Mes, Quantuz (bandome prisijungti prie GT bendruomenės) siūlome Higso bozono skyriaus particleadventure.org vertimą. Šiame tekste neįtraukėme neinformatyvių nuotraukų (pilną versiją žr. originale). Medžiaga bus įdomi visiems, besidomintiems naujausiais taikomosios fizikos pasiekimais.

Higso bozono vaidmuo

Higso bozonas buvo paskutinė dalelė, aptikta standartiniame modelyje. Tai yra esminis teorijos komponentas. Jo atradimas padėjo patvirtinti mechanizmą, kaip pagrindinės dalelės įgyja masę. Šios pagrindinės dalelės standartiniame modelyje yra kvarkai, leptonai ir jėgą nešančios dalelės.

1964 metų teorija

1964 m. šeši teoriniai fizikai iškėlė hipotezę, kad egzistuoja naujas laukas (kaip elektromagnetinis laukas), kuris užpildo visą erdvę ir išsprendžia svarbią mūsų supratimo apie visatą problemą.

Nepriklausomai nuo to, kiti fizikai sukūrė pagrindinių dalelių teoriją, galiausiai pavadintą „Standartiniu modeliu“, kuri užtikrino fenomenalų tikslumą (kai kurių standartinio modelio dalių eksperimentinis tikslumas siekia 1 iš 10 mlrd. Tai prilygsta atstumo tarp Niujorke ir San Franciske maždaug 0,4 mm tikslumu). Paaiškėjo, kad šios pastangos buvo glaudžiai tarpusavyje susijusios. Standartiniam modeliui reikėjo mechanizmo, kad dalelės įgytų masę. Lauko teoriją sukūrė Peter Higgs, Robert Braut, François Engler, Gerald Guralnik, Karl Hagen ir Thomas Kibble.

Bozonas

Peteris Higgsas suprato, kad pagal analogiją su kitais kvantiniais laukais turi būti dalelė, susijusi su šiuo nauju lauku. Jo sukimasis turi būti lygus nuliui, taigi, jis turi būti bozonas – dalelė su sveiku skaičiumi (skirtingai nuo fermionų, kurių sukimasis yra pusiau sveikasis skaičius: 1/2, 3/2 ir kt.). Iš tiesų, netrukus jis tapo žinomas kaip Higso bozonas. Vienintelis jo trūkumas buvo tas, kad niekas jo nematė.

Kokia yra bozono masė?

Deja, teorija, numatanti bozoną, nenurodė jo masės. Praėjo metai, kol paaiškėjo, kad Higso bozonas turi būti itin sunkus ir greičiausiai nepasiekiamas objektams, pastatytiems prieš Didįjį hadronų greitintuvą (LHC).

Atminkite, kad pagal E = mc 2, kuo didesnė dalelės masė, tuo daugiau energijos reikia jai sukurti.

Tuo metu, kai 2010 m. LHC pradėjo rinkti duomenis, eksperimentai su kitais greitintuvais parodė, kad Higso bozono masė turi būti didesnė nei 115 GeV/s2. Eksperimentų LHC metu buvo planuojama ieškoti įrodymų, kad bozono masės diapazonas yra 115–600 GeV / s2 arba net didesnis nei 1000 GeV / s2.

Kiekvienais metais eksperimentiškai buvo įmanoma išskirti didelių masių bozonus. 1990 m. buvo žinoma, kad ieškoma masė turėtų būti didesnė nei 25 GeV / s2, o 2003 m. paaiškėjo, kad daugiau nei 115 GeV / s2

Susidūrimai prie didžiojo hadronų greitintuvo gali sukelti daug įdomių dalykų

Dennisas Overbye'as „The New York Times“ kalba apie trilijonosios sekundės dalies atkūrimą po Didžiojo sprogimo ir sako:

« ... [sprogimo] likučių šioje erdvės dalyje nematyti nuo tada, kai Visata atvėso prieš 14 milijardų metų – gyvybės pavasaris yra trumpalaikis, karts nuo karto visomis įmanomomis variacijomis, tarsi Visata dalyvautų savo filmo Groundhog Day versiją»

Higso bozonas gali būti vienas iš šių „likučių“. Jo masė turi būti labai didelė ir ji turi suskilti greičiau nei per nanosekundę.

Skelbimas

Po pusės amžiaus trukusio laukimo drama tapo intensyvi. Fizikai miegojo prie įėjimo į auditoriją, kad galėtų užimti savo vietas seminare CERN laboratorijoje Ženevoje.

Už dešimties tūkstančių mylių, kitoje planetos pusėje, į prestižinę tarptautinę dalelių fizikos konferenciją Melburne, šimtai mokslininkų iš visų pasaulio kampelių susirinko pasiklausyti seminaro, transliuojamo iš Ženevos.

Bet pirmiausia pažvelkime į foną.

Fejerverkai liepos 4 d

2012 m. liepos 4 d. ATLAS ir CMS eksperimentų vadovai Didžiajame hadronų greitintuve pristatė naujausius Higso bozono paieškos rezultatus. Buvo gandai, kad jie ketina pranešti ne tik apie rezultatus, bet ką?

Žinoma, kai buvo pateikti rezultatai, abu eksperimentus vykdantys bendradarbiai pranešė radę dalelės „kaip Higso bozono“, kurios masė yra apie 125 GeV, egzistavimo įrodymų. Tai tikrai buvo dalelė, o jei tai ne Higso bozonas, tai labai kokybiška jo imitacija.

Įrodymai nebuvo abejotini, mokslininkai turėjo penkis sigmos rezultatus, o tai reiškia, kad buvo mažiau nei viena tikimybė iš milijono, kad duomenys buvo tik statistinė klaida.

Higso bozonas skyla į kitas daleles

Higso bozonas beveik iš karto po jo pagaminimo skyla į kitas daleles, todėl galime stebėti tik jo skilimo produktus. Dažniausiai pasitaikantys skilimai (tarp tų, kuriuos matome) parodyti paveikslėlyje:

Kiekvienas Higso bozono skilimo variantas yra žinomas kaip „skilimo kanalas“ arba „skilimo režimas“. Nors bb režimas yra įprastas, daugelis kitų procesų gamina panašias daleles, todėl, jei stebite bb skilimą, labai sunku pasakyti, ar dalelės atsirado dėl Higso bozono, ar dėl ko kito. Mes sakome, kad bb skilimo režimas turi „platų foną“.

Geriausi skilimo kanalai ieškant Higso bozono yra dviejų fotonų ir du Z-bozono kanalai. *

* (Techniškai 125 GeV Higso bozono masės skilimas į du Z-bozonus neįmanomas, nes Z-bozono masė yra 91 GeV, todėl poros masė yra 182 GeV, didesnė nei 125 GeV. Tačiau tai, ką mes stebime, yra skilimas į Z-bozoną ir virtualų Z-bozoną (Z *), kurių masė yra daug mažesnė.)

Higso bozono skilimas į Z + Z

Z bozonai taip pat turi keletą skilimo režimų, įskaitant Z → e + + e- ir Z → µ + + µ-.

Z + Z skilimo režimas buvo gana paprastas ATLAS ir CMS eksperimentams, kai abu Z-bozonai suskyla vienu iš dviejų režimų (Z → e + e- arba Z → µ + µ-). Paveiksle yra keturi stebėti Higso bozono skilimo režimai:

Galutinis rezultatas yra toks, kad kartais stebėtojas matys (be kai kurių nesurištų dalelių) keturis miuonus arba keturis elektronus, arba du miuonus ir du elektronus.

Kaip atrodytų Higso bozonas ATLAS detektoriuje

Šiame įvykyje „reaktyvinis“ (reaktyvinis) pakilo leidžiantis žemyn, o Higso bozonas – aukštyn, tačiau beveik akimirksniu subyrėjo. Kiekvienas susidūrimo vaizdas vadinamas „įvykiu“.

Įvykio su galimu Higso bozono skilimu pavyzdys gražią animaciją apie dviejų protonų susidūrimą dideliame hadronų greitintuve galite peržiūrėti šaltinio svetainėje šioje nuorodoje.

Tokiu atveju Higso bozonas gali būti pagamintas, o po to iš karto suyra į du Z-bozonus, kurie savo ruožtu iš karto suyra (paliekant du miuonus ir du elektronus).

Mechanizmas, suteikiantis dalelėms masę

Higgso bozono atradimas yra neįtikėtinas užuomina į mechanizmą, kaip pagrindinės dalelės įgyja masę, kaip teigia Higgsas, Brautas, Engleris, Geraldas, Karlas ir Kibble. Kas yra šis mechanizmas? Tai labai sudėtinga matematinė teorija, tačiau jos pagrindinė mintis gali būti suprantama kaip paprasta analogija.

Įsivaizduokite erdvę, užpildytą Higso lauku, kaip ramiai bendraujančių fizikų vakarėlį su kokteiliais ...
Vienu metu įeina Peteris Higgsas, kuris kelia jaudulį judėdamas per kambarį ir kiekviename žingsnyje pritraukia būrį gerbėjų...

Prieš įeidamas į kambarį, profesorius Higgsas galėjo laisvai judėti. Tačiau įėjus į kambarį, pilną fizikų, jo greitis sumažėjo. Grupė gerbėjų sulėtino jo judėjimą po kambarį; kitaip tariant, jis įgijo masę. Tai yra analogiška bemasei dalelei, kuri įgyja masę sąveikaudama su Higso lauku.

Bet viskas, ko jis norėjo, buvo patekti į barą!

(Analogija kilusi iš prof. David J. Miller iš Londono universiteto koledžo, kuris laimėjo prizą už prieinamą Higso bozono paaiškinimą – © CERN)

Kaip Higso bozonas gauna savo masę?

Kita vertus, kol naujienos sklinda po kambarį, jie taip pat formuoja žmonių grupes, tačiau šį kartą išimtinai iš fizikų. Tokia grupė gali lėtai judėti po kambarį. Kaip ir kitos dalelės, Higso bozonas įgyja masę tiesiog sąveikaudamas su Higso lauku.

Higso bozono masės radimas

Kaip rasti Higso bozono masę, jei ji suyra į kitas daleles, kol mes ją aptiksime?

Jei nusprendėte surinkti dviratį ir norite sužinoti jo masę, reikėtų pridėti dviračio dalių mases: dviejų ratų, rėmo, vairo, balno ir kt.

Bet jei norite apskaičiuoti Higso bozono masę iš dalelių, į kurias jis suskilo, tiesiog pridėti mases nepavyks. Kodėl gi ne?

Higso bozono skilimo dalelių masių pridėjimas neveikia, nes šios dalelės turi didžiulę kinetinę energiją, palyginti su likusia energija (atminkite, kad dalelės ramybės būsenoje E = mc 2). Taip yra dėl to, kad Higso bozono masė yra daug didesnė už galutinių jo skilimo produktų mases, todėl likusi energija kažkur nukeliauja, būtent į po skilimo atsiradusių dalelių kinetinę energiją. Reliatyvumas liepia mums naudoti žemiau pateiktą lygybę, kad apskaičiuotume „nekaituojančią masę“ dalelių rinkinio po skilimo, kuri suteiks mums „pagrindinio“, Higso bozono, masę:

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

Higso bozono masės radimas iš jos skilimo produktų

Pastaba iš Quantuz: čia mes šiek tiek nesame tikri dėl vertimo, nes yra specialių terminų. Siūlome bet kuriuo atveju palyginti vertimą su šaltiniu.

Kai kalbame apie skilimą, pvz., H → Z + Z * → e + + e- + µ+ + µ-, tada keturios galimos kombinacijos, parodytos aukščiau, gali atsirasti dėl Higso bozono skilimo ir fono procesų, todėl turime pažvelgti į šių derinių keturių dalelių bendros masės histogramą.

Masės histograma reiškia, kad mes stebime daugybę įvykių ir pažymime tų įvykių skaičių, kai gaunama nekintama masė. Tai atrodo kaip histograma, nes kintamos masės reikšmės yra suskirstytos į juosteles. Kiekvieno stulpelio aukštis rodo įvykių, kurių nekintamoji masė yra atitinkamame diapazone, skaičių.

Galime įsivaizduoti, kad tai yra Higso bozono skilimo rezultatai, bet taip nėra.

Higso bozono duomenys iš fono

Raudonos ir violetinės histogramos sritys rodo „foną“, kuriame tikimasi, kad keturių leptonų įvykiai įvyks nedalyvaujant Higgso bozonui.

Mėlyna sritis (žr. animaciją) reiškia „signalo“ prognozę, kurioje keturių leptonų įvykių skaičius rodo Higso bozono skilimo rezultatą. Signalas yra fono viršuje, nes norėdami gauti bendrą numatomą įvykių skaičių, tiesiog susumuokite visas galimas įvykių, kurios gali įvykti, pasekmes.

Juodi taškai rodo pastebėtų įvykių skaičių, o juodos linijos per taškus rodo statistinį šių skaičių neapibrėžtumą. Duomenų padidėjimas (žr. kitą skaidrę) esant 125 GeV rodo naują 125 GeV dalelę (Higgso bozoną).

Higgso bozono duomenų evoliucijos animacija, kai jie kaupiasi, yra pradinėje svetainėje.

Higso bozono signalas lėtai kyla virš fono.

Higso bozono duomenys skyla į du fotonus

Skilimas į du fotonus (H → γ + γ) turi dar platesnį foną, tačiau vis dėlto signalas yra aiškiai atskirtas.

Tai Higso bozono skilimo į du fotonus kintamos masės histograma. Kaip matote, fonas yra labai platus, palyginti su ankstesniu grafiku. Taip yra todėl, kad yra daug daugiau procesų, gaminančių du fotonus, nei procesų su keturiais leptonais.

Brūkšninė raudona linija rodo foną, o paryškinta raudona linija rodo fono ir signalo sumą. Matome, kad duomenys gerai sutampa su nauja dalele apie 125 GeV.

Pirmųjų duomenų trūkumai

Duomenys buvo įtikinami, bet ne tobuli ir turėjo didelių trūkumų. Iki 2012 m. liepos 4 d. nebuvo pakankamai statistikos, kad būtų galima nustatyti greitį, kuriuo dalelė (Higso bozonas) skyla į skirtingus mažiau masyvių dalelių rinkinius (vadinamąsias „išsišakojusias proporcijas“), numatytus pagal standartinį modelį.

