Noi, cei de la Quantuz (încercăm să ne alăturăm comunității GT) oferim traducerea secțiunii bosonului Higgs de pe particleadventure.org. În acest text, am exclus imaginile neinformative (vezi versiunea completă în original). Materialul va fi de interes pentru toți cei interesați de cele mai recente realizări în fizica aplicată.

Rolul bosonului Higgs

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

Teoria 1964

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

Indiferent de asta, alți fizicieni au construit o teorie a particulelor fundamentale, numită în cele din urmă „Modelul standard”, care a furnizat o acuratețe fenomenală (precizia experimentală a unor părți ale Modelului standard ajunge la 1 la 10 miliarde. Aceasta este echivalentă cu prezicerea distanței dintre New York și San Francisco cu o precizie de aproximativ 0,4 mm). Aceste eforturi s-au dovedit a fi strâns legate. Modelul standard avea nevoie de un mecanism pentru ca particulele să dobândească masă. Teoria câmpului a fost dezvoltată de Peter Higgs, Robert Braut, François Engler, Gerald Guralnik, Karl Hagen și Thomas Kibble.

boson

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

Care este masa unui boson?

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

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

La momentul în care LHC a început să colecteze date în 2010, experimentele pe alte acceleratoare au arătat că masa bosonului Higgs trebuie să fie mai mare de 115 GeV/s2. În timpul experimentelor de la LHC, s-a planificat să se caute dovezi ale unui boson în intervalul de masă 115-600 GeV/s2 sau chiar mai mare de 1000 GeV/s2.

În fiecare an, experimental, a fost posibilă excluderea bosonilor cu mase mari. În 1990 se știa că masa căutată ar trebui să fie mai mare de 25 GeV/s2, iar în 2003 s-a dovedit că mai mult de 115 GeV/s2

Coliziunile la Large Hadron Collider pot da naștere la o mulțime de lucruri interesante

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

« ... rămășițele [ale exploziei] din această parte a spațiului nu au fost vizibile de când Universul s-a răcit acum 14 miliarde de ani - primăvara vieții este trecătoare, mereu și din nou în toate variațiile sale posibile, ca și cum Universul ar fi participat la propria sa versiune a filmului Groundhog Day»

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

Anunţ

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

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

Dar mai întâi, să aruncăm o privire asupra fundalului.

Focuri de artificii 4 iulie

Pe 4 iulie 2012, șefii experimentelor ATLAS și CMS de la Large Hadron Collider au prezentat cele mai recente rezultate de căutare pentru bosonul Higgs. S-a zvonit că urmau să raporteze mai mult decât un raport asupra rezultatelor, dar ce?

Desigur, când au fost prezentate rezultatele, ambele colaborări care au efectuat experimentele au raportat că au găsit dovezi ale existenței unei particule „cum ar fi bosonul Higgs” cu o masă de aproximativ 125 GeV. A fost cu siguranță o particulă și, dacă nu este bosonul Higgs, atunci o imitație de foarte bună calitate a acesteia.

Dovezile nu erau dubioase, oamenii de știință au avut rezultate cinci sigma, ceea ce înseamnă că exista mai puțin de o șansă la un milion ca datele să fie doar o eroare statistică.

Bosonul Higgs se descompune în alte particule

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

Fiecare variantă a dezintegrarii bosonului Higgs este cunoscută ca „canal de dezintegrare” sau „mod de dezintegrare”. Deși modul bb este obișnuit, multe alte procese produc particule similare, așa că, dacă observați dezintegrarea bb, este foarte greu de spus dacă particulele s-au datorat bosonului Higgs sau nu. Spunem că modul bb decay are un „fond larg”.

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

* (Tehnic, pentru masa bosonului Higgs de 125 GeV, dezintegrarea în doi bosoni Z nu este posibilă, deoarece bosonul Z are o masă de 91 GeV, în urma căreia perechea are o masă de 182 GeV, mai mare decât 125 GeV. Cu toate acestea, ceea ce observăm este o dezintegrare într-un boson Z și un boson Z virtual (Z *), a căror masă este mult mai mică.)

Dezintegrarea bosonului Higgs în Z + Z

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

Modul de dezintegrare Z + Z a fost destul de simplu pentru experimentele ATLAS și CMS, când ambii bozoni Z se descompun într-unul din cele două moduri (Z → e + e- sau Z → µ + µ-). În figură, sunt observate patru moduri de dezintegrare a bosonului Higgs:

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

Cum ar arăta bosonul Higgs în detectorul ATLAS

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

Un exemplu de eveniment cu o posibilă descompunere a bosonului Higgs sub forma unei frumoase animații a ciocnirii a doi protoni în Large Hadron Collider poate fi vizualizată pe site-ul sursă la acest link.

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

Mecanism care dă masă particulelor

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

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

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

Dar tot ce voia era să ajungă la bar!

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

Cum își obține bosonul Higgs propria masă?

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

Găsirea masei bosonului Higgs

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

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

Dar dacă doriți să calculați masa bosonului Higgs din particulele în care s-a degradat, pur și simplu adăugarea maselor nu va funcționa. De ce nu?

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

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

Găsirea masei bosonului Higgs din produsele sale de descompunere

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

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

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

Ne putem imagina că acestea sunt rezultatele dezintegrarii bosonului Higgs, dar nu sunt.

Datele bosonului Higgs din fundal

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

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

Punctele negre reprezintă numărul de evenimente observate, în timp ce liniile negre prin puncte reprezintă incertitudinea statistică a acestor numere. Creșterea datelor (vezi diapozitivul următor) la 125 GeV indică o nouă particule de 125 GeV (bosonul Higgs).

Animația evoluției datelor bosonului Higgs pe măsură ce se acumulează este pe site-ul original.

Semnalul bosonului Higgs se ridică încet deasupra fundalului.

Datele bosonului Higgs se descompun în doi fotoni

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

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

Linia roșie întreruptă arată fundalul, iar linia roșie îngroșată arată suma fundalului și a semnalului. Vedem că datele sunt în acord cu noua particule de aproximativ 125 GeV.

Dezavantajele primelor date

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

„Proporția de ramificare” este pur și simplu probabilitatea ca o particulă să se descompună printr-un canal de dezintegrare dat. Aceste proporții sunt prezise de modelul standard și măsurate prin observații multiple ale dezintegrarii acelorași particule.

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

De unde știi dacă o persoană observă un eveniment candidat la bosonul Higgs? Există parametri unici care disting aceste evenimente.

Este o particulă bosonul Higgs?

