My v Quantuz (snažíme sa pripojiť ku komunite GT) ponúkame náš preklad časti Higgsovho bozónu na časticovej adventure.org. V tomto texte sme vylúčili neinformatívne obrázky (pozri plnú verziu v origináli). Materiál bude zaujímavý pre každého, kto sa zaujíma o najnovšie úspechy v aplikovanej fyzike.

Úloha Higgsovho bozónu

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

teória z roku 1964

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

Nezávisle od toho iní fyzici vybudovali teóriu základných častíc, nakoniec nazvanú „Štandardný model“, ktorá poskytovala fenomenálnu presnosť (experimentálna presnosť niektorých častí Štandardného modelu dosahuje 1 ku 10 miliardám. To sa rovná predpovedi vzdialenosti medzi New York a San Francisco s presnosťou asi 0,4 mm). Ukázalo sa, že tieto snahy spolu úzko súvisia. Štandardný model potreboval mechanizmus, aby častice získali hmotnosť. Teóriu poľa vyvinuli Peter Higgs, Robert Braut, François Engler, Gerald Guralnik, Karl Hagen a Thomas Kibble.

bozón

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

Aká je hmotnosť bozónu?

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

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

V čase, keď LHC začal zbierať údaje v roku 2010, experimenty na iných urýchľovačoch ukázali, že hmotnosť Higgsovho bozónu musí byť väčšia ako 115 GeV/s2. Počas experimentov na LHC sa plánovalo hľadať dôkazy o bozóne v hmotnostnom rozsahu 115-600 GeV/s2 alebo dokonca vyššom ako 1000 GeV/s2.

Každý rok bolo experimentálne možné vylúčiť bozóny s veľkými hmotnosťami. V roku 1990 bolo známe, že hľadaná hmotnosť by mala byť väčšia ako 25 GeV / s2 a v roku 2003 sa ukázalo, že viac ako 115 GeV / s2

Zrážky vo Veľkom hadrónovom urýchľovači môžu viesť k mnohým zaujímavým veciam

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

« ... pozostatky [výbuchu] v tejto časti vesmíru nie sú viditeľné od ochladenia vesmíru pred 14 miliardami rokov - jar života je prchavá, znova a znova vo všetkých svojich možných variáciách, ako keby sa vesmír zúčastnil na vlastnú verziu filmu Hromnice»

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

Oznámenie

Po polstoročí čakania sa dráma zintenzívnila. Fyzici spali pri vchode do posluchárne, aby sa usadili na seminári v laboratóriu CERN v Ženeve.

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

Najprv sa však pozrime na pozadie.

Ohňostroj 4. júla

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

Samozrejme, keď boli výsledky prezentované, obe spolupráce vykonávajúce experimenty oznámili, že našli dôkazy o existencii častice „ako je Higgsov bozón“ s hmotnosťou asi 125 GeV. Určite to bola častica, a ak to nie je Higgsov bozón, tak jeho veľmi kvalitná napodobenina.

Dôkazy neboli pochybné, vedci mali päť sigma výsledkov, čo znamená, že bola menej ako jedna ku miliónu, že údaje boli len štatistickou chybou.

Higgsov bozón sa rozpadá na iné častice

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

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

Najlepšie rozpadové kanály na hľadanie Higgsovho bozónu sú dvojfotónové a dva Z-bozónové kanály. *

* (Technicky, pre hmotnosť 125 GeV Higgsovho bozónu nie je rozpad na dva Z-bozóny možný, pretože Z-bozón má hmotnosť 91 GeV, v dôsledku čoho má pár hmotnosť 182 GeV, väčšiu ako 125 GeV. Pozorujeme však rozpad na Z-bozón a virtuálny Z-bozón (Z *), ktorých hmotnosť je oveľa menšia.)

Rozpad Higgsovho bozónu na Z + Z

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

Režim rozpadu Z + Z bol pomerne jednoduchý pre experimenty ATLAS a CMS, keď sa oba bozóny Z rozpadli v jednom z dvoch režimov (Z → e + e- alebo Z → µ + µ-). Na obrázku sú štyri pozorované módy rozpadu Higgsovho bozónu:

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

Ako by vyzeral Higgsov bozón v detektore ATLAS

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

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

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

Mechanizmus, ktorý dáva časticiam hmotnosť

Objav Higgsovho bozónu poskytuje neuveriteľné vodítko k mechanizmu, akým základné častice získavajú hmotnosť, ako tvrdia Higgs, Braut, Engler, Gerald, Karl a Kibble. Aký je tento mechanizmus? Ide o veľmi zložitú matematickú teóriu, no jej hlavnú myšlienku možno chápať ako jednoduchú analógiu.