„Šakojimų proporcija“ yra tiesiog tikimybė, kad dalelė suirs per nurodytą skilimo kanalą. Šios proporcijos yra numatytos standartiniu modeliu ir išmatuotos atliekant daugybę tų pačių dalelių skilimo stebėjimų.

Toliau pateiktoje diagramoje parodyti geriausi išsišakojimų proporcijų matavimai, kuriuos galime atlikti 2013 m. Kadangi tai yra standartinio modelio numatytos proporcijos, tikimasi 1,0. Taškai yra srovės matavimai. Akivaizdu, kad dauguma klaidų juostų (raudonų linijų) vis dar yra per didelės, kad būtų galima daryti rimtas išvadas. Šie segmentai sutrumpinami, kai gaunami nauji duomenys, o taškai gali judėti.

Kaip sužinoti, ar žmogus stebi Higso bozono kandidato įvykį? Šiuos įvykius išskiria unikalūs parametrai.

Ar dalelė yra Higso bozonas?

Nors buvo aptiktas naujos dalelės skilimas, iki liepos 4 d. vis dar nebuvo aišku, kokiu greičiu tai vyksta. Net nebuvo žinoma, ar aptiktos dalelės kvantiniai skaičiai yra teisingi, ty ar ji turėjo sukinį ir paritetą, reikalingą Higso bozonui.

Kitaip tariant, liepos 4 d. dalelė atrodė kaip antis, bet reikėjo įsitikinti, kad ji plaukia kaip antis ir kvatoja kaip antis.

Visi ATLAS ir CMS eksperimentų su didžiuoju hadronų greitintuvu (taip pat ir Tevatron Fermi laboratorijoje) rezultatai po 2012 m. liepos 4 d. parodė puikų suderinimą su numatomomis šakojimosi proporcijomis penkiems aukščiau aptartiems skilimo režimams ir sutampa su numatomu sukimu. (lygus nuliui) ir paritetas (lygus +1), kurie yra pagrindiniai kvantiniai skaičiai.

Šie parametrai yra svarbūs nustatant, ar naujoji dalelė tikrai yra Higso bozonas, ar kokia nors kita netikėta dalelė. Taigi visi mūsų turimi įrodymai rodo Higso bozoną iš standartinio modelio.

Kai kurie fizikai tai laikė nusivylimu! Jei naujoji dalelė yra Higso bozonas iš standartinio modelio, tada standartinis modelis iš esmės yra baigtas. Viskas, ką dabar galima padaryti, tai vis tiksliau išmatuoti tai, kas jau buvo atrasta.

Bet jei naujoji dalelė pasirodys esanti kažkas nenuspėjama pagal standartinį modelį, tai atvers duris daugybei naujų teorijų ir idėjų, kurias reikia išbandyti. Netikėti rezultatai visada reikalauja naujų paaiškinimų ir padeda stumti teorinę fiziką į priekį.

Iš kur visatoje atsirado masė?

Įprastoje medžiagoje didžioji masės dalis yra atomuose, o tiksliau – branduolyje, kurį sudaro protonai ir neutronai.

Protonai ir neutronai sudaryti iš trijų kvarkų, kurie savo masę įgyja sąveikaudami su Higso lauku.

BET ... kvarkų masės sudaro apie 10 MeV, tai yra apie 1% protono ir neutrono masės. Taigi iš kur atsiranda likusi masė?

Pasirodo, protono masė atsiranda dėl jį sudarančių kvarkų kinetinės energijos. Kaip jūs, žinoma, žinote, masė ir energija yra susijusios su lygtimi E = mc 2.

Taigi tik nedidelė įprastos materijos masės dalis Visatoje priklauso Higso mechanizmui. Tačiau, kaip pamatysime kitame skyriuje, be Higso masės visata būtų visiškai negyvenama ir nebūtų kam atrasti Higso mechanizmo!

Jei nebūtų Higso lauko?

Jei nebūtų Higso lauko, kokia būtų visata?

Tai nėra taip akivaizdu.

Tikrai niekas nesurištų elektronų atomuose. Jie išsisklaidytų šviesos greičiu.

Tačiau kvarkus sieja stipri sąveika ir jie negali egzistuoti laisva forma. Kai kurios surištos kvarkų būsenos gali būti išsaugotos, bet neaišku apie protonus ir neutronus.

Tikriausiai visa tai būtų panaši į branduolinę medžiagą. Ir galbūt visa tai žlugo dėl gravitacijos.

Esame tikri, kad visata būtų šalta, tamsi ir negyva.
Taigi Higso bozonas gelbsti mus nuo šaltos, tamsios, negyvos visatos, kurioje nėra žmonių, kurie galėtų atrasti Higso bozoną.

Ar Higso bozonas yra standartinio modelio bozonas?

Tikrai žinome, kad mūsų atrasta dalelė yra Higso bozonas. Taip pat žinome, kad jis labai panašus į Higso bozoną iš standartinio modelio. Tačiau yra du dalykai, kurie vis dar nėra įrodyti:

1. Nepaisant to, kad Higso bozonas yra iš standartinio modelio, yra nedidelių neatitikimų, rodančių naujos fizikos egzistavimą (šiuo metu nežinoma).
2. Yra daugiau nei vienas Higso bozonas, skirtingos masės. Tai taip pat rodo, kad atsiras naujų teorijų, kurias reikia ištirti.

Tik laikas ir nauji duomenys padės atskleisti standartinio modelio ir jo bozono grynumą arba įdomias naujas fizines teorijas.

Higso bozonas, jo vieta tarp elementariųjų dalelių ir teoriškai numatytos savybės. Svarbu rasti bozoną fiziniam pasaulio paveikslui. Eksperimentai...

Iš Masterweb

10.06.2018 14:00

Higso bozonas fizikoje yra elementarioji dalelė, kuri, pasak mokslininkų, vaidina esminį vaidmenį formuojantis masei Visatoje. Patvirtinti arba paneigti šios dalelės egzistavimą buvo vienas iš pagrindinių tikslų naudojant Didįjį hadronų greitintuvą (LHC) – galingiausią dalelių greitintuvą pasaulyje, kuris yra netoli Ženevos esančioje Europos dalelių fizikos laboratorijoje (CERN).

Kodėl buvo taip svarbu rasti Higso bozoną

Šiuolaikinėje dalelių fizikoje yra tam tikras standartinis modelis. Vienintelė dalelė, kurią šis modelis numato ir kurią mokslininkai ilgą laiką bandė rasti, yra pavadintas bozonas. Standartinis dalelių modelis (pagal eksperimentinius duomenis) aprašo visas sąveikas ir transformacijas tarp elementariųjų dalelių. Tačiau šiame modelyje buvo tik viena „balta dėmė“ – trūko atsakymo į masės kilmės klausimą. Masės svarba nekelia abejonių, nes be jos visata būtų visiškai kitokia. Jei elektronas neturėtų masės, nebūtų atomų ir pačios materijos, nebūtų biologijos ir chemijos ir galiausiai nebūtų žmogaus.

Norėdami paaiškinti masės egzistavimo sampratą, keli fizikai, tarp kurių buvo britas Peteris Higgsas, iškėlė hipotezę apie vadinamojo Higgso lauko egzistavimą praėjusio amžiaus 60-aisiais. Pagal analogiją su fotonu, kuris yra elektromagnetinio lauko dalelė, Higgso laukui taip pat reikia, kad egzistuotų jo nešiklio dalelė. Taigi, paprastai tariant, Higso bozonai yra dalelės, iš kurių susidaro Higso laukas.

Higso dalelė ir jos sukuriamas laukas

Visas elementarias daleles galima suskirstyti į du tipus:

• Fermionai.
• Bozonai.

Fermionai yra tos dalelės, kurios sudaro mums žinomą medžiagą, pavyzdžiui, protonai, elektronai ir neutronai. Bozonai yra elementarios dalelės, sukeliančios įvairias fermionų sąveikas. Pavyzdžiui, bozonai yra fotonas – elektromagnetinės sąveikos nešėjas, gliuonas – stiprios arba branduolinės sąveikos nešiklis, bozonai Z ir W, atsakingi už silpną sąveiką, tai yra už transformacijas tarp elementariųjų dalelių.

Jei kalbame paprastais žodžiais apie Higso bozoną ir apie masės atsiradimą paaiškinančios hipotezės prasmę, tuomet turėtume įsivaizduoti, kad šie bozonai yra pasiskirstę Visatos erdvėje ir sudaro ištisinį Higso lauką. Kai bet kuris kūnas, atomas ar elementarioji dalelė patiria „trintį“ apie šį lauką, tai yra sąveikauja su juo, tada ši sąveika pasireiškia kaip masės buvimas šiame kūne ar dalelėje. Kuo labiau kūnas „trina“ dalelę į Higso lauką, tuo didesnė jos masė.

Kaip rasti ir kur iškasti Higso bozoną

Šis bozonas negali būti aptiktas tiesiogiai, nes (pagal teorinius duomenis) po jo atsiradimo jis akimirksniu suyra į kitas stabilesnes elementarias daleles. Tačiau daleles, kurios atsirado po Higso bozono irimo, jau galima aptikti. Jie yra „pėdsakai“, liudijantys šios svarbios dalelės egzistavimą.

Mokslininkai susidūrė su didelės energijos protonų spinduliais, kad aptiktų Higso bozono dalelę. Didžiulė protonų energija susidūrimo metu gali virsti mase pagal gerai žinomą Alberto Einšteino lygtį E = mc2. Protonų susidūrimo zonoje greitintuve yra daug detektorių, leidžiančių registruoti bet kokių dalelių atsiradimą ir skilimą.

Higgso bozono masė teoriškai nebuvo nustatyta, tačiau buvo nustatytas tik galimas jo verčių rinkinys. Dalelių aptikimui reikalingi galingi greitintuvai. Didysis hadronų greitintuvas (LHC) šiuo metu yra galingiausias Žemės planetos greitintuvas. Su jo pagalba buvo galima susidurti su protonais, kurių energija buvo artima 14 tetraelektronų voltų (TeV). Šiuo metu jis veikia maždaug 8 TeV energija. Tačiau net ir šios energijos pakako Higso bozonui arba Dievo dalelei, kaip daugelis taip pat vadina, aptikti.

Atsitiktiniai ir tikri įvykiai

Elementariųjų dalelių fizikoje įvykio egzistavimas vertinamas su tam tikra tikimybe „sigma“, kuri ir nulemia šio eksperimento metu gauto įvykio atsitiktinumą arba realumą. Norint padidinti įvykio tikimybę, reikia išanalizuoti didelį duomenų kiekį. Higso bozono paieška ir atradimas yra tikėtinas tokio pobūdžio įvykis. Kad aptiktų šią dalelę, LHC per vieną sekundę sugeneravo apie 300 milijonų susidūrimų, todėl duomenų, kuriuos reikėjo išanalizuoti, kiekis buvo milžiniškas.

Apie realų konkretaus įvykio stebėjimą galime kalbėti drąsiai, jei jo „sigma“ yra 5 ar daugiau. Tai prilygsta monetos įvykiui (jei ją apverčiate, ir ji atsitrenkia į galvą 20 kartų iš eilės). Šis rezultatas atitinka mažesnę nei 0,00006 % tikimybę.

Kai tik aptinkamas šis „naujas“ tikras įvykis, būtina jį detaliai išstudijuoti, atsakant į klausimą, ar šis įvykis atitinka Higgso dalelę, ar tai kokia nors kita dalelė. Tam būtina atidžiai ištirti šios naujos dalelės skilimo produktų savybes ir palyginti jas su teorinių prognozių rezultatais.

LHC eksperimentai ir masės dalelės atradimas

Masės dalelės paieškos, atliktos LHC greitintuvuose Ženevoje ir Tevatron Fermi laboratorijoje JAV, parodė, kad Dievo dalelės masė turi būti didesnė nei 114 gigaelektronų voltų (GeV). jei išreikštas energetine išraiška. Pavyzdžiui, tarkime, kad vieno protono masė atitinka maždaug 1 GeV. Kiti eksperimentai, kurių tikslas buvo rasti šią dalelę, parodė, kad jos masė negali viršyti 158 GeV.

Pirmieji Higso bozono paieškos LHC rezultatai buvo pateikti dar 2011 m., analizuojant duomenis, kurie buvo surinkti greitintuve vienerius metus. Per tą laiką buvo atlikti du pagrindiniai šios problemos eksperimentai – ATLAS ir CMS. Remiantis šiais eksperimentais, bozono masė yra nuo 116 iki 130 GeV arba nuo 115 iki 127 GeV. Įdomu pastebėti, kad abiejuose šiuose LHC eksperimentuose, remiantis daugeliu požymių, bozono masė yra siaurame regione tarp 124 ir 126 GeV.

Peteris Higgsas kartu su kolega Franku Englertu 2013 m. spalio 8 d. gavo Nobelio premiją už teorinio mechanizmo, padedančio suprasti masės egzistavimą elementariosiose dalelėse, atradimą, kuris buvo patvirtintas CERN LHC ATLAS ir CMS eksperimentuose. (Ženeva), kai buvo atrastas eksperimentiškai numatytas bozonas.

Higso dalelės atradimo svarba fizikai

Aiškindami apie Higso bozono atradimą paprastai, galime teigti, kad jis žymėjo naujo etapo pradžią elementariųjų dalelių fizikoje, nes šis įvykis suteikė naujų būdų tolesniems Visatos reiškinių tyrinėjimams. Pavyzdžiui, juodosios materijos prigimties ir ypatybių tyrimas, kuri, bendrais vertinimais, sudaro apie 23% visos žinomos Visatos, tačiau kurios savybės tebėra paslaptis iki šių dienų. Dievo dalelės atradimas leido pagalvoti ir atlikti naujus LHC eksperimentus, kurie padės išsiaiškinti šią problemą.

Bozono savybės

Daugelis Dievo dalelės savybių, kurios aprašytos standartiniame elementariųjų dalelių modelyje, dabar yra visiškai nustatytos. Šis bozonas turi nulinį sukimąsi, jis neturi elektros krūvio ar spalvos, todėl nesąveikauja su kitais bozonais, tokiais kaip fotonas ir gliuonas. Tačiau ji sąveikauja su visomis dalelėmis, kurios turi masę: kvarkais, leptonais ir silpnosios sąveikos bozonais Z ir W. Kuo didesnė dalelės masė, tuo stipriau ji sąveikauja su Higso bozonu. Be to, šis bozonas yra antidalelė sau.