În timp ce a fost descoperită degradarea unei noi particule, ritmul cu care se întâmplă acest lucru nu era încă clar până pe 4 iulie. Nici măcar nu se știa dacă particula descoperită avea numerele cuantice corecte, adică dacă avea spinul și paritatea necesare bosonului Higgs.

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

Toate rezultatele experimentelor ATLAS și CMS ale Large Hadron Collider (precum și Tevatronul de la Laboratorul Fermi) după 4 iulie 2012 au arătat un acord remarcabil cu proporțiile de ramificare așteptate pentru cele cinci moduri de dezintegrare discutate mai sus și acord cu spinul așteptat. (egal cu zero) și paritatea (egal cu +1), care sunt numere cuantice de bază.

Acești parametri sunt importanți pentru a determina dacă noua particulă este într-adevăr bosonul Higgs sau o altă particulă neașteptată. Deci, toate dovezile pe care le avem indică bosonul Higgs din Modelul Standard.

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

Dar dacă noua particulă se dovedește a fi ceva imprevizibil de către Modelul Standard, atunci va deschide ușa pentru multe teorii și idei noi de testat. Rezultatele neașteptate necesită întotdeauna noi explicații și ajută la împingerea fizicii teoretice mai departe.

De unde a venit masa în univers?

În materia obișnuită, cea mai mare parte a masei este conținută în atomi și, mai exact, este conținută în nucleu, care este format din protoni și neutroni.

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

DAR ... masele de quarci contribuie cu aproximativ 10 MeV, ceea ce reprezintă aproximativ 1% din masele de protoni și neutroni. Deci, de unde provine masa rămasă?

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

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

Dacă nu ar exista câmpul Higgs?

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

Nu este chiar atât de evident.

Cu siguranță nimic nu ar lega electronii din atomi. S-ar împrăștia cu viteza luminii.

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

Probabil că toate acestea ar fi materie nucleară. Și poate că totul s-a prăbușit ca urmare a gravitației.

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

Este bosonul Higgs bosonul modelului standard?

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

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

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

Bosonul Higgs, locul său printre particulele elementare și proprietăți prezise teoretic. Importanța căutării unui boson pentru imaginea fizică a lumii. Experimente...

De la Masterweb

10.06.2018 14:00

Bosonul Higgs din fizică este o particulă elementară care, conform oamenilor de știință, joacă un rol fundamental în formarea masei în univers. Confirmarea sau infirmarea existenței acestei particule a fost unul dintre principalele obiective ale utilizării Large Hadron Collider (LHC) - cel mai puternic accelerator de particule din lume, care se află la Laboratorul European pentru Fizica Particulelor (CERN) de lângă Geneva.

De ce a fost atât de important să găsim bosonul Higgs

În fizica modernă a particulelor, există un anumit model standard. Singura particulă pe care o prezice acest model și pe care oamenii de știință au încercat de mult timp să o găsească este un boson numit. Modelul standard al particulelor (conform datelor experimentale) descrie toate interacțiunile și transformările dintre particulele elementare. Cu toate acestea, a existat o singură „pătă albă” în acest model - lipsa unui răspuns la întrebarea despre originea masei. Importanța masei este dincolo de orice îndoială, deoarece fără ea universul ar fi complet diferit. Dacă electronul nu ar avea masă, atunci atomii și materia în sine nu ar exista, nu ar exista biologie și chimie și, în cele din urmă, nu ar exista om.

Pentru a explica conceptul de existență a masei, mai mulți fizicieni, printre care britanicul Peter Higgs, au formulat o ipoteză despre existența așa-numitului câmp Higgs încă din anii 60 ai secolului trecut. Prin analogie cu un foton, care este o particulă a unui câmp electromagnetic, câmpul Higgs necesită și existența particulei sale purtătoare. Astfel, bosonii Higgs, în termeni simpli, sunt particulele din multitudinea cărora se formează câmpul Higgs.

Particula Higgs și câmpul pe care îl creează

Toate particulele elementare pot fi împărțite în două tipuri:

• Fermionii.
• bozoni.

Fermionii sunt acele particule care formează materia pe care o cunoaștem, cum ar fi protonii, electronii și neutronii. Bosonii sunt particule elementare care dau naștere la diferite tipuri de interacțiuni între fermioni. De exemplu, bosonii sunt un foton - un purtător al interacțiunii electromagnetice, un gluon - un purtător al interacțiunii puternice sau nucleare, bosonii Z și W, care sunt responsabili pentru interacțiunea slabă, adică pentru transformările dintre particulele elementare.

Dacă vorbim în termeni simpli despre bosonul Higgs și sensul ipotezei care explică apariția masei, atunci ar trebui să ne imaginăm că acești bosoni sunt distribuiți în spațiul Universului și formează un câmp Higgs continuu. Când orice corp, atom sau particulă elementară experimentează „frecare” cu privire la acest câmp, adică interacționează cu el, atunci această interacțiune se manifestă ca existența masei în acest corp sau particulă. Cu cât corpul „frecă” mai mult particula de câmpul Higgs, cu atât masa acesteia este mai mare.

Cum poți găsi și unde să sapi bosonul Higgs

Acest boson nu poate fi detectat direct, deoarece (conform datelor teoretice) după apariția sa se descompune instantaneu în alte particule elementare mai stabile. Dar particulele care au apărut după dezintegrarea bosonului Higgs pot fi deja detectate. Ele sunt „urmele” care mărturisesc existența acestei particule importante.

Oamenii de știință s-au ciocnit cu fascicule de protoni de înaltă energie pentru a detecta particula bosonului Higgs. Energia uriașă a protonilor la ciocnire este capabilă să se transforme în masă, conform binecunoscutei ecuații a lui Albert Einstein E = mc2. În zona de coliziune a protonilor din ciocnitor, există multe detectoare care fac posibilă înregistrarea apariției și degradarii oricăror particule.

Masa bosonului Higgs nu a fost stabilită teoretic, ci a fost determinat doar un posibil set de valori ale acestuia. Detectarea particulelor necesită acceleratori puternici. Large Hadron Collider (LHC) este în prezent cel mai puternic accelerator de pe planeta Pământ. Cu ajutorul acestuia, a fost posibil să se ciocnească protoni cu energii apropiate de 14 tetraelectron-volți (TeV). În prezent funcționează la energii de aproximativ 8 TeV. Dar chiar și aceste energii au fost suficiente pentru a detecta bosonul Higgs sau particula lui Dumnezeu, așa cum o numesc și mulți.

