV (Z-bosoni mass). Töötas 1989-1998.

Tevatron on rõngasprootoni-antiprootoni põrkur USA-s Fermilabis. Ringi pikkus on 6 km, maksimaalne kokkupõrkeenergia 2 TeV. Töötas 1987-2011.

Võrreldes prooton-prooton ja prooton-antiprooton põrkajaid elektron-positroni põrkuritega, tuleb meeles pidada, et prooton on liitosake, see sisaldab kvarke ja gluoone. Kõik need kvargid ja gluoonid kannavad vaid murdosa prootoni energiast. Seetõttu on näiteks suures hadronite põrkeseadmes elementaarkokkupõrke energia (kahe kvargi vahel, kahe gluooni vahel või kvark gluooniga) märgatavalt madalam kui kokkupõrke prootonite koguenergia (14 TeV projekteerimisparameetrite juures) . Seetõttu ulatub sellel uurimiseks saadaolev energiavahemik sõltuvalt uuritavast protsessist “ainult” 2-4 TeV-ni. Elektron-positroni põrkuritel sellist omadust pole: elektron on elementaarne, struktuurita osake.

Prooton-prooton (ja prooton-antiprooton) põrkeseadmete eeliseks on see, et isegi seda omadust arvesse võttes on nendega tehniliselt lihtsam saavutada suuri kokkupõrkeenergiaid kui elektron-positron põrkeseadmetega. On ka miinus. Prootoni liitstruktuuri tõttu ning seetõttu, et kvargid ja gluoonid interakteeruvad üksteisega palju tugevamalt kui elektronid ja positronid, toimub prootonite kokkupõrgetes palju rohkem sündmusi, mis pole Higgsi bosoni või Higgsi bosoni otsimise seisukohalt huvitavad. muud uued osakesed ja nähtused. Huvitavad sündmused näevad prootonite kokkupõrgetes välja rohkem “määrdunud”, neis sünnib palju “võõraid”, ebahuvitavaid osakesi. Kõik see tekitab "müra", millest kasulikku signaali on raskem eraldada kui elektron-positron põrkur. Sellest lähtuvalt on mõõtmistäpsus väiksem. Kõige selle tõttu nimetatakse prooton-prootoni (ja prooton-antiprootoni) põrkeid avastusmasinateks ja elektron-positroni põrkeid täppismõõtmismasinateks.

Standardhälve(standardhälve) σ x - mõõdetud väärtuse juhuslike kõrvalekallete tunnus keskmisest väärtusest. Tõenäosus, et X mõõdetud väärtus erineb juhuslikult 5σ x võrra tegelikust väärtusest, on ainult 0,00006%. Seetõttu peetakse osakeste füüsikas signaali tõeseks tunnistamiseks piisavaks signaali kõrvalekallet taustast 5σ võrra.

Osakesed, mis on loetletud standardmudelis, välja arvatud prootonid, elektronid, neutriinod ja nende antiosakesed, on ebastabiilsed: nad lagunevad teisteks osakesteks. Kuid kaks kolmest neutriinotüübist peaksid samuti olema ebastabiilsed, kuid nende eluiga on äärmiselt pikk. Mikromaailma füüsikas kehtib põhimõte: kõik, mis võib juhtuda, tegelikult juhtub. Seetõttu on osakese stabiilsus seotud mingisuguse säilivusseadusega. Laengu jäävuse seadus keelab elektroni ja positroni lagunemise. Kergeim neutriino (spin 1/2) ei lagune nurkimpulsi säilimise tõttu. Prootoni lagunemine on keelatud teise “laengu” jäävuse seadusega, mida nimetatakse barüoniarvuks (prootoni barüoniarv on definitsiooni järgi 1 ja kergemate osakeste oma null).

Teine sisemine sümmeetria on seotud barüoni numbriga. Kas see on täpne või ligikaudne, kas prooton on stabiilne või piiratud, ehkki väga pika elueaga, on eraldi arutelu teema.

Kvargid- üks elementaarosakeste tüüpidest. Vabas olekus neid ei vaadelda, vaid need on alati üksteisega seotud ja moodustavad liitosakesi – hadroneid. Ainus erand on t-kvark; see laguneb enne, kui tal on aega ühineda teiste kvarkide või antikvarkidega hadroniks. Hadronite hulka kuuluvad prootonid, neutronid, π-mesonid, K-mesonid jne.

B-kvark on üks kuuest kvarkide tüübist, massilt teine ​​pärast t-kvarki.

Müon on elektroni raske ebastabiilne analoog massiga m μ = 106 MeV. Müoni eluiga T μ = 2·10 -6 sekundit on piisavalt pikk, et see lendaks lagunemata läbi kogu detektori.

Virtuaalne osake erineb reaalsest selle poolest, et reaalse osakese puhul on tavapärane relativistlik seos energia ja impulsi vahel E 2 = p 2 s 2 + m 2 s 4, kuid virtuaalse puhul mitte. See on võimalik tänu kvantmehaanilisele suhtele ΔE·Δt ~ ħ energia määramatuse ΔE ja protsessi kestuse Δt vahel. Seetõttu laguneb või hävib virtuaalne osake peaaegu koheselt koos teisega (selle eluiga Δt on väga lühike), samas kui tõeline osake elab märgatavalt kauem või on üldiselt stabiilne.

Lamba taseme nihe- vesinikuaatomi ja vesinikulaadsete aatomite tasemete peenstruktuuri väike hälve virtuaalsete footonite emissiooni ja neeldumise või elektron-positroni paaride virtuaalse loomise ja hävitamise mõjul. Selle efekti avastasid 1947. aastal Ameerika füüsikud W. Lamb ja R. Rutherford.