Teoriškai nenumatoma dalelės masės, jos vidutinės gyvavimo trukmės ir bozonų sąveikos. Šiuos kiekius galima išmatuoti tik eksperimentiškai. Eksperimentų LHC CERN (Ženeva) rezultatai parodė, kad šios dalelės masė yra 125-126 GeV diapazone, o jos gyvavimo trukmė yra maždaug 10-22 sekundės.

Atviras bozonas ir kosminė apokalipsė

Šios dalelės atradimas laikomas vienu svarbiausių per visą žmonijos istoriją. Eksperimentai su šiuo bozonu tęsiasi ir mokslininkai gauna naujų rezultatų. Vienas iš jų buvo faktas, kad bozonas gali sukelti visatos sunaikinimą. Be to, šis procesas jau prasidėjo (mokslininkų teigimu). Problemos esmė tokia: Higso bozonas gali subyrėti pats bet kurioje visatos vietoje. Taip susidarys energijos burbulas, kuris palaipsniui plečiasi, sugerdamas viską savo kelyje.

Į klausimą, ar bus pasaulio pabaiga, kiekvienas mokslininkas atsako teigiamai. Esmė ta, kad egzistuoja teorija, vadinama „Žvaigždžių modeliu“. Jis postuluoja akivaizdų teiginį: viskas turi savo pradžią ir pabaigą. Remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, Visatos pabaiga atrodys taip: pagreitėjęs Visatos plėtimasis lemia materijos sklaidą erdvėje. Šis procesas tęsis tol, kol užges paskutinė žvaigždė, po kurios Visata pasiners į amžiną tamsą. Kiek tai užtruks, niekas nežino.

Atradus Higso bozoną, atsirado dar viena pasaulio pabaigos teorija. Faktas yra tas, kad kai kurie fizikai mano, kad gauta bozono masė yra viena iš galimų laiko masių, jai yra ir kitų verčių. Šios masės reikšmės taip pat gali būti realizuojamos, nes (paprasčiau tariant) Higso bozonas yra elementari dalelė, galinti pasižymėti banginėmis savybėmis. Tai yra, yra galimybė jį pereiti į stabilesnę būseną, atitinkančią didesnę masę. Jei toks perėjimas įvyks, tai visi žmogui žinomi gamtos dėsniai įgaus kitokią formą, todėl ateis mums žinomos visatos pabaiga. Be to, šis procesas jau galėjo vykti bet kurioje Visatos dalyje. Žmonija neturi daug laiko savo egzistavimui.

Socialinė LHC ir kitų dalelių greitintuvų nauda

Dalelių greitintuvams kuriamos technologijos taip pat naudingos medicinai, informatikai, pramonei ir aplinkai. Pavyzdžiui, medicinos diagnostikos technologijoms gali būti naudojami greitintuvai iš superlaidžių medžiagų, kurių pagalba greitinamos elementarios dalelės. Šiuolaikiniai greitintuve susidarančių įvairių dalelių detektoriai gali būti naudojami pozitroninėje tomografijoje (pozitronas – elektrono antidalelė). Be to, sijų formavimo iš elementariųjų dalelių LHC technologijos gali būti naudojamos įvairių ligų, pavyzdžiui, vėžinių navikų, gydymui.

Kalbant apie tyrimų, naudojančių LHC CERN (Ženevoje) informacinėms technologijoms, naudą, reikia pasakyti, kad pasaulinis kompiuterių tinklas GRID, kaip ir pats internetas, daugeliu atžvilgių yra dėkingi dėl eksperimentų su dalelių greitintuvais, kurie gamino. didžiulis duomenų kiekis. Poreikis dalytis šiais duomenimis tarp mokslininkų visame pasaulyje paskatino Timą Burnelsą-Lee CERN sukurti pasaulinio žiniatinklio (WWW) kalbos, kuria grindžiamas internetas.

Dalelių pluoštai, kurie buvo suformuoti ir formuojami įvairių rūšių greitintuvuose, dabar plačiai naudojami pramonėje tiriant naujų medžiagų savybes, biologinių objektų ir chemijos pramonės gaminių struktūrą. Dalelių fizikos pažanga naudojama projektuojant saulės energijos plokštes, apdorojant radioaktyviąsias atliekas ir pan.

Higgso dalelės atradimo įtaka literatūrai, kinui ir muzikai

Šie faktai liudija naujienų apie masės dalelės atradimą fizikoje sensacingumą:

• Po šios dalelės atradimo, mokslo populiarinimo knyga "Dievo dalelė: jei Visata yra atsakymas, tai koks klausimas?" Levas Lidermanas. Fizikai mano, kad Higso bozoną vadinti Dievo dalele yra perdėta.
• Filme „Angelai ir demonai“, kuris sukurtas pagal to paties pavadinimo knygą, naudojamas ir bozono pavadinimas „Dievo dalelė“.
• Mokslinės fantastikos filmas „Solaris“, kuriame vaidina George'as Clooney ir Natasha McElhone, pateikia teoriją, kurioje minimas Higso laukas ir svarbus jo vaidmuo stabilizuojant subatomines daleles.
• Mokslinės fantastikos knygoje „Flash Forward“, kurią parašė Robertas Sawyeris 1999 m., du mokslininkai sukelia pasaulinę katastrofą, kai eksperimentuoja siekdami aptikti Higso bozoną.
• Ispanijos televizijos serialas „Arka“ pasakoja apie pasaulinę katastrofą, kai dėl eksperimentų Didžiojo hadronų greitintuvo buvo užtvindyti visi žemynai, o laive „Polar Star“ išgyveno tik žmonės.
• Muzikinė grupė iš Madrido „Aviador Dro“ savo albume „Mokslo balsas“ skyrė dainą rastam masės bozonui.
• Australų dainininkas Nickas Cave'as vieną iš savo albumo dainų pavadino „The Blue Higgs Boson“ „Push the Sky Away“.

Kijevo gatvė, 16 0016 Armėnija, Jerevanas +374 11 233 255

Galima ginčytis dėl didelės sumos, kad dauguma iš jūsų (įskaitant mokslu besidominčius žmones) nelabai gerai įsivaizduoja, ką fizikai rado prie didžiojo hadronų greitintuvo, kodėl taip ilgai jo ieškojo, ir kas bus toliau.

Todėl trumpas pasakojimas apie tai, kas yra Higso bozonas.

Reikia pradėti nuo to, kad žmonės paprastai labai prastai mintyse pristato tai, kas vyksta mikrokosmose, elementariųjų dalelių mastu.

Pavyzdžiui, daugelis iš mokyklos laikų įsivaizduoja, kad elektronai yra tokie maži geltoni rutuliukai, tarsi mini planetos, besisukančios aplink atomo branduolį, kitu atveju tai atrodo kaip avietės uogos, sudarytos iš raudonų ir mėlynų protonų-neutronų. Tie, kurie yra šiek tiek susipažinę su kvantine mechanika iš populiarių knygų, elementarias daleles įsivaizduoja savotiškų neryškių debesų pavidalu. Kai mums sakoma, kad bet kuri elementari dalelė kartu yra ir banga, įsivaizduojame bangas jūroje (arba vandenyne): trimatės terpės paviršių, kuris periodiškai svyruoja. Jei sakome, kad dalelė yra įvykis tam tikrame lauke, įsivaizduojame lauką (kažkas tokio dūzgia tuštumoje, kaip transformatoriaus dėžė).

Visa tai yra labai blogai. Žodžiai „dalelė“, „laukas“ ir „banga“ itin blogai atspindi tikrovę, jų niekaip neįmanoma įsivaizduoti. Kad ir koks vizualinis vaizdas jums ateitų į galvą, jis bus neteisingas ir trukdys suprasti. Elementariosios dalelės nėra tai, ką iš principo galima pamatyti ar „paliesti“, o mes, beždžionių palikuonys, esame sukurti įsivaizduoti tik tokius dalykus. Netiesa, kad elektronas (arba fotonas, arba Higso bozonas) „yra ir dalelė, ir banga“; tai kažkas trečio, kuriam žodžių mūsų kalboje niekada nebuvo (kaip nereikalingas). Mes (žmoniškumo prasme) žinome, kaip jie elgiasi, galime atlikti kai kuriuos skaičiavimus, surengti eksperimentus su jais, bet negalime rasti jiems gero proto įvaizdžio, nes daiktai, kurie bent jau maždaug panašūs į elementarias mūsų daleles. pleiskanų išvis neatsiranda.

Profesionalūs fizikai net nebando vizualiai (ar kaip kitaip, kalbant apie žmogaus jausmus) įsivaizduoti, kas vyksta mikrokosmose; tai blogas kelias, jis niekur neveda. Jie pamažu išsiugdo tam tikrą intuiciją apie tai, kokie objektai ten gyvena ir kas jiems nutiks, jei padarysi tą ir aną, bet pasaulietis vargu ar sugebės tai atkartoti.

Taigi, tikiuosi, daugiau negalvosite apie mažus kamuoliukus. Dabar apie tai, ko jie ieškojo ir rado prie didžiojo hadronų greitintuvo.

Visuotinai priimta teorija, kaip pasaulis veikia mažiausiu mastu, vadinama standartiniu modeliu. Anot jos, mūsų pasaulis taip sutvarkytas. Jame yra keletas iš esmės skirtingų medžiagų, kurios įvairiais būdais sąveikauja viena su kita. Apie tokias sąveikas kartais patogu kalbėti kaip apie kažkokių „objektų“ apsikeitimą, kuriems galima išmatuoti greitį, masę, galima juos pagreitinti ar susidurti tarpusavyje ir pan. Kai kuriais atvejais patogu jas vadinti (ir galvoti) kaip nešiklio daleles. Modelyje yra 12 rūšių tokių dalelių. Primenu, kad viskas, apie ką dabar rašau, vis dar yra netikslu ir nešvankybės; bet tikiuosi, kad vis tiek daug mažiau nei dauguma žiniasklaidos pranešimų. (Pavyzdžiui, liepos 4 d. „Maskvos aidas“ išsiskyrė fraze „5 taškai sigmos skalėje“; žinantieji įvertins).

Vienaip ar kitaip, 11 iš 12 standartinio modelio dalelių jau buvo pastebėtos anksčiau. 12-asis yra Higso bozonas, kuris daugeliui kitų dalelių suteikia masę. Labai gera (bet, žinoma, ir neteisinga) analogija, kurią sugalvojau ne aš: įsivaizduokite tobulai lygų biliardo stalą, ant kurio yra biliardo kamuoliukai-elementarios dalelės. Jie lengvai skrenda skirtingomis kryptimis ir juda bet kur be trukdžių. Dabar įsivaizduokite, kad stalas yra padengtas lipnia mase, kuri trukdo dalelėms judėti: tai yra Higso laukas, o kiek dalelė prilimpa prie tokios dangos, yra jos masė. Su kai kuriomis dalelėmis Higso laukas niekaip nesąveikauja, pavyzdžiui, su fotonais, o jų masė atitinkamai lygi nuliui; galima įsivaizduoti, kad fotonai yra kaip ritulys oro ritulyje, o dangos visai nepastebi.

Visa ši analogija yra neteisinga, pavyzdžiui, nes masė, skirtingai nei mūsų lipni danga, neleidžia dalelei judėti, bet greitėja, tačiau tai suteikia kažkokią supratimo iliuziją.

Higso bozonas yra dalelė, atitinkanti šį lipnų lauką. Įsivaizduokite labai stiprų smūgį į biliardo stalą, sugadinus audinį, o nedidelį kiekį lipnios masės sutraiškant į burbulinę klostę, kuri labai greitai pasklinda atgal. Štai, štai.

Tiesą sakant, būtent taip visus tuos metus darė Didysis hadronų greitintuvas, ir maždaug taip atrodė Higso bozono gavimo procesas: mes mušame iš visų jėgų į stalą, kol pats audinys pradeda suktis iš labai statinis, kietas ir lipnus paviršius į kažką įdomesnio (arba kol atsitiks kažkas dar nuostabesnio, nenumatyta teorijos). Štai kodėl LHC yra toks didelis ir galingas: jie jau bandė atsitrenkti į stalą su mažiau energijos, bet nesėkmingai.

Dabar apie liūdnai pagarsėjusią 5 sigmą. Minėto proceso problema yra ta, kad galime tik belstis ir tikėtis, kad kažkas iš to išeis; nėra garantuoto recepto Higso bozonui gauti. Dar blogiau, kai jis dar gimė, turime turėti laiko jį užregistruoti (žinoma, jo pamatyti neįmanoma, o jis egzistuoja tik mažytę sekundės dalį). Kad ir kokį detektorių naudotume, galime pasakyti tik tiek, kad, regis, galbūt kažką panašaus pastebėjome.

Dabar įsivaizduokite, kad turime specialų kauliuką; jis netyčia nukrenta ant vieno iš šešių veidų, bet jei Higso bozonas tuo metu yra šalia jo, šeši niekada neiškris. Tai tipiškas detektorius. Jei mes kauliuką išmesime vieną kartą ir kartu iš visų jėgų atsitrenksime į stalą, tai apskritai joks rezultatas tiksliai nieko nepasakys: ar metėte 4? Tai labai tikėtinas įvykis. Numetė 6? Galbūt mes tiesiog šiek tiek atsitrenkėme į stalą netinkamu momentu, o bozonas, nors ir egzistuoja, nespėjo gimti reikiamu momentu arba, priešingai, sugebėjo suirti.

Tačiau šį eksperimentą galime atlikti kelis kartus ir net daug kartų! Gerai, meskime kauliuką 60 000 000 kartų. Tarkime, šiuo atveju šeši iškrito „tik“ 9 500 000 kartų, o ne 10 000 000; Ar tai reiškia, kad bozonas retkarčiais pasirodo, ar tai tik leistina nelaimingas atsitikimas – mes netikime, kad kaulas turėtų gulėti kaip šešetas sklandžiai 10 milijonų kartų iš 60?

Na, uh. Tokie dalykai nėra vertinami iš akies, reikia atsižvelgti į tai, koks yra nuokrypis ir kaip jis susijęs su galimomis avarijomis. Kuo didesnis nuokrypis, tuo mažesnė tikimybė, kad kaulas tiesiog taip atsigulė, ir tuo didesnė tikimybė, kad karts nuo karto (ne visada) atsiranda nauja elementari dalelė, neleidžianti atsigulti kaip šešiese. . Nukrypimas nuo vidurkio patogiai išreiškiamas sigma. „Viena sigma“ – tai „labiausiai laukiamas“ nuokrypio lygis (konkrečią jo reikšmę gali apskaičiuoti bet kuris Fizikos ar matematikos fakulteto trečiakursis). Jei eksperimentų yra daug, tada 5 sigmų nuokrypis yra tas lygis, kai nuomonė „tikimybė mažai tikėtina“ virsta absoliučiai tvirtu pasitikėjimu.