Evenimente întâmplătoare și reale

În fizica particulelor elementare, existența unui eveniment este evaluată cu o anumită probabilitate „sigma”, care determină aleatorietatea sau realitatea acestui eveniment obținut în experiment. Pentru a crește probabilitatea unui eveniment, trebuie analizată o cantitate mare de date. Căutarea și descoperirea bosonului Higgs este un eveniment probabil de acest gen. Pentru a detecta această particulă, LHC a generat aproximativ 300 de milioane de coliziuni într-o secundă, astfel încât cantitatea de date care trebuia analizată a fost enormă.

Putem vorbi despre observarea reală a unui anumit eveniment cu încredere dacă „sigma” acestuia este de 5 sau mai mult. Acest lucru este echivalent cu un eveniment cu monede (dacă îl întorci și lovește capete de 20 de ori la rând). Acest rezultat corespunde unei probabilități mai mici de 0,00006%.

De îndată ce acest „nou” eveniment real este descoperit, este necesar să-l studiem în detaliu, răspunzând la întrebarea dacă acest eveniment corespunde particulei Higgs sau este o altă particulă. Pentru aceasta, este necesar să se studieze cu atenție proprietățile produselor de descompunere ai acestei noi particule și să le compare cu rezultatele predicțiilor teoretice.

Experimentele LHC și descoperirea unei particule de masă

Căutările pentru o particulă de masă, care au fost efectuate la colisionarele LHC din Geneva și Tevatron la laboratorul Fermi din Statele Unite, au stabilit că particula lui Dumnezeu trebuie să aibă o masă mai mare de 114 gigaelectron-volți (GeV), dacă este exprimată în termeni energetici. De exemplu, să presupunem că masa unui proton corespunde aproximativ cu 1 GeV. Alte experimente, care au avut ca scop găsirea acestei particule, au descoperit că masa ei nu poate depăși 158 GeV.

Primele rezultate ale căutării bosonului Higgs în LHC au fost prezentate încă din 2011, datorită analizei datelor care au fost colectate la colisionar timp de un an. În acest timp, au fost efectuate două experimente principale pe această problemă - ATLAS și CMS. Conform acestor experimente, bosonul are o masă cuprinsă între 116 și 130 GeV sau între 115 și 127 GeV. Este interesant de observat că în ambele experimente la LHC, în multe feluri, masa bosonilor se află într-o regiune îngustă între 124 și 126 GeV.

Peter Higgs, împreună cu colegul său Frank Englert, a primit premiul Nobel pe 8 octombrie 2013 pentru descoperirea unui mecanism teoretic de înțelegere a existenței masei în particulele elementare, care a fost confirmat în experimentele ATLAS și CMS de la LHC de la CERN. (Geneva), când a fost descoperit bosonul prezis experimental.

Importanța descoperirii particulei Higgs pentru fizică

Explicând simplu despre descoperirea bosonului Higgs, putem spune că acesta a marcat începutul unei noi etape în fizica particulelor elementare, deoarece acest eveniment a oferit noi căi de cercetare ulterioară a fenomenelor Universului. De exemplu, studiul naturii și caracteristicilor materiei negre, care, conform estimărilor generale, reprezintă aproximativ 23% din întregul Univers cunoscut, dar ale cărei proprietăți rămân un mister până în prezent. Descoperirea particulei Dumnezeu a făcut posibilă gândirea și stabilirea de noi experimente în LHC, care vor ajuta la clarificarea acestei probleme.

Proprietățile bozonului

Multe dintre proprietățile particulei lui Dumnezeu care sunt descrise în modelul standard al particulelor elementare sunt acum pe deplin stabilite. Acest boson are spin zero, nu are încărcătură electrică sau culoare, deci nu interacționează cu alți bosoni precum fotonul și gluonul. Cu toate acestea, interacționează cu toate particulele care au masă: quarci, leptoni și bosoni de interacțiuni slabe Z și W. Cu cât masa unei particule este mai mare, cu atât interacționează mai puternic cu bosonul Higgs. Mai mult, acest boson este o antiparticulă în sine.

Masa unei particule, durata medie de viață și interacțiunea dintre bosoni nu sunt prezise de teorie. Aceste mărimi pot fi măsurate doar experimental. Rezultatele experimentelor de la LHC de la CERN (Geneva) au stabilit că masa acestei particule se află în intervalul 125-126 GeV, iar durata de viață a acesteia este de aproximativ 10-22 de secunde.

Bosonul deschis și apocalipsa spațiului

Descoperirea acestei particule este considerată una dintre cele mai importante din istoria omenirii. Experimentele cu acest boson continuă, iar oamenii de știință obțin rezultate noi. Unul dintre ele a fost faptul că bosonul poate duce la distrugerea universului. Mai mult, acest proces a început deja (conform oamenilor de știință). Cheia problemei este următoarea: bosonul Higgs se poate prăbuși singur în orice parte a universului. Acest lucru va crea o bulă de energie care se extinde treptat, absorbind totul în cale.

Când este întrebat dacă va exista un sfârșit al lumii, fiecare om de știință răspunde pozitiv. Ideea este că există o teorie numită „Modelul stelelor”. Ea postulează o afirmație evidentă: totul are începutul și sfârșitul său. Conform conceptelor moderne, sfârșitul Universului va arăta astfel: expansiunea accelerată a Universului duce la dispersarea materiei în spațiu. Acest proces va continua până când ultima stea se stinge, după care Universul se va cufunda în întunericul etern. Cât timp va dura, nimeni nu știe.

Odată cu descoperirea bosonului Higgs, a apărut o altă teorie a apocalipsei. Faptul este că unii fizicieni cred că masa bosonică rezultată este una dintre masele de timp posibile, există alte valori pentru aceasta. Aceste valori de masă pot fi, de asemenea, realizate, deoarece (în termeni simpli) bosonul Higgs este o particulă elementară care poate prezenta proprietăți de undă. Adică, există posibilitatea tranziției sale la o stare mai stabilă corespunzătoare unei mase mai mari. Dacă are loc o astfel de tranziție, atunci toate legile naturale cunoscute de om vor lua o formă diferită, prin urmare va veni sfârșitul universului cunoscut de noi. În plus, acest proces ar fi putut deja să aibă loc în orice parte a Universului. Omenirea nu are mult timp pentru existența ei.

Beneficiile sociale ale LHC și ale altor acceleratoare de particule

Tehnologiile care sunt dezvoltate pentru acceleratoarele de particule sunt utile și pentru medicină, informatică, industrie și mediu. De exemplu, magneții de coliziune, din materiale supraconductoare, cu ajutorul cărora particulele elementare sunt accelerate, pot fi utilizați pentru tehnologiile de diagnostic medical. Detectoarele moderne ale diferitelor particule formate în colisionar pot fi utilizate în tomografia cu pozitroni (un pozitron este antiparticula unui electron). În plus, tehnologiile de formare a fasciculelor din particule elementare din LHC pot fi utilizate pentru tratamentul diferitelor boli, de exemplu, tumorile canceroase.