Predstavte si priestor plný Higgsovho poľa ako partiu pokojne komunikujúcich fyzikov s kokteilmi...
V jednej chvíli vstúpi Peter Higgs, ktorý pri pohybe po miestnosti vyvoláva vzrušenie a každým krokom vťahuje skupinu fanúšikov...

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

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

(Prirovnanie pochádza od prof. Davida J. Millera z University College London, ktorý získal cenu za dostupné vysvetlenie Higgsovho bozónu - © CERN)

Ako získa Higgsov bozón svoju vlastnú hmotnosť?

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

Nájdenie hmotnosti Higgsovho bozónu

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

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

Ale ak chcete vypočítať hmotnosť Higgsovho bozónu z častíc, na ktoré sa rozpadol, jednoduché sčítanie hmotností nebude fungovať. Prečo nie?

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

E2 = p2c2 + m2c4

Nájdenie hmoty Higgsovho bozónu z produktov jeho rozpadu

Poznámka od Quantuzu: tu si trochu nie sme istí prekladom, keďže existujú špeciálne výrazy. Pre istotu odporúčame porovnať preklad so zdrojom.

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

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

Môžeme si predstaviť, že toto sú výsledky rozpadu Higgsovho bozónu, ale nie sú.

Údaje o Higgsovom bozóne z pozadia

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

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

Čierne bodky predstavujú počet pozorovaných udalostí, zatiaľ čo čierne čiary cez bodky predstavujú štatistickú neistotu v týchto číslach. Nárast údajov (pozri ďalšiu snímku) pri 125 GeV naznačuje novú časticu 125 GeV (Higgsov bozón).

Animácia vývoja údajov o Higgsovom bozóne pri ich hromadení je na pôvodnej stránke.

Signál Higgsovho bozónu pomaly stúpa nad pozadie.

Údaje o Higgsovom bozóne sa rozpadajú na dva fotóny

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

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

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

Nevýhody prvých údajov

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

"Podiel vetvenia" je jednoducho pravdepodobnosť, že sa častica rozpadne cez daný rozpadový kanál. Tieto proporcie sú predpovedané štandardným modelom a merané prostredníctvom viacerých pozorovaní rozpadov tých istých častíc.

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

Ako viete, či človek pozoruje udalosť kandidáta na Higgsov bozón? Existujú jedinečné parametre, ktoré odlišujú tieto udalosti.

Je častica Higgsovým bozónom?

Zatiaľ čo bol objavený rozpad novej častice, rýchlosť, akou sa to deje, nebola do 4. júla stále jasná. Nebolo ani známe, či objavená častica mala správne kvantové čísla – teda či mala rotáciu a paritu potrebnú pre Higgsov bozón.

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

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

Tieto parametre sú dôležité pri určovaní, či je novou časticou skutočne Higgsov bozón alebo iná neočakávaná častica. Takže všetky dôkazy, ktoré máme, poukazujú na Higgsov bozón zo štandardného modelu.

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

Ak sa však nová častica ukáže ako niečo nepredvídateľné štandardným modelom, otvorí to dvere mnohým novým teóriám a nápadom na testovanie. Neočakávané výsledky si vždy vyžadujú nové vysvetlenia a pomáhajú posunúť teoretickú fyziku dopredu.

Odkiaľ sa vo vesmíre vzala hmota?

V bežnej hmote je prevažná časť hmoty obsiahnutá v atómoch a, aby som bol presný, je obsiahnutý v jadre, ktoré pozostáva z protónov a neutrónov.

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

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

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

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

Ak by nebolo Higgsovo pole?

Ak by neexistovalo Higgsovo pole, aký by bol vesmír?

Nie je to také zrejmé.

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

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

Pravdepodobne by to všetko bola nukleárna záležitosť. A možno sa to všetko zrútilo následkom gravitácie.

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

Je Higgsov bozón bozón štandardného modelu?

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

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

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

Higgsov bozón, jeho miesto medzi elementárnymi časticami a teoreticky predpovedané vlastnosti. Význam hľadania bozónu pre fyzický obraz sveta. Experimenty...