Fizikai liepos 4 d. paskelbė, kad maždaug toks nuokrypių lygis buvo pasiektas iš karto dviejuose skirtinguose detektoriuose. Abu detektoriai elgėsi labai panašiai, kaip elgtųsi, jei dalelė, susidaranti dėl stipraus smūgio į stalą, iš tiesų būtų Higso bozonas; griežtai kalbant, tai nereiškia, kad tai jis yra priešais mus, reikia išmatuoti visas kitas jo charakteristikas su visokiais kitais detektoriais. Tačiau abejonių liko nedaug.

Galiausiai, kas mūsų laukia ateityje. Ar buvo atrasta „nauja fizika“ ir ar įvyko proveržis, kuris mums bus naudingas kuriant hipererdvinius variklius ir absoliutų kurą? Ne; ir net atvirkščiai: paaiškėjo, kad toje fizikos dalyje, kuri tiria elementarias daleles, stebuklų nevyksta, o gamta sutvarkyta praktiškai taip, kaip fizikai visą kelią (na arba beveik taip) tikėjosi. Net šiek tiek liūdna.

Situaciją apsunkina tai, kad mes visiškai tvirtai žinome, kad iš principo tiksliai taip sutvarkyti negalima. Standartinis modelis yra grynai matematiškai nesuderinamas su Einšteino bendrosios reliatyvumo teorija, ir abu tuo pat metu tiesiog negali būti teisingi.

O kur dabar kasti, kol kas nelabai aišku (ne tai, kad minčių visai nėra, greičiau atvirkščiai: per daug įvairių teorinių galimybių, o būdų jas išbandyti – kur kas mažiau). Na, gal kas nors supranta, bet tikrai ne man. Taigi šiame įraše jau seniai peržengiau savo kompetenciją. Jei kur nors melavau, pataisykite mane.

– Ką naujoji dalelė duos mokslininkams ir paprastiems žmonėms?

Pagrindinės šiuolaikinės fundamentaliosios fizikos raidos kryptys yra elementariųjų dalelių fizika ir kosmologija – mokslas apie Visatos evoliuciją. Per pastaruosius 10-15 metų paaiškėjo, kad mikro- ir makrokosmoso prietaisai yra glaudžiai susiję vienas su kitu. Vienos srities atradimas suteikia stiprų impulsą kitos srities plėtrai.

Higso bozono atradimas leis mokslininkams patvirtinti, kad šiuolaikinės fizikos pagrindas – Standartinis modelis – yra patikimas pagrindas tolesniam mūsų supratimo apie gamtą plėtrai. Higgso dalelės egzistavimo prognozė nebuvo patvirtinta eksperimentiškai dešimtmečius, o tai buvo tamsi dėmė visai elementariųjų dalelių fizikai. Higso bozono atradimas patvirtina pagrindinės raidos krypties teisingumą ir labai susiaurina alternatyvių teorijų galimybes tiek mikro-, tiek makrokosme. Tai leis efektyviau panaudoti biudžeto lėšas.

– Kur galima pritaikyti naujo bozono atradimą?

Dar per anksti apie tai kalbėti. Visų pirma, reikia nuodugniai ištirti jo savybes ir tik tada galvoti apie taikymą. Jau dabar tiriamos Higso dalelių panaudojimo galimybės aiškinant ankstyviausią Visatos formavimosi etapą. Ir taip pat tamsiosios energijos fenomenas. Paskutinis kol kas nepaaiškinamas reiškinys buvo aptiktas 1998 m., stebint pagreitėjusį kvazarų – ryškiausių Visatos objektų – nuosmukį. Šį poveikį galima paaiškinti tik darant prielaidą ne visai įprastomis Visatą užpildančios medžiagos savybėmis.

– Kokį postūmį naujų technologijų plėtrai gali duoti ši dalelė?

Iš mokslo istorijos žinoma, kad esminiai atradimai ne iš karto lemia naujų technologijų atsiradimą. Gerai žinomas pavyzdys – Michaelio Faradėjaus elektromagnetinės indukcijos dėsnių atradimas, kurio taikymas technologijose atrodė itin abejotinas. Dabar, praėjus beveik 200 metų, sunku įsivaizduoti mūsų pasaulį be elektros. Kitas pavyzdys – 1933 metais atrastas neutrinas, kuris taip silpnai sąveikauja su medžiaga, kad gali prasiskverbti pro Žemę to net nepastebėdamas. Ilgą laiką atrodė, kad tokią savybę turinčiai dalelei bus sunku rasti pritaikymą. Tačiau dabar mokslininkai bando panaudoti neutrinus signalams perduoti per tankią terpę ir aptikti branduolinių reakcijų pėdsakus dideliu atstumu.

Panaši situacija ir su Higso dalele. Matyt, turi praeiti ne viena dešimtis metų, kol išryškės šio reiškinio pritaikymo technologijose galimybės. Pirmiausia vystysis susijusios mokslo sritys, tada įtaka plis toliau. Gali pasirodyti, kad tik kitos kartos galės pasinaudoti šiuo atradimu, kaip ir mes dabar naudojame Faradėjaus atradimus.

Šiuolaikinio mokslo raida vyksta pagreitėjusiu tempu ir įvairiomis kryptimis. Pavyzdžiui, Dubnoje statomas rusiškas sunkiųjų jonų greitintuvas „Nika“. Jis veiks energijos diapazone, kurio neapima jokie pasaulyje esami įrenginiai, įskaitant Didįjį hadronų greitintuvą. Būtent šioje energijų srityje yra galimybė gauti mišrią branduolinės medžiagos fazę – būseną, kai iš branduolio išsiskiriančios dalelės – kvarkai ir gliuonai – egzistuoja vienu metu. Iki šiol niekam pasaulyje nepavyko „pagauti“ laisvųjų kvarkų.

Akademikas Valerijus Rubakovas, Branduolinių tyrimų institutas RAS ir Maskvos valstybinis universitetas.

2012 m. liepos 4 d. įvyko išskirtinės reikšmės fizikai įvykis: seminare CERN (Europos branduolinių tyrimų centre) buvo paskelbta apie naujos dalelės atradimą, kuri, kaip atsargiai skelbia atradimo autoriai, 2012 m. jo savybės atitinka teoriškai prognozuojamą Standartinio elementariosios fizikos modelio elementarųjį bozoną.dalelės. Paprastai jis vadinamas Higso bozonu, nors šis pavadinimas nėra visiškai adekvatus. Kad ir kaip būtų, mes kalbame apie vieno iš pagrindinių fundamentinės fizikos objektų atradimą, kuris neturi analogų tarp žinomų elementariųjų dalelių ir užima unikalią vietą fiziniame pasaulio paveiksle (žr. „Mokslas ir gyvenimas“). Nr. 1, 1996, straipsnis „Bosonas Higgsas reikalingas!“).

LHC-B detektorius skirtas tirti B-mezonų – hadronų, turinčių b-kvarką, savybes. Šios dalelės greitai suyra ir turi laiko nuskristi nuo dalelių pluošto tik per milimetro dalį. Nuotrauka: Maximilien Brice, CERN.

Standartinio modelio elementariosios dalelės. Beveik visi jie turi savo antidaleles, kurios žymimos simboliu su tilde viršuje.

Sąveika mikropasaulyje. Elektromagnetinė sąveika atsiranda dėl fotonų emisijos ir sugerties (a). Silpnos sąveikos yra panašaus pobūdžio: jas sukelia Z-bozonų (b) arba W-bozonų (c) emisija, absorbcija arba skilimas.

Higgso bozonas H (sukinys 0) skyla į du fotonus (sukinys 1), kurių sukiniai yra priešpriešiniai ir sudaro 0.

Kai greitasis elektronas išspinduliuoja fotoną arba Z-bozoną, jo sukinio projekcija judėjimo kryptimi nekinta. Apvali rodyklė rodo vidinį elektrono sukimąsi.

Vienodame magnetiniame lauke elektronas juda tiesia linija išilgai lauko ir spirale bet kuria kita kryptimi.

Ilgo bangos ilgio ir dėl to mažos energijos fotonas negali išspręsti π-mezono – kvarko ir antikvarko poros – struktūros.

Dalelės, paspartintos iki milžiniškų energijų Didžiajame hadronų greitintuve, susiduria, todėl susidaro daug antrinių dalelių – reakcijos produktų. Tarp jų buvo aptiktas Higso bozonas, kurį fizikai tikėjosi rasti beveik pusę amžiaus.

Septintojo dešimtmečio pradžioje anglų fizikas Peteris W. Higgsas įrodė, kad Standartiniame elementariųjų dalelių modelyje turi būti dar vienas bozonas – lauko kvantas, sukuriantis masę materijoje.

Kas vyko seminare ir prieš jį

Apie seminarą buvo paskelbta birželio pabaigoje ir iškart tapo aišku, kad jis bus neeilinis. Faktas yra tas, kad pirmieji požymiai apie naujo bozono egzistavimą buvo gauti dar 2011 m. gruodžio mėn. ATLAS ir CMS eksperimentuose, atliktuose CERN dideliame hadronų greitintuve (LHC). Be to, prieš pat seminarą pasirodė žinutė, kad eksperimentų su Tevatron protonų-antiprotonų greitintuvu (Fermilab, JAV) duomenys taip pat rodo naujo bozono egzistavimą. Viso to dar nepakako, kad būtų galima kalbėti apie atradimą. Tačiau nuo gruodžio mėnesio LHC renkamų duomenų kiekis padvigubėjo, o jų apdorojimo metodai pagerėjo. Rezultatas buvo įspūdingas: kiekviename iš ATLAS ir CMS eksperimentų atskirai statistinis signalo patikimumas pasiekė vertę, kuri laikoma dalelių fizikos atradimo lygiu (penki standartiniai nuokrypiai).

Seminaras praėjo šventine atmosfera. Be CERN dirbančių mokslininkų ir jame pagal vasaros programas besimokančių studentų, internetu „apsilankė“ tą pačią dieną Melburne prasidėjusios didžiausios didelės energijos fizikos konferencijos dalyviai. Seminaras internetu buvo transliuojamas mokslinių tyrimų centrams ir universitetams visame pasaulyje, įskaitant, žinoma, Rusiją. Po įspūdingų CMS bendradarbių – Joe Incandela ir ATLAS – kalbų Fabiola Gianotti, CERN generalinis direktorius Rolfas Hoyeris padarė išvadą: „Manau, kad mes tai turime! („Manau, kad mes turime tai savo rankose!“).

Taigi, kas yra „mūsų rankose“ ir kodėl teoretikai tai sugalvojo?

Kas yra naujoji dalelė

Minimali mikropasaulio teorijos versija pavadinta nepatogiu Standartinio modelio pavadinimu. Tai apima visas žinomas elementarias daleles (mes jas išvardysime žemiau) ir visas žinomas jų tarpusavio sąveikas. Gravitacinė sąveika išsiskiria: ji nepriklauso nuo elementariųjų dalelių tipų, bet yra aprašyta Einšteino bendrojoje reliatyvumo teorijoje. Higso bozonas liko vienintelis standartinio modelio elementas, kuris iki šiol nebuvo atrastas.

Standartinį modelį pavadinome minimaliu būtent todėl, kad jame nėra kitų elementariųjų dalelių. Visų pirma, jis turi vieną ir tik vieną Higso bozoną ir yra elementarioji dalelė, o ne sudėtinė (kitos galimybės bus aptartos toliau). Dauguma standartinio modelio aspektų – išskyrus naują sektorių, kuriam priklauso Higso bozonas – buvo patikrinta daugybės eksperimentų, o pagrindinė LHC darbo programos užduotis yra išsiaiškinti, ar minimali teorijos versija yra teisinga. realiai realizuotas gamtoje ir kaip visapusiškai jis apibūdina mikrokosmosą.

Šios programos metu buvo aptikta nauja dalelė, gana sunki pagal mikropasaulio fizikos standartus. Šioje mokslo srityje masė matuojama energijos vienetais, o tai reiškia, kad masės ir ramybės energijos santykis E = mc 2. Energijos vienetas yra elektronvoltas (eV) – energija, kurią elektronas įgyja perėjęs 1 volto potencialų skirtumą, o jos išvestinės – MeV (milijonas, 10 6 eV), GeV (milijardas, 10 9 eV), TeV (trilijonas, 10 12 eV) ... Elektrono masė šiuose vienetuose yra 0,5 MeV, protono - apie 1 GeV, sunkiausia žinoma elementarioji dalelė, t-kvarko - 173 GeV. Taigi naujos dalelės masė yra 125-126 GeV (neapibrėžtis siejama su matavimo paklaida). Pavadinkime šią naują dalelę N.

Jis neturi elektros krūvio, yra nestabilus ir gali įvairiai suirti. Jis buvo aptiktas CERN didžiajame hadronų greitintuve, tiriant skilimą į du fotonus H → γγ ir į dvi poras elektronų-pozitronų ir (arba) miuonų-anti-miuono, H → e + e - e + e -, H → e + e - μ + μ -, H → μ + μ - μ + μ-. Antrojo tipo procesai rašomi kaip H → 4ℓ, kur ℓ žymi vieną iš dalelių e +, e -, μ + arba μ - (jos vadinamos leptonais). Tiek CMS, tiek ATLAS taip pat praneša apie tam tikrą įvykių perteklių, kurį galima paaiškinti skilimu H → 2ℓ2ν, kur ν yra neutrinai. Tačiau šis perteklius dar neturi didelės statistinės reikšmės.