În ceea ce privește beneficiile cercetării folosind LHC la CERN (Geneva) pentru tehnologia informației, trebuie spus că rețeaua globală de calculatoare GRID, precum și internetul însuși, își datorează dezvoltarea în multe privințe experimentelor cu acceleratoare de particule, care au produs o cantitate imensă de date. Necesitatea de a împărtăși aceste date între oamenii de știință din întreaga lume a dus la crearea la CERN de către Tim Burnels-Lee a limbajului World Wide Web (WWW) pe care se bazează Internetul.

Fasciculele de particule, care s-au format și s-au format în diferite tipuri de acceleratoare, sunt acum utilizate pe scară largă în industrie pentru studiul proprietăților materialelor noi, structurii obiectelor biologice și a produselor industriei chimice. Progresele în fizica particulelor sunt folosite pentru a proiecta panouri solare, pentru a procesa deșeuri radioactive și așa mai departe.

Impactul descoperirii particulei Higgs asupra literaturii, filmului și muzicii

Următoarele fapte mărturisesc senzaționalismul știrilor despre descoperirea unei particule de masă în fizică:

• După descoperirea acestei particule, cartea de știință populară „Particula lui Dumnezeu: dacă Universul este răspunsul, atunci care este întrebarea?” Lev Liderman. Fizicienii cred că a numi bosonul Higgs o particulă a lui Dumnezeu este o exagerare.
• În filmul „Îngeri și demoni”, care se bazează pe cartea cu același nume, este folosit și numele bosonului „particulă a lui Dumnezeu”.
• Filmul științifico-fantastic Solaris, cu George Clooney și Natasha McElhone în rolurile principale, propune o teorie care menționează câmpul Higgs și rolul său important în stabilizarea particulelor subatomice.
• În cartea științifico-fantastică Flash Forward, scrisă de Robert Sawyer în 1999, doi oameni de știință provoacă o catastrofă la nivel mondial atunci când experimentează pentru a detecta bosonul Higgs.
• Serialul TV spaniol „Arca” vorbește despre o catastrofă globală în care toate continentele au fost inundate în urma experimentelor de la Large Hadron Collider și au supraviețuit doar oamenii de pe nava Polar Star.
• Grupul muzical din Madrid „Aviador Dro” în albumul „Voice of Science” a dedicat un cântec bosonului de masă găsit.
• Cântărețul australian Nick Cave a numit una dintre melodiile „The Blue Higgs Boson” din albumul său „Push the Sky Away”.

Strada Kievyan, 16 0016 Armenia, Erevan +374 11 233 255

Se poate argumenta pentru o sumă mare că majoritatea dintre voi (inclusiv persoanele interesate de știință) nu aveți o idee foarte bună despre ceea ce fizicienii au găsit la Large Hadron Collider, de ce l-au căutat atât de mult timp, si ce se va intampla in continuare.

Prin urmare, o scurtă poveste despre ce este bosonul Higgs.

Trebuie să începem cu faptul că oamenii sunt în general foarte săraci în a prezenta în mintea lor ceea ce se întâmplă în microcosmos, la scara particulelor elementare.

De exemplu, mulți de la școală își imaginează că electronii sunt niște bile galbene atât de mici, ca niște mini-planete care se rotesc în jurul nucleului unui atom, altfel arată ca o boabă de zmeură, formată din protoni-neutroni roșii și albaștri. Cei care sunt puțin familiarizați cu mecanica cuantică din cărțile populare își imaginează particule elementare sub forma unui fel de nori încețoșați. Când ni se spune că orice particulă elementară este simultan un val, ne imaginăm valuri pe mare (sau în ocean): suprafața unui mediu tridimensional care oscilează periodic. Dacă spunem că o particulă este un eveniment într-un anumit câmp, ne imaginăm un câmp (ceva așa bâzâie în gol, ca o cutie de transformatoare).

Toate acestea sunt foarte rele. Cuvintele „particulă”, „câmp” și „undă” reflectă realitatea extrem de prost și este imposibil să le imaginezi în vreun fel. Indiferent de imaginea vizuală care îți vine în minte, va fi greșită și va interfera cu înțelegerea. Particulele elementare nu sunt ceva ce, în principiu, puteți vedea sau „atinge”, iar noi, descendenții maimuțelor, suntem proiectați să ne imaginăm doar astfel de lucruri. Nu este adevărat că un electron (sau un foton, sau un boson Higgs) „este atât o particulă, cât și o undă”; acesta este ceva al treilea, pentru care cuvintele nu au fost niciodată în limba noastră (ca fiind inutile). Noi (în sensul umanității) știm cum se comportă, putem face niște calcule, putem aranja experimente cu ei, dar nu le putem găsi o imagine mentală bună, pentru că lucruri care sunt cel puțin aproximativ asemănătoare cu particulele elementare, pe solzile noastre nu apar deloc.

Fizicienii profesioniști nici măcar nu încearcă să-și imagineze vizual (sau orice altceva în ceea ce privește sentimentele umane) ce se întâmplă în microcosmos; aceasta este o cale proastă, nu duce nicăieri. Ei dezvoltă treptat o anumită intuiție despre ce fel de obiecte trăiesc acolo și ce se va întâmpla cu ele dacă faci asta și asta, dar este puțin probabil ca un profan să poată să o dubleze.

Așa că, sper să nu te mai gândești la bile mici. Acum despre ce căutau și au găsit la Large Hadron Collider.

Teoria general acceptată despre cum funcționează lumea la scara sa cea mai mică se numește Modelul Standard. Potrivit ei, lumea noastră este aranjată așa. Conține mai multe tipuri fundamental diferite de substanțe care interacționează între ele în diferite moduri. Uneori este convenabil să vorbim despre astfel de interacțiuni ca despre un schimb de anumite „obiecte” pentru care se poate măsura viteza, masa, le poate accelera sau se ciocnește unul cu celălalt etc. În unele cazuri, este convenabil să le numim (și să ne gândim la ele) ca particule purtătoare. Există 12 tipuri de astfel de particule în model. Vă reamintesc că tot ceea ce scriu acum este încă imprecis și blasfemie; dar sperăm că încă mult mai puțin decât majoritatea rapoartelor media. (De exemplu, „Echoul Moscovei” din 4 iulie s-a remarcat prin sintagma „5 puncte pe scara sigma”; cei cunoscători vor aprecia).