Od spoločnosti Masterweb

10.06.2018 14:00

Higgsov bozón vo fyzike je elementárna častica, ktorá podľa vedcov zohráva zásadnú úlohu pri vzniku hmoty vo vesmíre. Potvrdenie alebo vyvrátenie existencie tejto častice bolo jedným z hlavných cieľov využitia veľkého hadrónového urýchľovača (LHC) – najvýkonnejšieho urýchľovača častíc na svete, ktorý sa nachádza v Európskom laboratóriu pre časticovú fyziku (CERN) neďaleko Ženevy.

Prečo bolo také dôležité nájsť Higgsov bozón

V modernej časticovej fyzike existuje určitý štandardný model. Jediná častica, ktorú tento model predpovedá a ktorú sa vedci dlho snažili nájsť, je pomenovaný bozón. Štandardný model častíc (podľa experimentálnych údajov) popisuje všetky interakcie a transformácie medzi elementárnymi časticami. V tomto modeli však bolo len jedno „biele miesto“ – chýbajúca odpoveď na otázku pôvodu hmoty. O dôležitosti hmoty niet pochýb, pretože bez nej by bol vesmír úplne iný. Ak by elektrón nemal hmotnosť, potom by neexistovali atómy a samotná hmota, neexistovala by biológia a chémia a napokon by neexistoval ani človek.

Na vysvetlenie pojmu existencie hmoty predložilo niekoľko fyzikov, medzi ktorými bol aj Brit Peter Higgs, hypotézu o existencii takzvaného Higgsovho poľa už v 60. rokoch minulého storočia. Analogicky s fotónom, ktorý je časticou elektromagnetického poľa, Higgsovo pole tiež vyžaduje existenciu nosnej častice. Zjednodušene povedané, Higgsove bozóny sú častice, z ktorých sa tvorí Higgsovo pole.

Higgsova častica a pole, ktoré vytvára

Všetky elementárne častice možno rozdeliť do dvoch typov:

• Fermióny.
• bozóny.

Fermióny sú častice, ktoré tvoria hmotu, ktorú poznáme, ako sú protóny, elektróny a neutróny. Bozóny sú elementárne častice, ktoré spôsobujú rôzne typy interakcií medzi fermiónmi. Bozóny sú napríklad fotón - nosič elektromagnetickej interakcie, gluón - nosič silnej alebo jadrovej interakcie, bozóny Z a W, ktoré sú zodpovedné za slabú interakciu, teda za premeny medzi elementárnymi časticami.

Ak hovoríme jednoducho o Higgsovom bozóne a o význame hypotézy, ktorá vysvetľuje výskyt hmoty, potom by sme si mali predstaviť, že tieto bozóny sú rozmiestnené v priestore Vesmíru a tvoria súvislé Higgsovo pole. Keď akékoľvek teleso, atóm alebo elementárna častica zažije „trenie“ o toto pole, to znamená, že s ním interaguje, potom sa táto interakcia prejaví ako existencia hmoty v tomto tele alebo častici. Čím viac sa teleso časticou „otiera“ o Higgsovo pole, tým je jej hmotnosť väčšia.

Ako môžete nájsť a kde vykopať Higgsov bozón

Tento bozón nie je možné priamo detegovať, keďže (podľa teoretických údajov) sa po objavení okamžite rozpadne na ďalšie stabilnejšie elementárne častice. Ale častice, ktoré sa objavili po rozpade Higgsovho bozónu, sa už dajú zistiť. Sú to „stopy“, ktoré svedčia o existencii tejto dôležitej častice.

Vedci sa zrazili s vysokoenergetickými protónovými lúčmi, aby detekovali časticu Higgsovho bozónu. Obrovská energia protónov pri zrážke je schopná premeniť sa na hmotu podľa známej rovnice Alberta Einsteina E = mc2. V kolíznej zóne protónov v zrážači sa nachádza množstvo detektorov, ktoré umožňujú registrovať vzhľad a rozpad akýchkoľvek častíc.