Apskritai viskas, kas dabar žinoma apie naująją dalelę, atitinka jos aiškinimą kaip Higso bozoną, numatytą paprasčiausioje elementariųjų dalelių teorijos versijoje – standartiniame modelyje. Standartinio modelio rėmuose galima apskaičiuoti ir Higgso bozono susidarymo tikimybę protonų ir protonų susidūrimuose Didžiajame hadronų greitintuve, ir jo skilimo tikimybę ir taip numatyti numatomų įvykių skaičių. Prognozes gerai patvirtina eksperimentai, tačiau, žinoma, paklaidos ribose. Eksperimentinės paklaidos vis dar yra didelės, o išmatuotų verčių vis dar yra labai mažai. Nepaisant to, sunku abejoti, kad buvo atrastas Higso bozonas ar kažkas labai panašaus į jį, ypač jei atsižvelgsime į tai, kad šie skilimai turėtų būti labai reti: 2 iš 1000 Higso bozonų skyla į du fotonus, o 1 per 10 000 suyra į 4 ℓ ...

Daugiau nei puse atvejų Higso bozonas turėtų suirti į b-kvarko – b-antikvarko porą: H → bb̃. bb̃ poros susidarymas protonų ir protonų (ir protonų ir antiprotonų) susidūrimų metu yra labai dažnas reiškinys be jokio Higso bozono, ir iki šiol nepavyko atskirti signalo nuo jo nuo šio „triukšmo“ (fizikų teigimu - fonas ) eksperimentuose LHC. Tai iš dalies atsitiko ties Tevatron greitintuvu, ir nors statistinis patikimumas ten yra pastebimai mažesnis, šie duomenys taip pat atitinka standartinio modelio prognozes.

Visos elementarios dalelės turi sukimąsi – vidinį kampinį momentą. Dalelės sukinys gali būti sveikasis skaičius (įskaitant nulį) arba pusinis sveikasis skaičius Plancko konstantos ћ vienetais. Dalelės, turinčios sveikąjį sukimąsi, vadinamos bozonais, o dalelės, kurių sukimasis yra pusiau sveikasis skaičius, vadinamos fermionais. Elektronų sukinys lygus 1/2, fotonų sukinys – 1. Iš naujos dalelės skilimo produktų analizės matyti, kad jos sukinys yra vientisas, tai yra bozonas. Iš kampinio momento išsaugojimo dalelei skilus į fotonų porą Н → γγ išplaukia: kiekvieno fotono sukinys yra vientisas; galutinės būsenos (fotonų poros) suminis kampinis momentas visada išlieka vientisas. Tai reiškia, kad ji taip pat yra nepažeista pradinei būsenai.

Be to, jis nelygu vienybei: sukinio 1 dalelė negali suirti į du fotonus, kurių sukinys 1. Lieka sukinys 0; 2 ar daugiau. Nors naujosios dalelės sukimasis dar nebuvo išmatuotas, mažai tikėtina, kad turime reikalą su 2 ar daugiau sukimosi dalele. H sukimasis beveik neabejotinai yra lygus nuliui, ir, kaip matysime, Higso bozonas turėtų būti toks.

Baigdami aprašyti žinomas naujosios dalelės savybes, sakykime, kad ji jau gana ilgą laiką gyvuoja pagal mikropasaulio fizikos standartus. Remiantis eksperimentiniais duomenimis, mažesnis jo gyvavimo trukmės įvertis suteikia T H> 10 -24 s, o tai neprieštarauja Standartinio modelio prognozei: T H = 1,6 · 10 -22 s. Palyginimui: t-kvarko gyvavimo trukmė yra T t = 3 · 10 -25 s. Atkreipkite dėmesį, kad vargu ar įmanoma tiesiogiai išmatuoti naujos dalelės gyvavimo laiką LHC.

Kodėl dar vienas bozonas?

Kvantinėje fizikoje kiekviena elementarioji dalelė tarnauja kaip tam tikro lauko kvantas, ir atvirkščiai: kiekvienas laukas turi savo dalelių kvantą; garsiausias pavyzdys yra elektromagnetinis laukas ir jo kvantas – fotonas. Todėl pavadinime pateiktą klausimą galima performuluoti taip:

Kodėl reikalinga nauja sritis ir kokių tikimasi jo savybių?

Trumpas atsakymas yra toks, kad mikropasaulio teorijos simetrijos – ar tai būtų standartinis modelis, ar kuri nors sudėtingesnė teorija – draudžia elementarioms dalelėms turėti masę, o naujas laukas pažeidžia šias simetrijas ir užtikrina dalelių masių egzistavimą. Standartiniame modelyje – paprasčiausioje teorijos versijoje (bet tik jame!) – visos naujojo lauko ir atitinkamai naujojo bozono savybės, išskyrus jo masę, vėl vienareikšmiškai prognozuojamos remiantis simetrija. svarstymus. Kaip minėjome, turimi eksperimentiniai duomenys tiksliai sutampa su paprasčiausia teorijos versija, tačiau šių duomenų vis dar yra gana mažai, be to, laukia ilgas darbas, siekiant išsiaiškinti, kaip tiksliai yra struktūrizuotas naujas elementariųjų dalelių fizikos sektorius.

Panagrinėkime, bent jau bendrai, simetrijos vaidmenį mikropasaulio fizikoje.

Simetrijos, gamtosaugos įstatymai ir draudimai

Bendra fizikinių teorijų, ar tai būtų Niutono mechanika, specialiosios reliatyvumo mechanika, kvantinė mechanika ar mikropasaulio teorija, savybė yra ta, kad kiekviena simetrija turi savo išsaugojimo dėsnį. Pavyzdžiui, simetrija laiko poslinkių atžvilgiu (tai yra tai, kad fizikos dėsniai yra vienodi kiekvienu laiko momentu) atitinka energijos tvermės dėsnį, simetrija poslinkių erdvėje atžvilgiu – dėsnį impulso išsaugojimas, o simetrija sukimosi jame atžvilgiu (visos kryptys erdvėje yra lygios) – kampinio momento išsaugojimo dėsnis. Tautos dėsniai gali būti interpretuojami ir kaip draudimai: išvardintos simetrijos draudžia keisti uždaros sistemos energiją, impulsą ir kampinį momentą jos evoliucijos metu.

Ir atvirkščiai: kiekvienas išsaugojimo įstatymas turi savo simetriją; šis teiginys kvantinėje teorijoje yra visiškai teisingas. Kyla klausimas: kokia simetrija atitinka elektros krūvio tvermės dėsnį? Akivaizdu, kad ką tik paminėtos erdvės ir laiko simetrijos su tuo neturi nieko bendra. Nepaisant to, be akivaizdžių, erdvės ir laiko simetrijų, yra ir neakivaizdžių, „vidinių“ simetrijų. Vienas iš jų lemia elektros krūvio išsaugojimą. Mums svarbu, kad ta pati vidinė simetrija (suprantama tik išplėstąja prasme – fizikai vartoja terminą „manometro invariantas“) paaiškintų, kodėl fotonas neturi masės. Masės trūkumas fotone savo ruožtu yra glaudžiai susijęs su tuo, kad šviesa turi tik dviejų tipų poliarizaciją – kairę ir dešinę.

Norėdami išsiaiškinti ryšį tarp tik dviejų šviesos poliarizacijos tipų buvimo ir masės nebuvimo fotone, kuriam laikui nukrypstame nuo kalbų apie simetrijas ir dar kartą primename, kad elementariosios dalelės pasižymi sukimu, pusiau sveikuoju skaičiumi arba visuma. Planko konstantos vienetai ћ. Elementarieji fermionai (dalelės, kurių sukimasis yra pusiau sveikasis skaičius) turi 1/2 sukimosi. Tai elektronas e, elektronų neutrinas ν e, sunkieji elektrono analogai - miuonas μ ir tau leptonas τ, jų neutrinai ν μ ir ν τ, šešių tipų u, d, c, s, t, b kvarkai ir antidalelės, atitinkančios visi jie (pozitronas e +, elektroninis antineutrinas ν̃ e, antikvarkas ũ ir kt.). U ir d kvarkai yra lengvi ir susideda iš protono (kvarko sudėties uud) ir neutrono (udd). Likę kvarkai (c, t, s, b) yra sunkesni; jie yra trumpaamžių dalelių, pavyzdžiui, K-mezonų, dalis.

Bozonai, viso sukinio dalelės, apima ne tik fotoną, bet ir tolimus jo analogus – gliuonus (1 sukinys). Gliuonai yra atsakingi už kvarkų sąveiką ir sujungia juos į protoną, neutroną ir kitas sudedamąsias daleles. Be to, yra dar trys sukimosi 1 dalelės – elektriniu krūviu W +, W – -bozonai ir neutralus Z-bozonas, apie kuriuos bus kalbama vėliau. Na, o Higso bozonas, kaip jau minėta, turi turėti nulinį sukimąsi. Dabar mes išvardijome visas elementarias daleles standartiniame modelyje.

Masyvi sukinio s dalelė (ћ vienetais) turi 2s + 1 būsenas su skirtingomis sukimosi projekcijomis į tam tikrą ašį (spin – vidinis kampinis momentas – vektorius, todėl jos projekcijos į tam tikrą ašį sąvoka turi įprastą reikšmę). Pavyzdžiui, elektrono sukinys (s = 1/2) jo ramybės rėme gali būti nukreiptas, tarkime, aukštyn (s 3 = +1/2) arba žemyn (s 3 = -1/2). Bozono Z masė nulinė, o sukinys s = 1, taigi jis turi tris būsenas su skirtingomis sukimosi projekcijomis: s 3 = +1, 0 arba -1. Visiškai kitokia situacija yra su bemasėmis dalelėmis. Kadangi jie skrenda šviesos greičiu, neįmanoma pereiti į atskaitos sistemą, kurioje tokia dalelė yra ramybės būsenoje. Nepaisant to, galime kalbėti apie jo sraigtiškumą – sukimosi projekciją į judėjimo kryptį. Taigi, nors fotono sukinys lygus vienybei, tokios projekcijos yra tik dvi – judėjimo kryptimi ir prieš ją. Tai yra dešinioji ir kairioji šviesos poliarizacija (fotonai). Trečiąją būseną su nulinio sukinio projekcija, kuri turėtų egzistuoti, jei fotonas turėtų masę, draudžia gili vidinė elektrodinamikos simetrija, ta pati simetrija, kuri lemia elektros krūvio išsaugojimą. Taigi ši vidinė simetrija taip pat draudžia fotonui egzistuoti masę!

Kažkas yra negerai

Tačiau mus domina ne fotonai, o W ± - ir Z-bozonai. Šios dalelės, atrastos 1983 m. protonų ir antiprotonų greitintuve Spp̃S CERN ir teoretikų prognozuotos dar gerokai prieš tai, turi gana didelę masę: W ± bozonų masė yra 80 GeV (apie 80 kartų sunkesnė už protoną), o Z. -bozonai - 91 GeV. W ± - ir Z-bozonų savybės yra gerai žinomos daugiausia dėl eksperimentų su elektronų-pozitronų greitintuvais LEP (CERN) ir SLC (SLAC, JAV) ir protonų-antiprotonų greitintuvu Tevatron (Fermilab, JAV): daugelio dydžių, susijusių su W ± - ir Z-bozonais, matavimai, geresni nei 0,1 %. Jų, kaip ir kitų dalelių, savybes puikiai apibūdina standartinis modelis. Tai taip pat taikoma W± ir Z-bozonų sąveikai su elektronais, neutrinais, kvarkais ir kitomis dalelėmis. Tokia sąveika, beje, vadinama silpna. Jie buvo išsamiai išnagrinėti; vienas iš seniai žinomų jų pasireiškimo pavyzdžių yra miuonų, neutronų ir branduolių beta skilimas.

Kaip jau minėta, kiekvienas iš W ± - ir Z-bozonų gali būti trijų sukimosi būsenų, o ne dviejų, kaip fotonas. Tačiau jie sąveikauja su fermionais (neutrinais, kvarkais, elektronais ir kt.) iš esmės taip pat, kaip ir fotonai. Pavyzdžiui, fotonas sąveikauja su elektrono elektriniu krūviu ir judančio elektrono generuojama elektros srove. Lygiai taip pat Z-bozonas sąveikauja su tam tikru elektrono krūviu ir srove, kylančia dėl elektrono judėjimo, tik šis krūvis ir srovė yra neelektrinio pobūdžio. Iki svarbios savybės, kuri bus aptarta netrukus, analogija bus baigta, jei, be elektros krūvio, elektronui taip pat bus priskirtas Z krūvis. Tiek kvarkai, tiek neutrinai turi savo Z krūvius.

Analogija su elektrodinamika eina dar toliau. Kaip ir fotonų teorija, W ± ir Z-bozonų teorija turi gilią vidinę simetriją, artimą tai, kuri veda į elektros krūvio tvermės dėsnį. Visiškai analogiškai su fotonu, jis draudžia W ± ir Z-bozonams turėti trečiąją poliarizaciją, taigi ir masę. Čia atsiranda neatitikimas: sukinio 1 dalelės masės simetrijos draudimas veikia fotonui, bet W ± ir Z-bozonams jo nėra!

Toliau daugiau. Silpna elektronų, neutrinų, kvarkų ir kitų dalelių sąveika su W ± - ir Z-bozonais vyksta taip, lyg šie fermionai neturėtų masės! Poliarizacijų skaičius neturi nieko bendra su tuo: tiek masyvūs, tiek bemasiai fermionai turi dvi poliarizacijas (sukimosi kryptis). Esmė ta, kaip tiksliai fermionai sąveikauja su W ± - ir Z-bozonais.

Norėdami išsiaiškinti problemos esmę, pirmiausia išjunkite elektronų masę (teoriškai tai leidžiama) ir apsvarstykite įsivaizduojamą pasaulį, kuriame elektronų masė lygi nuliui. Tokiame pasaulyje elektronas skrenda šviesos greičiu ir gali suktis arba judėjimo kryptimi, arba prieš jį. Kalbant apie fotoną, pirmuoju atveju prasminga kalbėti apie elektroną su dešiniąja poliarizacija arba, trumpai tariant, apie dešinįjį elektroną, antruoju - apie kairįjį.

Kadangi gerai žinome, kaip išsidėsčiusios elektromagnetinės ir silpnosios sąveikos (ir tik jose dalyvauja elektronas), mes gana pajėgūs apibūdinti elektrono savybes savo įsivaizduojamame pasaulyje. Ir jie tokie.

Pirma, šiame pasaulyje dešinysis ir kairysis elektronai yra dvi visiškai skirtingos dalelės: dešinysis elektronas niekada nevirsta kairiuoju ir atvirkščiai. Tai draudžia kampinio momento (šiuo atveju sukinio) tvermės dėsnis, o elektrono sąveika su fotonu ir Z-bozonu nekeičia jo poliarizacijos. Antra, elektrono sąveiką su W-bozonu patiria tik kairysis elektronas, o dešinysis joje visiškai nedalyvauja. Trečia svarbi savybė, kurią minėjome anksčiau šiame paveikslėlyje, yra ta, kad kairiojo ir dešiniojo elektronų Z krūviai skiriasi, o kairysis elektronas sąveikauja su Z-bozonu stipriau nei dešinysis. Miuonas, tau leptonas ir kvarkai turi panašių savybių.