Într-un fel sau altul, 11 dintre cele 12 particule ale Modelului Standard au fost deja observate înainte. Al 12-lea este bosonul Higgs, care dă masa multor alte particule. O analogie foarte bună (dar, desigur, și incorectă), care nu a fost inventată de mine: imaginați-vă o masă de biliard perfect netedă, pe care sunt bile de biliard-particule elementare. Zboară cu ușurință în direcții diferite și se deplasează oriunde fără interferențe. Acum imaginați-vă că masa este acoperită cu o masă lipicioasă care împiedică mișcarea particulelor: acesta este câmpul Higgs și cât de mult se lipește o particulă de o astfel de acoperire este masa sa. Cu unele particule, câmpul Higgs nu interacționează în niciun fel, de exemplu, cu fotonii, iar masa lor, respectiv, este egală cu zero; ne putem imagina că fotonii sunt ca un disc în hochei pe aer, iar învelișul nu este observat deloc.

Toată această analogie este incorectă, de exemplu, deoarece masa, spre deosebire de stratul nostru lipicios, împiedică mișcarea particulei, dar să accelereze, dar dă un fel de iluzie de înțelegere.

Bosonul Higgs este particula corespunzătoare acestui câmp lipicios. Imaginează-ți o lovitură foarte puternică pe o masă de biliard, care dăunează pânzei și zdrobește o cantitate mică de masă lipicioasă într-un pliu cu bule, care se răspândește foarte repede înapoi. Aici, asta este.

De fapt, exact așa a făcut în toți acești ani Large Hadron Collider și aproximativ așa a arătat procesul de obținere a bosonului Higgs: batem cu toată puterea pe masă până când pânza în sine începe să se întoarcă dintr-un suprafață foarte statică, dură și lipicioasă în ceva - ceva mai interesant (sau până când se întâmplă ceva și mai minunat, neprevăzut de teorie). De aceea, LHC-ul este atât de mare și puternic: au încercat deja să lovească masa cu mai puțină energie, dar fără rezultat.

Acum despre notoriile 5 sigma. Problema cu procesul de mai sus este că nu putem decât să batem și să sperăm că va ieși ceva din el; nu există o rețetă garantată pentru obținerea bosonului Higgs. Mai rău, când s-a născut încă, trebuie să avem timp să-l înregistrăm (desigur, este imposibil să-l vedem, iar el există doar pentru o mică fracțiune de secundă). Indiferent de detectorul pe care îl folosim, putem spune doar că se pare, poate, că am observat ceva asemănător.

Acum imaginați-vă că avem un zar special; cade accidental pe una dintre cele șase fețe, dar dacă bosonul Higgs este lângă el în acel moment, cei șase nu vor cădea niciodată. Acesta este un detector tipic. Dacă aruncăm zarurile o dată și lovim simultan masa cu toată puterea, atunci în general niciun rezultat nu ne va spune exact nimic: ai aruncat 4? Este un eveniment foarte probabil. A scapat 6? Poate că am lovit ușor masa în momentul nepotrivit, iar bosonul, deși există, nu a avut timp să se nască la momentul potrivit sau, dimpotrivă, a reușit să se dezintegreze.

Dar putem face acest experiment de mai multe ori și chiar de multe ori! Bine, să aruncăm zarurile de 60.000.000 de ori. Să presupunem că, în acest caz, cei șase au căzut „doar” de 9.500.000 de ori, și nu de 10.000.000; Înseamnă asta că bosonul apare din când în când, sau este doar un accident admisibil - nu credem că osul ar trebui să zacă ca un șase? neted De 10 milioane de ori din 60?

Ei bine, uh. Astfel de lucruri nu sunt judecate cu ochii, trebuie să luați în considerare cât de mare este abaterea și cum se leagă de posibile accidente. Cu cât deviația este mai mare, cu atât este mai puțin probabil ca osul să se așeze accidental așa, și cu atât este mai probabil ca din când în când (nu întotdeauna) să apară o nouă particulă elementară, împiedicându-l să se întindă ca un șase. Abaterea de la medie este convenabil exprimată în termeni de sigma. „One sigma” este un astfel de nivel de abatere, care este „cel mai așteptat” (valoarea sa specifică poate fi calculată de orice student din anul III al Facultății de Fizică sau Matematică). Dacă există o mulțime de experimente, atunci o abatere de 5 sigma este nivelul în care opinia „șansa este puțin probabilă” se transformă într-o încredere absolut solidă.

Fizicienii au anunțat pe 4 iulie că aproximativ acest nivel de abateri a fost atins deodată cu două detectoare diferite. Ambele detectoare s-au comportat foarte similar cu modul în care s-ar comporta dacă particulele produse de impacturile puternice asupra mesei ar fi într-adevăr bosonul Higgs; strict vorbind, asta nu înseamnă că el este cel care se află în fața noastră, trebuie să îi măsurăm toate celelalte caracteristici cu tot felul de alți detectoare. Dar au rămas puține îndoieli.

În sfârșit, ce ne așteaptă în viitor. A fost descoperită o „nouă fizică” și a existat o descoperire care ne va fi utilă pentru a crea motoare hiperspațiale și combustibil absolut? Nu; și chiar invers: a devenit clar că în acea parte a fizicii, care studiază particulele elementare, miracolele nu se întâmplă, iar natura este aranjată practic așa cum au presupus fizicienii până la capăt (bine, sau aproape așa). E chiar puțin trist.

Situația este complicată de faptul că știm cu certitudine că nu poate fi aranjat exact așa în principiu. Modelul standard este pur matematic incompatibil cu teoria relativității generale a lui Einstein și ambele nu pot fi adevărate în același timp.

Și unde să sapi acum nu este încă foarte clar (nu că nu există deloc gânduri, mai degrabă, dimpotrivă: există prea multe posibilități teoretice diferite și există mult mai puține moduri de a le testa). Ei bine, poate înțelege cineva, dar cu siguranță nu pentru mine. Și așa că în această postare am depășit competența mea cu mult timp în urmă. Daca am mintit undeva, va rog sa ma corectati.

- Ce va oferi noua particule oamenilor de știință și oamenilor obișnuiți?

Principalele direcții de dezvoltare ale fizicii fundamentale moderne sunt fizica particulelor elementare și cosmologia - știința evoluției Universului. În ultimii 10-15 ani, a devenit clar că dispozitivele micro- și macrocosmosului sunt strâns legate între ele. Descoperirea într-o zonă dă un impuls puternic dezvoltării altuia.