Hmotnosť Higgsovho bozónu nebola teoreticky stanovená, ale bol určený iba možný súbor jeho hodnôt. Detekcia častíc vyžaduje výkonné urýchľovače. Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) je v súčasnosti najvýkonnejším urýchľovačom na planéte Zem. S jeho pomocou bolo možné zraziť protóny s energiami blízkymi 14 tetraelektrónvoltom (TeV). V súčasnosti pracuje pri energiách okolo 8 TeV. Ale aj tieto energie sa ukázali ako dostatočné na odhalenie Higgsovho bozónu alebo častice Boha, ako to mnohí nazývajú.

Náhodné a skutočné udalosti

Vo fyzike elementárnych častíc sa existencia udalosti posudzuje s určitou pravdepodobnosťou „sigma“, ktorá určuje náhodnosť alebo reálnosť tejto udalosti získanej v experimente. Na zvýšenie pravdepodobnosti udalosti je potrebné analyzovať veľké množstvo údajov. Hľadanie a objavenie Higgsovho bozónu je pravdepodobnou udalosťou tohto druhu. Na detekciu tejto častice LHC vygeneroval asi 300 miliónov zrážok za jednu sekundu, takže množstvo údajov, ktoré bolo potrebné analyzovať, bolo obrovské.

O reálnom pozorovaní konkrétnej udalosti môžeme s istotou hovoriť, ak je jej "sigma" 5 alebo viac. To je ekvivalentné udalosti s mincou (ak ju hodíte a zasiahne hlavy 20-krát za sebou). Tento výsledok zodpovedá pravdepodobnosti menšej ako 0,00006 %.

Hneď po objavení tejto „novej“ skutočnej udalosti je potrebné ju podrobne študovať a odpovedať na otázku, či táto udalosť zodpovedá Higgsovej častici alebo je to nejaká iná častica. Na to je potrebné starostlivo preštudovať vlastnosti produktov rozpadu tejto novej častice a porovnať ich s výsledkami teoretických predpovedí.

Experimenty s LHC a objav častice hmoty

Hľadanie častice hmoty, ktoré sa uskutočnilo na urýchľovačoch LHC v Ženeve a Tevatron v laboratóriu Fermi v Spojených štátoch, ukázalo, že častica Boha musí mať hmotnosť väčšiu ako 114 gigaelektrónvoltov (GeV), ak sú vyjadrené v energetických hodnotách. Povedzme napríklad, že hmotnosť jedného protónu zodpovedá približne 1 GeV. Ďalšie experimenty, ktoré boli zamerané na nájdenie tejto častice, zistili, že jej hmotnosť nemôže prekročiť 158 GeV.

Prvé výsledky hľadania Higgsovho bozónu v LHC boli prezentované už v roku 2011 vďaka analýze údajov, ktoré sa na urýchľovači zbierali za jeden rok. Počas tejto doby sa na tomto probléme uskutočnili dva hlavné experimenty – ATLAS a CMS. Podľa týchto experimentov má bozón hmotnosť medzi 116 a 130 GeV alebo medzi 115 a 127 GeV. Je zaujímavé, že v oboch týchto experimentoch na LHC je podľa mnohých indícií hmotnosť bozónu v úzkej oblasti medzi 124 a 126 GeV.

Peter Higgs spolu s kolegom Frankom Englertom dostali 8. októbra 2013 Nobelovu cenu za objav teoretického mechanizmu na pochopenie existencie hmoty v elementárnych časticiach, čo potvrdili experimenty ATLAS a CMS na LHC v CERN. (Ženeva), kedy bol objavený experimentálne predpovedaný bozón.

Význam objavu Higgsovej častice pre fyziku

Zjednodušene vysvetlíme objav Higgsovho bozónu a môžeme povedať, že to znamenalo začiatok novej etapy vo fyzike elementárnych častíc, keďže táto udalosť poskytla nové možnosti pre ďalší výskum javov vo vesmíre. Napríklad štúdium povahy a vlastností čiernej hmoty, ktorá podľa všeobecných odhadov tvorí asi 23 % celého známeho Vesmíru, no ktorej vlastnosti zostávajú dodnes záhadou. Objav častice Boha umožnil premýšľať a vykonávať nové experimenty v LHC, ktoré pomôžu objasniť túto otázku.

Vlastnosti bozónu

Mnohé z vlastností častice Boha, ktoré sú opísané v štandardnom modeli elementárnych častíc, sú teraz plne preukázané. Tento bozón má nulový spin, nemá elektrický náboj ani farbu, takže neinteraguje s inými bozónmi, ako je fotón a gluón. Interaguje však so všetkými časticami, ktoré majú hmotnosť: kvarky, leptóny a bozóny slabých interakcií Z a W. Čím väčšia je hmotnosť častice, tým silnejšie interaguje s Higgsovým bozónom. Navyše je tento bozón antičasticou sám o sebe.