Pabrėžiame, kad įsivaizduojamame pasaulyje, kuriame yra bemasių fermionų, nėra problemų dėl to, kad kairysis ir dešinysis elektronai sąveikauja su W ir Z bozonais skirtingais būdais, ir ypač tai, kad „kairiojo“ ir „dešiniojo“ Z krūviai skiriasi. Šiame pasaulyje kairysis ir dešinysis elektronai yra skirtingos dalelės, ir tuo viskas baigiasi: nesistebime, pavyzdžiui, kad elektronas ir neutrinas turi skirtingus elektros krūvius: -1 ir 0.

Įtraukę elektrono masę, iš karto pasiekiame prieštaravimą. Greitas elektronas, kurio greitis artimas šviesos greičiui, o sukinys nukreiptas prieš judėjimo kryptį, atrodo beveik taip pat, kaip kairysis elektronas iš mūsų įsivaizduojamo pasaulio. Ir ji turėtų sąveikauti beveik taip pat. Jei jo sąveika siejama su Z-krūviu, tai Z-krūvio reikšmė yra „kairėje“, tokia pati kaip kairiojo elektrono iš įsivaizduojamo pasaulio. Tačiau masyvaus elektrono greitis vis dar yra mažesnis už šviesos greitį, ir jūs visada galite pereiti prie atskaitos sistemos, kuri juda dar greičiau. Naujoje sistemoje elektrono judėjimo kryptis pasikeis į priešingą, o sukimosi kryptis išliks ta pati.

Sukimosi projekcija į judėjimo kryptį dabar bus teigiama, ir toks elektronas atrodys dešinėje, o ne kairėje. Atitinkamai, jo Z krūvis turėtų būti toks pat kaip dešiniojo elektrono iš įsivaizduojamo pasaulio. Bet taip negali būti: mokesčio vertė neturėtų priklausyti nuo atskaitos sistemos. Prieštaravimas akivaizdus. Pabrėžiame, kad priėjome prie to, darydami prielaidą, kad Z įkrova yra išsaugota; kitu atveju nereikia kalbėti apie jo reikšmę duotai dalelei.

Šis prieštaravimas rodo, kad standartinio modelio simetrijos (dėl apibrėžtumo kalbėsime apie tai, nors viskas, kas buvo pasakyta, tinka bet kuriai kitai teorijos versijai) turėtų uždrausti masių egzistavimą ne tik W ± ir Z-bozonams. , bet ir fermionams. Bet ką su tuo turi simetrija?

Atsižvelgiant į tai, kad jie turėjo padėti išsaugoti Z mokestį. Išmatavę elektrono Z krūvį, galėtume vienareikšmiškai pasakyti, ar šis elektronas yra kairysis ar dešinysis. Ir tai įmanoma tik tada, kai elektrono masė lygi nuliui.

Taigi pasaulyje, kuriame visos standartinio modelio simetrijos būtų realizuojamos taip pat, kaip ir elektrodinamika, visų elementariųjų dalelių masė būtų nulinė. Tačiau realiame pasaulyje jie turi mases, o tai reiškia, kad kažkas turi atsitikti su standartinio modelio simetrija.

Simetrijos laužymas

Kalbėdami apie simetrijos ryšį su gamtosaugos dėsniais ir draudimais, mes pamiršome vieną aplinkybę. Jį sudaro tai, kad išsaugojimo įstatymai ir simetrijos draudimai vykdomi tik tada, kai simetrija yra aiškiai išreikšta. Tačiau simetrijos taip pat gali būti pažeistos. Pavyzdžiui, vienalyčiame geležies mėginyje kambario temperatūroje gali būti magnetinis laukas, nukreiptas viena kryptimi; tada pavyzdys yra magnetas. Jei jos viduje gyventų mikroskopinės būtybės, jos pastebėtų, kad ne visos erdvės kryptys yra vienodos. Lorenco jėga veikia elektroną, skrendantį per magnetinį lauką iš magnetinio lauko pusės, o jėga neveikia palei juo skrendančio elektrono. Elektronas juda išilgai magnetinio lauko tiesia linija, per lauką – ratu, o apskritai – spirale. Todėl pavyzdžio viduje esantis magnetinis laukas pažeidžia simetriją sukimosi erdvėje atžvilgiu. Šiuo atžvilgiu kampinio momento išsaugojimo dėsnis nesilaiko ir magneto viduje: kai elektronas juda spirale, kampinio momento projekcija į magnetiniam laukui statmeną ašį laikui bėgant kinta.

Čia kalbama apie spontanišką simetrijos pažeidimą. Nesant išorinių poveikių (pavyzdžiui, Žemės magnetinio lauko) skirtinguose geležies pavyzdžiuose, magnetinis laukas gali būti nukreiptas skirtingomis kryptimis ir nė viena iš šių krypčių nėra geresnė už kitą. Pradinė simetrija sukimų atžvilgiu vis dar yra, ir tai pasireiškia tuo, kad magnetinis laukas mėginyje gali būti nukreiptas bet kur. Tačiau atsiradus magnetiniam laukui, atsirado pageidaujama kryptis ir magneto viduje esanti simetrija buvo pažeista. Formalesniu lygmeniu lygtys, reguliuojančios geležies atomų sąveiką tarpusavyje ir su magnetiniu lauku, yra simetriškos sukimosi erdvėje atžvilgiu, tačiau šių atomų sistemos – geležies pavyzdžio – būsena yra asimetriška. Tai spontaniško simetrijos trūkimo reiškinys. Atkreipkite dėmesį, kad čia kalbame apie palankiausią būseną, turinčią mažiausią energiją; tokia būsena vadinama bazine. Būtent čia bus geležies mėginys, net jei iš pradžių jis nebuvo įmagnetintas.

Taigi, spontaniškas tam tikros simetrijos lūžimas vyksta tada, kai teorijos lygtys yra simetriškos, o pagrindinė būsena – ne. Žodis „spontaniškas“ šiuo atveju vartojamas kalbant apie tai, kad pati sistema, be mūsų dalyvavimo, pasirenka asimetrinę būseną, nes būtent ši būsena yra energetiškai naudingiausia. Iš pateikto pavyzdžio aišku, kad jei simetrija spontaniškai sulaužoma, tai iš to kylantys gamtosaugos įstatymai ir draudimai neveikia; mūsų pavyzdyje tai reiškia kampinio momento išsaugojimą. Pabrėžiame, kad visišką teorijos simetriją galima sulaužyti tik iš dalies: mūsų pavyzdyje iš visiškos simetrijos visų sukimų erdvėje atžvilgiu simetrija sukimosi aplink magnetinio lauko kryptį atžvilgiu išlieka aiški, nesulaužyta.

Mikroskopinės būtybės, gyvenančios magneto viduje, gali užduoti sau klausimą: „Mūsų pasaulyje ne visos kryptys yra vienodos, kampinis impulsas neišsaugomas, bet ar erdvė tikrai asimetriška sukimosi atžvilgiu? Ištyrę elektronų judėjimą ir sukūrę atitinkamą teoriją (šiuo atveju elektrodinamiką), jie būtų supratę, kad atsakymas į šį klausimą yra neigiamas: jo lygtys yra simetriškos, tačiau ši simetrija spontaniškai nutrūksta dėl „išsiliejusio“ magneto. visur laukas. Plėtodami teoriją toliau, jie numatytų, kad laukas, atsakingas už spontanišką simetrijos lūžimą, turėtų turėti savo kvantus – fotonus. O magneto viduje sukonstravę nedidelį greitintuvą, mielai įsitikintume, kad šie kvantai tikrai egzistuoja – jie gimsta elektronų susidūrimo metu!

Apskritai, elementariųjų dalelių fizikos situacija yra panaši į aprašytąją. Tačiau yra ir svarbių skirtumų. Pirma, nereikia kalbėti apie jokią terpę, pavyzdžiui, geležies atomų kristalinę gardelę. Gamtoje būsena su mažiausia energija yra vakuumas (pagal apibrėžimą!). Tai nereiškia, kad vakuume – pagrindinėje gamtos būsenoje – negali būti tolygiai „išsiliejusių“ laukų, panašių į magnetinį lauką mūsų pavyzdyje. Priešingai, neatitikimai, apie kuriuos kalbėjome, rodo, kad Standartinio modelio simetrijos (tiksliau, dalis jų) turi būti savaime sulaužytos, o tai rodo, kad vakuume yra kažkoks laukas, užtikrinantis šį pažeidimą. Antra, mes kalbame ne apie erdvėlaikį, kaip mūsų pavyzdyje, o apie vidines simetrijas. Priešingai, erdvės ir laiko simetrijos neturėtų būti pažeistos dėl lauko buvimo vakuume. Iš to išplaukia svarbi išvada: skirtingai nei magnetinis laukas, šis laukas neturėtų pasirinkti jokios krypties erdvėje (tiksliau, erdvėlaikyje, nes mes susiduriame su reliatyvistine fizika). Šią savybę turintys laukai vadinami skaliariniais; jie atitinka sukinio daleles 0. Todėl laukas „išsiliejo“ vakuume ir veda į simetrijos lūžimą, turi būti iki šiol nežinomas, naujas. Iš tiesų žinomi laukai, kuriuos aiškiai arba netiesiogiai minėjome aukščiau – elektromagnetinis laukas, laukai W ± – ir Z-bozonai, gliuonai – atitinka sukinio 1 daleles. Tokie laukai išskiria kryptis erdvėje ir yra vadinami vektoriais, ir mums reikia lauko skaliario. Laukai, atitinkantys fermionus (sukimas 1/2), taip pat netinka. Trečia, naujasis laukas neturėtų visiškai pažeisti standartinio modelio simetrijos, o vidinė elektrodinamikos simetrija turėtų išlikti nepažeista. Galiausiai, ir tai yra svarbiausia, naujo lauko, „išsiliejusio“ vakuume, sąveika su W ± - ir Z-bozonais, elektronais ir kitais fermionais turėtų lemti masių atsiradimą šiose dalelėse.

Dalelių, kurių sukinys 1 (gamtoje tai yra W ± ir Z-bozonai) masių susidarymo mechanizmą dėl savaiminio simetrijos lūžimo elementariųjų dalelių fizikos kontekste pasiūlė Briuselio teoretikai François Engler ir Robert Braut 1964 m. šiek tiek vėliau - fizikas iš Edinburgo Peteris Higgsas ...

Tyrėjai rėmėsi spontaniško simetrijos laužymo koncepcija (tačiau teorijose be vektorinių laukų, tai yra be sukinio 1 dalelių), kurią 1960-1961 metais savo darbuose pristatė J. Nambu, jis kartu su J. Yona- Lasinio, V. G. Wax ir A. I. Larkin, J. Goldstone (Yoichiro Nambu už šį darbą 2008 m. gavo Nobelio premiją). Skirtingai nei ankstesni autoriai, Engleris, Brautas ir Higgsas laikė teoriją (tuo metu spekuliatyvią), kurioje yra ir skaliariniai (sukinys 0), ir vektoriniai laukai (sukinys 1). Šioje teorijoje egzistuoja vidinė simetrija, visiškai analogiška elektrodinamikos simetrijai, kuri lemia elektros krūvio išsaugojimą ir fotono masės draudimą. Tačiau skirtingai nei elektrodinamika, vidinę simetriją spontaniškai pažeidžia vienodas skaliarinis laukas vakuume. Puikus Englerio, Brauto ir Higgso rezultatas buvo įrodymas, kad šis simetrijos lūžis automatiškai sukelia masės atsiradimą sukimosi 1 dalelėje - vektoriaus lauko kvante!

Gana paprastas Englerio – Brauto – Higso mechanizmo apibendrinimas, siejamas su fermionų įtraukimu ir jų sąveika su simetriją laužančiu skaliariniu lauku teorijoje, veda prie masės atsiradimo ir fermionuose. Viskas pradeda stoti į savo vietas! Standartinis modelis gaunamas kaip papildomas apibendrinimas. Dabar jame yra ne vienas, o keli vektoriniai laukai - fotonas, W ± - ir Z-bozonai (gliuonai yra atskira istorija, jie neturi nieko bendra su Englerio-Braut-Higgso mechanizmu) ir skirtingų tipų fermionai. Paskutinis žingsnis iš tikrųjų yra visai nebanalus; Stevenas Weinbergas, Sheldonas Glashowas ir Abdusas Salamas 1979 m. gavo Nobelio premiją už išsamios silpnosios ir elektromagnetinės sąveikos teorijos suformulavimą.

Grįžkime į 1964 m. Analizuodami savo teoriją, Engleris ir Brautas laikėsi gana išgalvoto požiūrio pagal šiandienos standartus. Tikriausiai todėl jie nepastebėjo, kad kartu su masyvia sukinio 1 dalele teorija numato ir kitos dalelės egzistavimą – bozoną, kurio sukimasis yra 0. Tačiau Higgsas pastebėjo, ir dabar ši nauja besikis dalelė dažnai vadinama Higso bozonu. . Kaip jau minėta, ši terminija nėra visiškai teisinga: pirmą kartą Engleris ir Brautas pasiūlė naudoti skaliarinį lauką spontaniškam simetrijos laužymui ir sukinio 1 dalelių masėms generuoti. Nesileidžiant į daugiau terminų, pabrėžiame, kad naujasis bozonas su nuliniu sukimu yra paties skaliarinio lauko, kuris pažeidžia simetriją, kvantas. Ir tai yra jo išskirtinumas.