Descoperirea bosonului Higgs va permite oamenilor de știință să confirme că baza fizicii moderne - Modelul Standard - este o bază de încredere pentru dezvoltarea în continuare a înțelegerii noastre despre Natură. Predicția existenței particulei Higgs nu a fost confirmată experimental timp de zeci de ani, ceea ce a reprezentat o pată întunecată pentru întreaga fizică a particulelor elementare. Descoperirea bosonului Higgs confirmă corectitudinea direcției principale de dezvoltare și restrânge foarte mult posibilitățile teoriilor alternative atât în ​​microcosmos, cât și în macrocosmos. Acest lucru va permite o utilizare mai eficientă a fondurilor bugetare.

- Unde este posibil să se aplice descoperirea unui nou boson?

E prea devreme să vorbim despre asta. În primul rând, trebuie să studiați amănunțit proprietățile sale și abia apoi să vă gândiți la aplicație. Deja sunt investigate posibilitățile de utilizare a particulelor Higgs pentru a explica stadiul cel mai timpuriu al formării Universului. Și, de asemenea, fenomenul energiei întunecate. Ultimul fenomen, încă neexplicat, a fost descoperit în 1998, când s-a observat recesiunea accelerată a quasarelor - cele mai strălucitoare obiecte din Univers. Acest efect poate fi explicat doar asumând proprietăți nu chiar obișnuite ale substanței care umple Universul.

- Ce imbold pentru dezvoltarea noilor tehnologii poate da această particulă?

Din istoria științei se știe că descoperirile fundamentale nu duc imediat la apariția noilor tehnologii. Un exemplu binecunoscut este descoperirea lui Michael Faraday a legilor inducției electromagnetice, a cărei aplicare în tehnologie părea extrem de dubioasă. Acum, aproape 200 de ani mai târziu, este greu să ne imaginăm lumea noastră fără electricitate. Un alt exemplu este neutrinul descoperit în 1933, care interacționează atât de slab cu materia încât poate trece prin Pământ fără măcar să-l observe. Multă vreme s-a părut că va fi dificil pentru o particulă cu o astfel de proprietate să găsească o aplicație. Cu toate acestea, oamenii de știință încearcă acum să folosească neutrini pentru a transmite semnale prin medii dense și pentru a detecta urme de reacții nucleare la distanță mare.

Situația este similară cu particula Higgs. Aparent, trebuie să treacă mai bine de o duzină de ani până când posibilitățile de aplicare a acestui fenomen în tehnologie să devină evidente. În primul rând, se vor dezvolta domenii conexe ale științei, apoi influența se va extinde în continuare. Se poate dovedi că doar generațiile următoare vor putea folosi roadele acestei descoperiri, așa cum noi folosim acum descoperirile lui Faraday.

Dezvoltarea științei moderne se desfășoară într-un ritm accelerat și în diverse direcții. De exemplu, acceleratorul rusesc de ioni grei, Nika, este în construcție în Dubna. Acesta va funcționa în intervalul de energie care nu este acoperit de niciuna dintre instalațiile existente în lume, inclusiv Large Hadron Collider. În această regiune de energii există șansa de a obține o fază mixtă de materie nucleară - o stare în care particulele eliberate din nucleu - quarci și gluoni - există simultan. Până acum, nimeni în lume nu a reușit să „prindă” quarci liberi.

Academician Valery Rubakov, Institutul de Cercetare Nucleară RAS și Universitatea de Stat din Moscova.

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

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

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

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

Bosonul Higgs H (spin 0) se descompune în doi fotoni (spin 1), ale căror spinuri sunt antiparalele și se adună până la 0.

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

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

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

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

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

Ce s-a întâmplat la seminar și înainte de acesta

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

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

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

Care este noua particulă

Versiunea minimală a teoriei microlumii poartă numele incomodă de Model Standard. Include toate particulele elementare cunoscute (le vom enumera mai jos) și toate interacțiunile cunoscute dintre ele. Interacțiunea gravitațională este diferită: nu depinde de tipurile de particule elementare, ci este descrisă de teoria relativității generale a lui Einstein. Bosonul Higgs a fost singurul element al Modelului Standard care nu a fost descoperit până de curând.

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

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

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

În general, tot ceea ce se știe acum despre noua particulă este de acord cu interpretarea sa ca bosonul Higgs prezis de cea mai simplă versiune a teoriei particulelor elementare - Modelul Standard. În cadrul Modelului Standard, este posibil să se calculeze atât probabilitatea producerii bosonului Higgs în ciocnirile proton-proton la Large Hadron Collider, cât și probabilitățile dezintegrarii acestuia și, prin urmare, să se prezică numărul de evenimente așteptate. Predicțiile sunt bine susținute de experimente, dar, desigur, în marja de eroare. Erorile experimentale sunt încă mari și există încă foarte puține valori măsurate. Cu toate acestea, este greu de pus la îndoială că a fost descoperit bosonul Higgs sau ceva foarte asemănător cu acesta, mai ales dacă ținem cont de faptul că aceste descompunere trebuie să fie foarte rare: 2 din 1000 de bosoni Higgs se descompun în doi fotoni, iar 1 în 10 000 se descompun în 4ℓ...

În mai mult de jumătate din cazuri, bosonul Higgs ar trebui să se descompună într-o pereche b-quark - b-antiquark: H → bb̃. Crearea unei perechi bb̃ în ciocnirile proton-proton (și proton-antiproton) este un fenomen foarte frecvent fără boson Higgs și nu a fost încă posibil să se separe semnalul de acesta de acest „zgomot” (fizicienii spun - fundal ) în experimente la LHC. Acest lucru s-a întâmplat parțial la ciocnitorul Tevatron și, deși fiabilitatea statistică acolo este semnificativ mai mică, aceste date sunt, de asemenea, în acord cu predicțiile modelului standard.

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

În plus, nu este egal cu unitatea: o particulă de spin 1 nu se poate degrada în doi fotoni cu spin 1. Rămâne spin 0; 2 sau mai multe. Deși spin-ul noii particule nu a fost încă măsurat, este foarte puțin probabil să avem de-a face cu o particulă cu spin 2 sau mai mare. Spinul lui H este aproape sigur zero și, după cum vom vedea, așa ar trebui să fie bosonul Higgs.

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

De ce alt boson?