Čia reikia paaiškinti. Pakartojame, kad jei nebūtų spontaniško simetrijos trūkimo, W ± - ir Z-bozonai būtų bemasiai. Kiekvienas iš trijų bozonų W +, W -, Z turėtų, kaip ir fotonas, dvi poliarizacijas. Iš viso, laikant skirtingos poliarizacijos daleles nelygiomis, turėtume 2 × 3 = 6 tipų W ± - ir Z-bozonus. Standartiniame modelyje W ± - ir Z-bozonai yra masyvūs, kiekvienas iš jų turi tris sukimosi būsenas, tai yra tris poliarizacijas, iš viso 3 × 3 = 9 dalelių tipai - laukų W ± kvantai, Z. Kyla klausimas, iš kur atsirado trys „papildomi“ tipai? kvantai? Esmė ta, kad standartiniame modelyje reikia turėti ne vieną, o keturis skaliarinius Englerio – Brauto – Higso laukus. Vieno iš jų kvantas yra Higso bozonas. O kitų trijų kvantai dėl spontaniško simetrijos lūžimo tiesiog virsta trimis „papildomais“ kvantais, kurie yra didžiuliuose W ± ir Z bozonuose. Jie buvo rasti seniai, kol žinoma, kad W ± - ir Z-bozonai turi masę: trys "papildomos" sukimosi būsenos W + -, W - ir Z-bozonai - štai jie.

Ši aritmetika, beje, sutinka su tuo, kad visi keturi Englerio – Brauto – Higso laukai yra skaliariniai, jų kvantai turi nulinį sukinį. Bemasių W ± - ir Z-bozonų sukimosi projekcijos judėjimo kryptimi būtų lygios -1 ir +1. Masyvių W ± - ir Z bozonų atveju šios projekcijos įgyja reikšmes -1, 0 ir +1, tai yra, „papildomi“ kvantai turi nulinę projekciją. Trys Englerio – Brauto – Higso laukai, iš kurių gaunami šie „papildomi“ kvantai, taip pat turi nulinę sukimosi projekciją į judėjimo kryptį, nes jų sukimosi vektorius yra lygus nuliui. Visa tai dera kartu.

Taigi, Higso bozonas yra vieno iš keturių Angler-Braut-Higgs skaliarinių laukų kvantas standartiniame modelyje. Tris kitus suvalgo (mokslinis terminas!) W ± - ir Z-bozonai, virsdami trečiąja, trūkstama sukimosi būsena.

Ar jums tikrai reikia naujo bozono?

Labiausiai stebinantis dalykas šioje istorijoje yra tai, kad šiandien mes suprantame, jog Englerio – Brauto – Higso mechanizmas jokiu būdu nėra vienintelis įmanomas mechanizmas, leidžiantis sugriauti simetriją mikropasaulio fizikoje ir generuoti elementariųjų dalelių mases, o Higso bozonas gali to nedaryti. egzistuoja. Pavyzdžiui, kondensuotų terpių (skysčių, kietųjų kūnų) fizikoje yra daug spontaniško simetrijos lūžimo pavyzdžių ir įvairių šio lūžimo mechanizmų. Ir daugeliu atvejų juose nėra nieko panašaus į Higso bozoną.

Artimiausias Standartinio modelio savaiminio simetrijos trūkimo vakuume kietojo kūno analogas yra spontaniškas vidinės elektrodinamikos simetrijos trūkimas superlaidininko storyje. Tai veda prie to, kad superlaidininkyje fotonas tam tikra prasme turi masę (kaip W ± ir Z-bozonai vakuume). Tai pasireiškia Meisnerio efektu – magnetinio lauko išstūmimu iš superlaidininko. Fotonas „nenori“ prasiskverbti į superlaidininką, kur jis tampa masyvus: jam ten „sunku“, ten būti energetiškai nenaudinga (atminkite: E = mc 2). Magnetinis laukas, kurį šiek tiek sutartinai galima laikyti fotonų rinkiniu, turi tą pačią savybę: jis neprasiskverbia į superlaidininką. Tai yra Meissnerio efektas.

Efektyvioji Ginzburgo – Landau superlaidumo teorija itin panaši į Englerio – Brauto – Higso teoriją (tiksliau, priešingai: Ginzburgo – Landau teorija yra 14 metų senesnė). Jame taip pat yra skaliarinis laukas, kuris tolygiai „paskleistas“ virš superlaidininko ir sukelia spontanišką simetrijos nutrūkimą. Tačiau Ginzburgo – Landau teorija ne veltui vadinama veiksminga: ji fiksuoja, vaizdžiai tariant, išorinę reiškinio pusę, tačiau yra visiškai neadekvati suprasti esmines, mikroskopines superlaidumo priežastis. Tiesą sakant, superlaidininke nėra skaliarinio lauko, jame yra elektronų ir kristalų gardelės, o superlaidumą lemia ypatingos elektronų sistemos pagrindinės būsenos savybės, atsirandančios dėl jų sąveikos (žr. Mokslas ir gyvenimas, Nr. 2, 2004, straipsnis "- Apytikslis leidimas).

Ar negalėtų panašus vaizdas susidaryti mikropasaulyje? Ar nepasirodys, kad vakuume „išsiliejo“ pamatinis skaliarinis laukas, o spontanišką simetrijos lūžimą lemia visai kitos priežastys? Jei ginčysime grynai teoriškai ir nekreipsime dėmesio į eksperimentinius faktus, tai atsakymas į šį klausimą yra teigiamas. Geras pavyzdys yra vadinamasis technicolor modelis, kurį 1979 metais pasiūlė jau minėtas Stevenas Weinbergas ir – nepriklausomai – Leonardas Susskindas.

Jame nėra fundamentalių skaliarinių laukų ar Higso bozono, o vietoj jų daug naujų elementariųjų dalelių, savo savybėmis primenančių kvarkus. Būtent jų sąveika lemia spontanišką simetrijos lūžimą ir W ± - bei Z-bozonų masių susidarymą. Su žinomų fermionų masėmis, pavyzdžiui, elektronu, situacija yra prastesnė, tačiau šią problemą galima išspręsti sudėtinginant teoriją.

Dėmesingas skaitytojas gali užduoti klausimą: „O kaip dėl ankstesnio skyriaus argumentų, teigiančių, kad skaliarinis laukas turi sugriauti simetriją? Čia yra spraga ta, kad šis skaliarinis laukas gali būti sudėtinis ta prasme, kad atitinkamos dalelės kvantai nėra elementarios, o susideda iš kitų, „tikrų“ elementariųjų dalelių.

Prisiminkime Heizenbergo kvantinės-mechaninės neapibrėžties santykį Δх × Δр ≥ ћ, kur Δх ir Δр yra atitinkamai koordinačių ir impulsų neapibrėžtis. Viena iš jos apraiškų yra ta, kad sudėtinių objektų, kurių būdingas vidinis dydis Δx, struktūra pasireiškia tik procesuose, kuriuose dalyvauja dalelės, kurių momentas yra pakankamai didelis p ≥ / Δx, taigi ir pakankamai didelės energijos. Čia dera prisiminti Rutherfordą, kuris tuo metu bombardavo atomus didelės energijos elektronais ir taip išsiaiškino, kad atomai susideda iš branduolių ir elektronų. Žvelgiant į atomus per mikroskopą net su pažangiausia optika (tai yra naudojant šviesą – mažos energijos fotonus), neįmanoma aptikti, kad atomai yra sudėtinės, o ne elementarios taškinės dalelės: nepakanka raiškos.

Taigi, esant žemai energijai, sudėtinė dalelė atrodo kaip elementarioji. Norint veiksmingai apibūdinti tokias daleles esant žemai energijai, jos gali būti laikomos tam tikro lauko kvantais. Jei sudėtinės dalelės sukinys lygus nuliui, tai šis laukas yra skaliarinis.

Panaši situacija suvokiama, pavyzdžiui, π-mezonų, dalelių, kurių sukinys yra 0, fizikoje. Iki septintojo dešimtmečio vidurio nebuvo žinoma, kad jie susideda iš kvarkų ir antikvarkų (kvarkų sudėtis π + -, π - - ir π 0 -mezonai - tai atitinkamai ud̃, dũ ir uũ bei dd̃ derinys).

Tada π-mezonai buvo aprašyti elementariais skaliariniais laukais. Dabar žinome, kad šios dalelės yra sudėtinės, tačiau „senoji“ π-mezonų lauko teorija lieka galioti, nes atsižvelgiama į mažos energijos procesus. Tik esant 1 GeV ir didesnei energijai, pradeda reikštis jų kvarkų struktūra, o teorija nustoja veikti. 1 GeV energijos skalė čia atsirado neatsitiktinai: tai stiprios sąveikos, sujungiančios kvarkus į π-mezonus, protonus, neutronus ir kt., skalė, tai yra stipriai sąveikaujančių dalelių masių skalė, pvz. protonas. Atkreipkite dėmesį, kad patys π-mezonai išsiskiria: dėl priežasties, apie kurią čia nekalbėsime, jų masė yra daug mažesnė: m π ± = 140 MeV, m π0 = 135 MeV.

Taigi, skaliariniai laukai, atsakingi už spontanišką simetrijos pažeidimą, iš esmės gali būti sudėtiniai. Būtent tokią situaciją numato technicolor modelis. Šiuo atveju trys besuklio kvantai, kuriuos sunaudoja W ± - ir Z-bozonai ir tampa jų trūkstamomis sukimosi būsenomis, turi artimą analogiją su π + -, π - - ir π 0 -mezonais. Tik atitinkama energijos skalė jau ne 1 GeV, o keli TeV. Tokiame paveikslėlyje tikimasi daugybės naujų sudedamųjų dalelių - protono, neutrono ir kt. analogų. - su kelių TeV masėmis. Priešingai, palyginti lengvo Higso bozono jame nėra. Dar viena modelio ypatybė – jame esantys W ± ir Z-bozonai iš dalies yra sudėtinės dalelės, kadangi, kaip minėjome, kai kurie jų komponentai yra analogiški π-mezonams. Tai turėjo pasireikšti W ± - ir Z-bozonų sąveikoje.

Būtent pastaroji aplinkybė lėmė, kad technicolor modelis (bent jau pradinėje formulėje) buvo atmestas dar gerokai prieš naujo bozono atradimą: tikslūs W ± ir Z-bozonų savybių matavimai LEP ir SLC. nesutinka su modelio prognozėmis.

Šią gražią teoriją nugalėjo atkaklūs eksperimentiniai faktai, o Higso bozono atradimas padėjo jai galutinį kryžių. Nepaisant to, man, kaip ir daugeliui kitų teoretikų, sudėtinių skaliarinių laukų idėja yra patrauklesnė nei Englerio – Brauto – Higso teorija su elementariais skaliariniais laukais. Žinoma, CERN atradus naują bozoną, kompozicijos idėja atsidūrė dar sunkesnėje padėtyje nei anksčiau: jei ši dalelė yra sudėtinė, ji turėtų būti pakankamai sėkminga, kad imituotų elementarųjį Higgso bozoną. Ir vis dėlto lauksime ir žiūrėsime, ką parodys LHC eksperimentai, pirmiausia tikslesni naujojo bozono savybių matavimai.

Atradimas padarytas. Kas toliau?

Kaip darbinę hipotezę grįžkime prie minimalios teorijos versijos – Standartinio modelio su vienu elementariu Higso bozonu. Kadangi šioje teorijoje būtent Englerio – Brauto – Higso laukas (tiksliau – laukai) suteikia mases visoms elementarioms dalelėms, tai kiekvienos iš šių dalelių sąveika su Higso bozonu yra standžiai fiksuota. Kuo didesnė dalelių masė, tuo stipresnė sąveika; kuo stipresnė sąveika, tuo didesnė tikimybė, kad Higso bozonas suirs į tam tikro tipo dalelių porą. Higso bozono skilimas į realių dalelių tt̃, ZZ ir W + W- poras yra draudžiamas energijos tvermės dėsniu. Reikalaujama, kad skilimo produktų masių suma būtų mažesnė už skilimo dalelės masę (vėl prisiminkime E = mc 2), o mūsų atveju, primename, mn ≈ 125 GeV, mt = 173 GeV, mz = 91 GeV ir mw = 80 GeV. Kitas pagal masę yra b kvarkas, kurio m b = 4 GeV, todėl, kaip minėjome, Higso bozonas lengviausiai skyla į porą bb̃. Įdomus yra Higso bozono skilimas į gana sunkių τ-leptonų porą H → τ + τ - (τ m = 1,8 GeV), kuris įvyksta su 6% tikimybe. Skilimas H → μ + μ - (m μ = 106 MeV) turėtų įvykti su dar mažesne, bet vis tiek neišnykstančia 0,02 % tikimybe. Be aukščiau aptartų H → γγ skilimų; H → 4ℓ ir H → 2ℓ2ν, pažymime skilimą H → Zγ, kurio tikimybė turėtų būti 0,15%. Visas šias tikimybes galima išmatuoti LHC, ir bet koks nukrypimas nuo šių prognozių reikš, kad mūsų darbo hipotezė – standartinis modelis – yra neteisinga. Ir atvirkščiai, sutikimas su standartinio modelio prognozėmis vis labiau įtikins mus jo pagrįstumu.

Tą patį galima pasakyti ir apie Higso bozono susidarymą protonų susidūrimų metu. Higso bozonas gali būti sukurtas vienas sąveikaujant dviem gliuonams, kartu su pora didelės energijos šviesos kvarkų, kartu su vienu W arba Z bozonu arba, galiausiai, kartu su tt̃ pora. Kartu su Higso bozonu susidariusias daleles galima aptikti ir identifikuoti, todėl skirtingus gamybos mechanizmus galima tirti LHC atskirai. Taigi galima išgauti informaciją apie Higso bozono sąveiką su W ± -, Z-bozonais ir t-kvarku.

Galiausiai, svarbi Higso bozono savybė yra jo sąveika su pačiu savimi. Tai turėtų pasireikšti procese Н * → НН, kur Н * yra virtuali dalelė. Šios sąveikos ypatybes taip pat vienareikšmiškai numato Standartinis modelis. Tačiau jo tyrimas – tolimos ateities reikalas.

Taigi, LHC turi plačią programą, skirtą naujojo bozono sąveikai tirti. Jį įgyvendinus taps daugiau ar mažiau aišku, ar Standartinis modelis apibūdina gamtą, ar kalbame su kokia nors kita, sudėtingesne (ir galbūt paprastesne) teorija. Tolesnė pažanga siejama su reikšmingu matavimų tikslumo padidėjimu; tam reikės sukurti naują elektronų-pozitronų greitintuvą – e + e – greitintuvą, kurio energija būtų rekordinė tokio tipo mašinoms. Gali būti, kad pakeliui mūsų laukia daug netikėtumų.

Vietoj išvados: ieškant „naujos fizikos“

„Techniniu“ požiūriu standartinis modelis yra nuoseklus. Tai yra, jos rėmuose galima - bent jau iš principo, bet paprastai praktiškai - apskaičiuoti bet kokį fizikinį dydį (žinoma, susijusį su reiškiniais, kuriuos ketinama apibūdinti), o rezultatas nebus turi neaiškumų. Nepaisant to, daugelis, nors ir ne visi, teoretikų mano, kad padėtis standartiniame modelyje, švelniai tariant, nėra visiškai patenkinama. Ir tai visų pirma dėl jo energijos masto.

Kaip aišku iš to, kas išdėstyta pirmiau, standartinio modelio energijos skalė yra M cm = 100 GeV (čia nekalbame apie stiprią sąveiką su 1 GeV skale, su juo viskas lengviau). Tai yra W ± - ir Z bozonų bei Higso bozono masės skalė. Ar tai daug ar mažai? Eksperimentiniu požiūriu - beveik, bet teoriniu požiūriu ...

Fizikoje yra dar viena energijų skalė. Jis yra susijęs su gravitacija ir yra lygus Planko masei M pl = 10 19 GeV. Esant mažoms energijoms, gravitacinė sąveika tarp dalelių yra nereikšminga, tačiau jos didėja didėjant energijai, o esant M pl eilės energijoms, gravitacija tampa stipri. Energijos virš M pl yra kvantinės gravitacijos sritis, kad ir kokia ji būtų. Mums svarbu, kad gravitacija yra bene pagrindinė sąveika, o gravitacinė skalė M pl yra pagrindinė energijos skalė. Kodėl tada standartinio modelio skalė Mcm = 100 GeV taip toli nuo M pl = 1019 GeV?

Ši problema turi dar vieną subtilesnį aspektą. Tai siejama su fizinio vakuumo savybėmis. Kvantinėje teorijoje vakuumas – pagrindinė gamtos būsena – turi labai nebanalią struktūrą. Joje visą laiką gimsta ir sunaikinamos virtualios dalelės; kitaip tariant, susidaro ir išnyksta lauko svyravimai. Mes negalime tiesiogiai stebėti šių procesų, tačiau jie turi įtakos stebimoms elementariųjų dalelių, atomų ir kt. savybėms. Pavyzdžiui, elektrono sąveika atome su virtualiais elektronais ir fotonais sukelia atomų spektruose stebimą reiškinį – Lamb poslinkį. Kitas pavyzdys: elektrono arba miuono magnetinio momento (anomalaus magnetinio momento) korekcija taip pat yra dėl sąveikos su virtualiomis dalelėmis. Šie ir panašūs efektai buvo apskaičiuoti ir išmatuoti (nurodytais atvejais fantastiškai tiksliai!), Kad galėtume būti tikri, kad turime teisingą fizinio vakuumo vaizdą.

Šiame paveikslėlyje visi parametrai, iš pradžių įtraukti į teoriją, dėl sąveikos su virtualiosiomis dalelėmis gauna pataisymus, vadinamus radiaciniais. Kvantinėje elektrodinamikoje jie yra maži, tačiau Engler-Braut-Higgs sektoriuje jie yra didžiuliai. Tai yra elementarių skaliarinių laukų, sudarančių šį sektorių, ypatumas; kiti laukai šios savybės neturi. Pagrindinis efektas yra tas, kad spinduliavimo korekcijos linkusios „patraukti“ standartinio modelio M cm energijos skalę iki gravitacinės skalės M pl. Jei liksime Standartinio modelio rėmuose, tai vienintelė išeitis – pasirinkti pradinius teorijos parametrus, kad kartu su spinduliavimo pataisomis jie lemtų teisingą M cm reikšmę.Tačiau pasirodo, kad montavimo tikslumas turėtų būti artimas M cm 2 / M pl 2 = 10 -34! Tai antrasis standartinio modelio energijos masto problemos aspektas: mažai tikėtina, kad toks atitikimas įvyktų gamtoje.

Daugelis (nors kartojame, ne visi) teoretikų mano, kad ši problema aiškiai rodo poreikį peržengti standartinį modelį. Iš tiesų, jei standartinis modelis nustos veikti arba žymiai išplės "naujosios fizikos - NF" energijos skalę M nf, tada reikalingas parametrų pritaikymo tikslumas bus, grubiai tariant, M 2 cm / M 2 nf, bet iš tikrųjų yra dviem eilėmis mažiau. Jei darysime prielaidą, kad gamtoje nėra tikslaus parametrų derinimo, tada „naujosios fizikos“ skalė turėtų būti 1–2 TeV srityje, tai yra, tik regione, prieinamame tyrimams Didžiojo hadronų greitintuvo!

Kas galėtų būti „naujoji fizika“? Teoretikai šiuo klausimu nesutaria. Vienas iš variantų yra sudėtinis skaliarinių laukų pobūdis, užtikrinantis spontanišką simetrijos nutraukimą, kuris jau buvo aptartas. Kita, taip pat populiari (kol kas?) galimybė yra supersimetrija, apie kurią pasakysime tik tiek, kad ji numato visą zoologijos sodą naujų dalelių, kurių masės siekia šimtus GeV – kelių TeV. Aptariami ir labai egzotiški variantai, tokie kaip papildomi erdvės matmenys (pavyzdžiui, vadinamoji M teorija – žr. Mokslas ir gyvenimas, 1997 m. Nr. 2, 3, straipsnis „Superstygos: Towards a Theory of Everything“. Red..).

Nepaisant visų pastangų, iki šiol nebuvo gauta jokių eksperimentinių „naujosios fizikos“ požymių. Tai, tiesą sakant, jau pradeda kelti nerimą: ar viską teisingai suprantame? Tačiau visai gali būti, kad energijos ir surenkamų duomenų kiekiu „naujosios fizikos“ dar nepasiekėme ir su tuo bus susiję nauji, revoliuciniai atradimai. Čia pagrindinės viltys vėl dedamos į Didįjį hadronų greitintuvą, kuris po pusantrų metų pradės veikti pilna 13-14 TeV energija ir greitai rinks duomenis. Sekite naujienas!

Tiksliųjų matavimų ir atradimų mašinos

Dalelių fizikai, tiriančiai mažiausius gamtos objektus, reikia milžiniškų tyrimų įrenginių, kuriuose šios dalelės įsibėgėtų, susidurtų ir suyra. Galingiausi iš jų yra susidūrimai.

Greitintuvas Tai greitintuvas su besiliečiančiais dalelių pluoštais, kuriuose dalelės susiduria su kaktomuša, pavyzdžiui, elektronai ir pozitronai e + e - priešpriešiniuose srautuose. Iki šiol taip pat buvo sukurti protonų-antiprotonų, protonų-protonų, elektronų-protonų ir branduolio-branduolinių (arba sunkiųjų jonų) kolidatoriai. Kitos galimybės, pavyzdžiui, μ + μ - -kolideris, vis dar svarstomos. Pagrindiniai elementariųjų dalelių fizikos greitintuvai yra protonas-antiprotonas, protonas-protonas ir elektronas-pozitronas.

Didysis hadronų greitintuvas (LHC)- protonas-protonas, jis pagreitina du protonų pluoštus, vieną į kitą (gali veikti ir kaip sunkusis jonų greitintuvas). Protonų projektinė energija kiekviename iš pluoštų yra 7 TeV, taigi bendra susidūrimo energija yra 14 TeV. 2011 m. greitintuvas veikė per pusę šios energijos, o 2012 m. – bendra 8 TeV energija. Didysis hadronų greitintuvas – tai 27 km ilgio žiedas, kuriame protonai pagreitina elektrinius laukus ir sulaiko superlaidžių magnetų sukurtus laukus. Protonų susidūrimai vyksta keturiose vietose, kur yra detektoriai, registruojantys susidūrimų metu susidariusias daleles. ATLAS ir CMS yra skirti didelės energijos dalelių fizikos tyrimams; LHC-b skirta dalelėms, kuriose yra b-kvarkų, tirti, o ALICE skirta karštai ir tankiai kvarkų-gliuono medžiagai tirti.

Spp̃S- protonų-antiprotonų greitintuvas CERN. Žiedo ilgis – 6,9 km, maksimali susidūrimo energija – 630 GeV. Dirbo 1981–1990 m.

LEP- žiedinis elektronų-pozitronų greitintuvas, kurio didžiausia susidūrimo energija yra 209 GeV, esantis tame pačiame tunelyje kaip ir LHC. Jis dirbo nuo 1989 iki 2000 m.

SLC- Tiesinis elektronų-pozitronų greitintuvas SLAC, JAV. Susidūrimo energija yra 91 GeV (Z-bozono masė). Jis dirbo 1989–1998 m.

Tevatron yra protonų ir antiprotonų žiedų greitintuvas Fermilab mieste, JAV. Žiedo ilgis 6 km, maksimali susidūrimo energija – 2 TeV. Jis dirbo nuo 1987 iki 2011 m.

Lyginant protonų-protonų ir protonų-antiprotonų greitintuvus su elektronų-pozitronų greitintuvais, reikia turėti omenyje, kad protonas yra sudėtinė dalelė, jame yra kvarkų ir gliuonų. Kiekvienas iš šių kvarkų ir gliuonų neša tik dalį protono energijos. Todėl, pavyzdžiui, didžiajame hadronų greitintuve elementaraus susidūrimo energija (tarp dviejų kvarkų, tarp dviejų gliuonų arba kvarko su gliuonu) yra pastebimai mažesnė nei bendra susidūrimo protonų energija (14 TeV pagal projektinius parametrus). . Dėl šios priežasties energijos diapazonas, kurį galima tirti, siekia „tik“ 2–4 TeV, priklausomai nuo tiriamo proceso. Elektronų-pozitronų greitintuvai tokios savybės neturi: elektronas yra elementari, bestruktūrė dalelė.

Protonų-protonų (ir protonų-antiprotonų) greitintuvų privalumas yra tas, kad net ir atsižvelgiant į šią savybę, su jais techniškai lengviau pasiekti didelę susidūrimo energiją nei naudojant elektronų-pozitronų greitintuvus. Yra ir minusas. Dėl sudėtinės protono struktūros, taip pat dėl ​​to, kad kvarkai ir gliuonai tarpusavyje sąveikauja daug stipriau nei elektronai su pozitronais, protonų susidūrimuose įvyksta daug daugiau įvykių, kurie nėra įdomūs paieškos požiūriu. Higso bozonas ar kitos naujos dalelės ir reiškiniai. Įdomūs įvykiai protonų susidūrimuose atrodo labiau „nešvarūs“, juose gimsta daug „pašalinių“, neįdomių dalelių. Visa tai sukuria „triukšmą“, iš kurio naudingą signalą išgauti yra sunkiau nei elektronų-pozitronų greitintuvuose. Atitinkamai, matavimo tikslumas yra mažesnis. Dėl viso to protonų-protonų (ir protonų-antiprotonų) greitintuvai vadinami atradimo mašinomis, o elektronų-pozitronų greitintuvai – tikslaus matavimo mašinomis.

Standartinis nuokrypis(standartinis nuokrypis) σ х - išmatuotos vertės atsitiktinių nuokrypių nuo vidutinės vertės charakteristika. Tikimybė, kad išmatuota X reikšmė atsitiktinai skirsis 5σ x nuo tikrosios vertės, yra tik 0,00006%. Štai kodėl elementariųjų dalelių fizikoje signalo nuokrypis nuo fono 5σ laikomas pakankamu, kad signalas būtų pripažintas tikru.

Dalelės išvardyti Standartiniame modelyje, išskyrus protoną, elektroną, neutriną ir jų antidaleles, yra nestabilūs: skyla į kitas daleles. Tačiau du iš trijų neutrinų tipų taip pat turėtų būti nestabilūs, tačiau jų gyvavimo laikas itin ilgas. Mikrokosmoso fizikoje veikia principas: viskas, kas gali atsitikti, iš tikrųjų vyksta. Todėl dalelės stabilumas yra susijęs su tam tikru išsaugojimo dėsniu. Krūvio tvermės dėsnis draudžia elektronui ir pozitronui irti. Lengviausias neutrinas (sukimas 1/2) nesuyra dėl kampinio impulso išsaugojimo. Protono skilimą draudžia dar vieno „krūvio“, kuris vadinamas bariono skaičiumi, išsaugojimo dėsnis (protono bariono skaičius pagal apibrėžimą lygus 1, o lengvesnių dalelių – nuliui).

Kita vidinė simetrija yra susijusi su bariono skaičiumi. Ar jis tikslus, ar apytikslis, ar protonas stabilus, ar turi baigtinį, nors ir labai ilgą tarnavimo laiką, yra atskiros diskusijos objektas.

Kvarkai– viena iš elementariųjų dalelių rūšių. Laisvoje būsenoje jie nėra stebimi, bet visada yra sujungti vienas su kitu ir sudaro sudėtines daleles - hadronus. Vienintelė išimtis yra t-kvarkas, jis suyra prieš susijungdamas su kitais kvarkais ar antikvarkais į hadroną. Hadronai apima protoną, neutroną, π-mezonus, K-mezonus ir kt.

B kvarkas yra vienas iš šešių kvarkų tipų, antras pagal masę po t kvarko.

Miuonas yra sunkus nestabilus elektrono analogas, kurio masė m μ = 106 MeV. Miuono gyvavimo laikas T μ = 2 · 10 -6 sekundės yra pakankamai ilgas, kad jis nesuirdamas galėtų praskristi per visą detektorių.

Virtuali dalelė skiriasi nuo tikrosios tuo, kad realiai dalelei įvykdomas įprastas reliatyvistinis energijos ir impulso santykis E 2 = p 2 s 2 + m 2 s 4, o virtualiai – neįvykdytas. Tai įmanoma dėl kvantinio-mechaninio ryšio ΔE · Δt ~ ħ tarp energijos neapibrėžties ΔE ir proceso trukmės Δt. Todėl virtuali dalelė beveik akimirksniu suyra arba sunaikinama nuo kitos (jos gyvavimo laikas Δt yra labai trumpas), o tikroji gyvena daug ilgiau arba paprastai yra stabili.

Avinėlio lygio pakeitimas- nedidelis vandenilio atomo ir į vandenilį panašių atomų lygių smulkiosios struktūros nuokrypis, veikiant virtualių fotonų emisijai ir absorbcijai arba virtualiai sukuriant ir sunaikinant elektronų ir pozitronų poras. Efektą 1947 metais atrado amerikiečių fizikai W. Lambas ir R. Rutherfordas.