În fizica cuantică, fiecare particulă elementară servește ca cuantum al unui anumit câmp și invers: fiecare câmp are propriul său cuantic de particule; cel mai faimos exemplu este un câmp electromagnetic și cuantumul său, un foton. Prin urmare, întrebarea pusă în titlu poate fi reformulată astfel:

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

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

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

Simetrii, legi de conservare și interdicții

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

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

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

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

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

Ceva este greșit

Cu toate acestea, nu fotonii ne interesează, ci bosonii W ± - și Z. Aceste particule, descoperite în 1983 la ciocnitorul proton-antiproton Spp̃S de la CERN și prezise de teoreticieni cu mult înainte de asta, au o masă destul de mare: bosonii W ± au o masă de 80 GeV (de aproximativ 80 de ori mai grea decât un proton) și Z. -bosoni - 91 GeV. Proprietățile bosonilor W ± - și Z sunt bine cunoscute în principal datorită experimentelor efectuate la ciocnitoarele electron-pozitroni LEP (CERN) și SLC (SLAC, SUA) și la ciocnitorul proton-antiprotoni Tevatron (Fermilab, SUA): precizia măsurători ale unui număr de cantități legate de bosonii W ± - și Z, mai bune de 0,1%. Proprietățile lor, precum și ale altor particule, sunt descrise perfect de Modelul Standard. Acest lucru se aplică și interacțiunilor bozonilor W ± și Z cu electroni, neutrini, quarci și alte particule. Astfel de interacțiuni, de altfel, sunt numite slabe. Au fost studiate în detaliu; unul dintre exemplele de mult cunoscute ale manifestării lor este dezintegrarea beta a muonilor, neutronilor și nucleelor.

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

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

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

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

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

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

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

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

Proiecția spinului pe direcția mișcării va fi acum pozitivă, iar un astfel de electron va părea a fi la dreapta, nu la stânga. În consecință, sarcina sa Z ar trebui să fie aceeași cu cea a electronului drept din lumea imaginară. Dar acest lucru nu poate fi: valoarea taxei nu ar trebui să depindă de cadrul de referință. Contradicția este evidentă. Subliniem că am ajuns la el, presupunând că sarcina Z este conservată; în caz contrar, nu este nevoie să vorbim despre semnificația sa pentru o anumită particulă.

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

Având în vedere că ar fi trebuit să ducă la conservarea sarcinii Z. Măsurând sarcina Z a unui electron, am putea spune fără ambiguitate dacă acest electron este stânga sau dreapta. Și acest lucru este posibil numai atunci când masa electronului este egală cu zero.

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

Ruperea simetriei

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

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

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

Creaturile microscopice care trăiesc în interiorul unui magnet și-ar putea pune întrebarea: „În lumea noastră, nu toate direcțiile sunt egale, momentul unghiular nu este conservat, dar spațiul este într-adevăr asimetric în raport cu rotația?” După ce au studiat mișcarea electronilor și au construit o teorie adecvată (în acest caz, electrodinamica), ei ar fi înțeles că răspunsul la această întrebare este negativ: ecuațiile sale sunt simetrice, dar această simetrie este ruptă spontan din cauza magneticului „vărsat”. câmp peste tot. Dezvoltând teoria în continuare, ei ar prezice că câmpul responsabil pentru ruperea spontană a simetriei ar trebui să aibă cuantele sale, fotonii. Și, după ce am construit un mic accelerator în interiorul magnetului, ne-am bucura să ne asigurăm că aceste cuante există cu adevărat - se nasc în ciocnirile electronilor!

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

Mecanismul de generare a maselor de particule cu spin 1 (în natură aceștia sunt bozoni W ± și Z) datorită ruperii spontane a simetriei a fost propus în contextul fizicii particulelor elementare de teoreticienii de la Bruxelles François Engler și Robert Braut în 1964. și puțin mai târziu - de către fizicianul din Edinburgh Peter Higgs...

Cercetătorii s-au bazat pe conceptul de rupere spontană a simetriei (dar în teorii fără câmpuri vectoriale, adică fără particule de spin 1), care a fost introdus în 1960-1961 în lucrările lor de J. Nambu, el, împreună cu J. Yona- Lasinio, V. G. Wax și A. I. Larkin, J. Goldstone (Yoichiro Nambu a primit Premiul Nobel pentru această lucrare în 2008). Spre deosebire de autori anteriori, Engler, Braut și Higgs au considerat o teorie (la acea vreme speculativă), în care sunt prezente atât câmpurile scalare (spin 0) cât și vectori (spin 1). În această teorie, există o simetrie internă, complet analogă cu simetria electrodinamicii, care duce la conservarea sarcinii electrice și la interzicerea masei fotonului. Dar, spre deosebire de electrodinamică, simetria internă este ruptă spontan de un câmp scalar uniform prezent în vid. Un rezultat remarcabil al lui Engler, Braut și Higgs a fost demonstrarea faptului că această rupere a simetriei implică automat apariția masei în particula de spin 1 - cuantumul câmpului vectorial!

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

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

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

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

Deci, bosonul Higgs este cuantumul unuia dintre cele patru câmpuri scalare Angler-Braut-Higgs din Modelul Standard. Alți trei sunt mâncați (termen științific!) de bosonii W ± - și Z, transformându-se în a treia lor stare de spin lipsă.

Chiar ai nevoie de un boson nou?

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

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

Teoria efectivă a supraconductivității Ginzburg - Landau este extrem de asemănătoare cu teoria Engler - Braut - Higgs (mai precis, dimpotrivă: teoria Ginzburg - Landau este cu 14 ani mai veche). De asemenea, conține un câmp scalar, care este uniform „împrăștiat” peste supraconductor și duce la ruperea spontană a simetriei. Cu toate acestea, teoria Ginzburg - Landau nu este numită eficientă degeaba: ea surprinde, la figurat vorbind, latura externă a fenomenului, dar este complet inadecvată pentru înțelegerea cauzelor fundamentale, microscopice, ale supraconductivității. De fapt, nu există un câmp scalar într-un supraconductor, acesta conține electroni și o rețea cristalină, iar supraconductivitatea se datorează proprietăților speciale ale stării fundamentale a unui sistem de electroni care decurg din interacțiunea dintre ei (vezi Știința și viața, nr. . 2, 2004, articolul „- Ed. aprox.).

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

Nu are nici câmpuri scalare fundamentale, nici bosonul Higgs, iar în locul lor există multe particule elementare noi care seamănă cu quarcii în proprietățile lor. Interacțiunea dintre ele este cea care duce la ruperea spontană a simetriei și la generarea maselor bozonice W ± - și Z. Situația cu masele de fermioni cunoscuți, cum ar fi electronul, este mai rea, dar această problemă poate fi rezolvată complicând teoria.

Un cititor atent poate pune întrebarea: „Dar ce se întâmplă cu argumentele capitolului precedent, care spun că câmpul scalar este cel care trebuie să rupă simetria?” Lacuna aici este că acest câmp scalar poate fi compus, în sensul că particulele-cuante corespunzătoare nu sunt elementare, ci constau din alte particule „cu adevărat” elementare.

Să ne amintim în acest sens relația Heisenberg de incertitudine mecanică cuantică Δх × Δр ≥ ћ, unde Δх și Δр sunt incertitudinile de coordonate și, respectiv, de impuls. Una dintre manifestările sale este că structura obiectelor compozite cu o dimensiune internă caracteristică Δx se manifestă numai în procese care implică particule cu moment suficient de mare p ≥ћ / Δx și, prin urmare, cu energii suficient de mari. Este oportun să-l amintim aici pe Rutherford, care a bombardat atomii cu electroni de energii mari în acele vremuri și a aflat astfel că atomii constau din nuclee și electroni. Privind atomii printr-un microscop chiar și cu cea mai avansată optică (adică folosind lumină - fotoni de energii joase), este imposibil să descoperi că atomii sunt particule punctiforme compozite, și nu elementare: nu există o rezoluție suficientă.

Deci, la energii joase, o particulă compusă arată ca una elementară. Pentru o descriere eficientă a unor astfel de particule la energii scăzute, ele pot fi considerate cuante ale unui anumit câmp. Dacă spinul particulei compuse este zero, atunci acest câmp este scalar.

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

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

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

Aceasta din urmă împrejurare a condus la faptul că modelul technicolor (cel puțin în formularea sa originală) a fost respins cu mult înainte de descoperirea unui nou boson: măsurători precise ale proprietăților bosonilor W ± și Z la LEP și SLC nu nu sunt de acord cu previziunile modelului.

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

Descoperirea se face. Ce urmeaza?

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

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

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

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

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

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

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

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

Această problemă are încă un aspect, mai subtil. Este asociat cu proprietățile vidului fizic. În teoria cuantică, vidul - starea fundamentală a naturii - are o structură foarte netrivială. În ea, particulele virtuale se nasc și sunt distruse tot timpul; cu alte cuvinte, fluctuațiile câmpului se formează și dispar. Nu putem observa direct aceste procese, dar ele afectează proprietățile observate ale particulelor elementare, atomilor etc. De exemplu, interacțiunea unui electron dintr-un atom cu electroni și fotoni virtuali duce la un fenomen observat în spectrele atomice - deplasarea Lamb. Un alt exemplu: corectarea momentului magnetic al unui electron sau muon (moment magnetic anormal) se datorează și interacțiunii cu particulele virtuale. Aceste efecte și efecte similare au fost calculate și măsurate (în cazurile indicate cu o acuratețe fantastică!), astfel încât să putem fi siguri că avem o imagine corectă a vidului fizic.

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

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

Care ar putea fi „noua fizică”? Teoreticienii nu sunt de acord cu această problemă. O opțiune este natura compusă a câmpurilor scalare care asigură ruperea spontană a simetriei, despre care a fost deja discutată. O altă posibilitate, de asemenea populară (încă?) este supersimetria, despre care putem spune doar că prezice o întreagă grădină zoologică de particule noi cu mase în regiunea de sute de GeV - câțiva TeV. Se discută și câteva opțiuni foarte exotice, cum ar fi dimensiunile suplimentare ale spațiului (de exemplu, așa-numita teorie M - vezi „Science and Life” nr. 2, 3, 1997, articolul „Superstrings: Towards a Theory of Everything” ." - Ed. .).

În ciuda tuturor eforturilor, până acum nu s-a primit nicio indicație experimentală privind „noua fizică”. Acest lucru, de fapt, începe deja să insufle anxietate: înțelegem totul corect? Este foarte posibil, totuși, să nu fi ajuns încă la „noua fizică” din punct de vedere al energiei și al cantității de date colectate, iar noi descoperiri revoluționare să fie asociate cu aceasta. Aici, principalele speranțe sunt puse din nou pe Large Hadron Collider, care într-un an și jumătate va începe să funcționeze la energie maximă de 13-14 TeV și va colecta rapid date. Urmăriți știrile!

Mașini de măsurare și descoperire de precizie

Fizica particulelor, care studiază cele mai mici obiecte din natură, are nevoie de facilități uriașe de cercetare în care aceste particule se accelerează, se ciocnesc și se descompun. Cele mai puternice dintre acestea sunt ciocnitoarele.

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

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

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

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

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

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

Comparând ciocnitorii proton-proton și proton-antiproton cu ciocnitorii electron-pozitron, trebuie să țineți cont de faptul că protonul este o particulă compozită, conține quarci și gluoni. Fiecare dintre acești quarci și gluoni transportă doar o fracțiune din energia protonului. Prin urmare, în Large Hadron Collider, de exemplu, energia unei coliziuni elementare (între doi cuarci, între doi gluoni sau un cuarc cu un gluon) este semnificativ mai mică decât energia totală a protonilor care se ciocnesc (14 TeV la parametrii de proiectare) . Din această cauză, gama de energii disponibile pentru studiu asupra acestuia ajunge la „doar” 2-4 TeV, în funcție de procesul studiat. Ciocnitorii electron-pozitroni nu au o astfel de caracteristică: un electron este o particulă elementară, fără structură.

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

Deviație standard(abatere standard) σ х - caracteristică abaterilor aleatorii ale valorii măsurate de la valoarea medie. Probabilitatea ca valoarea măsurată a lui X să difere aleatoriu cu 5σ x de valoarea adevărată este de numai 0,00006%. De aceea, în fizica particulelor elementare, abaterea semnalului de la fundal cu 5σ este considerată suficientă pentru ca semnalul să fie recunoscut ca adevărat.

Particule enumerate în modelul standard, cu excepția protonului, electronului, neutrinului și antiparticulelor lor, sunt instabile: se descompun în alte particule. Cu toate acestea, două din trei tipuri de neutrini ar trebui să fie și ele instabili, dar durata lor de viață este extrem de lungă. În fizica microcosmosului funcționează principiul: tot ce se poate întâmpla se întâmplă cu adevărat. Prin urmare, stabilitatea unei particule este asociată cu un fel de lege de conservare. Legea conservării sarcinii interzice dezintegrarea electronului și pozitronului. Cel mai ușor neutrin (spin 1/2) nu se degradează datorită conservării momentului unghiular. Dezintegrarea unui proton este interzisă de legea conservării încă o „sarcină”, care se numește număr barion (numărul barion al unui proton, prin definiție, este egal cu 1, iar al particulelor mai ușoare - zero).

O altă simetrie internă este asociată cu numărul barionului. Indiferent dacă este precis sau aproximativ, dacă protonul este stabil sau are o durată de viață finită, deși foarte lungă, este subiectul unei discuții separate.

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

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

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

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

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