Hmotnosť častice, jej priemerná životnosť a interakcia medzi bozónmi nie sú predpovedané teóriou. Tieto veličiny je možné merať iba experimentálne. Výsledky experimentov na LHC v CERN (Ženeva) ukázali, že hmotnosť tejto častice leží v rozmedzí 125-126 GeV a jej životnosť je približne 10-22 sekúnd.

Otvorený bozón a vesmírna apokalypsa

Objav tejto častice sa považuje za jeden z najdôležitejších v celej histórii ľudstva. Experimenty s týmto bozónom pokračujú a vedci získavajú nové výsledky. Jedným z nich bol fakt, že bozón môže viesť k zničeniu vesmíru. Navyše sa tento proces už začal (podľa vedcov). Jadro problému je nasledovné: Higgsov bozón sa môže zrútiť sám od seba v ktorejkoľvek časti vesmíru. Tým sa vytvorí energetická bublina, ktorá sa postupne rozširuje a pohlcuje všetko, čo jej stojí v ceste.

Na otázku, či bude koniec sveta, odpovedá každý vedec kladne. Ide o to, že existuje teória zvaná „Stellar Model“. Postuluje jasné tvrdenie: všetko má svoj začiatok a svoj koniec. Podľa moderných predstáv bude koniec Vesmíru vyzerať takto: zrýchlená expanzia Vesmíru vedie k rozptýleniu hmoty vo vesmíre. Tento proces bude pokračovať, kým nezhasne posledná hviezda, po ktorej sa vesmír ponorí do večnej temnoty. Ako dlho to bude trvať, nikto nevie.

S objavom Higgsovho bozónu sa objavila ďalšia teória súdneho dňa. Faktom je, že niektorí fyzici veria, že výsledná hmotnosť bozónu je jednou z možných časových hmôt, existujú pre ňu iné hodnoty. Tieto hodnoty hmotnosti možno tiež realizovať, keďže (jednoducho povedané) Higgsov bozón je elementárna častica, ktorá môže vykazovať vlnové vlastnosti. To znamená, že existuje možnosť jeho prechodu do stabilnejšieho stavu zodpovedajúceho väčšej hmotnosti. Ak k takémuto prechodu dôjde, potom všetky prírodné zákony, ktoré pozná človek, nadobudnú inú podobu, preto príde nám známy koniec vesmíru. Navyše, tento proces už mohol nastať v ktorejkoľvek časti vesmíru. Ľudstvo nemá veľa času na svoju existenciu.

Sociálne výhody LHC a iných urýchľovačov častíc

Technológie, ktoré sa vyvíjajú pre urýchľovače častíc, sú užitočné aj pre medicínu, informatiku, priemysel a životné prostredie. Pre medicínske diagnostické technológie sa dajú využiť napríklad zrážacie magnety zo supravodivých materiálov, pomocou ktorých sa urýchľujú elementárne častice. V pozitrónovej tomografii možno využiť moderné detektory rôznych častíc vytvorených v zrážači (pozitrón je antičastica elektrónu). Navyše, technológie vytvárania lúčov z elementárnych častíc v LHC možno použiť na liečbu rôznych chorôb, napríklad rakovinových nádorov.

Čo sa týka prínosu výskumu pomocou LHC v CERN (Ženeva) pre informačné technológie, treba povedať, že globálna počítačová sieť GRID, ako aj samotný internet, vďačia za svoj rozvoj v mnohých ohľadoch experimentom s urýchľovačmi častíc. , ktorá vyprodukovala obrovské množstvo dát. Potreba zdieľať tieto údaje medzi vedcami na celom svete viedla v CERN k vytvoreniu Tim Burnels-Lee z World Wide Web (WWW), jazyka, na ktorom je založený internet.

Lúče častíc, ktoré vznikli a vznikajú v rôznych druhoch urýchľovačov, sa v súčasnosti široko používajú v priemysle na štúdium vlastností nových materiálov, štruktúry biologických objektov a produktov chemického priemyslu. Pokroky v časticovej fyzike sa využívajú pri navrhovaní solárnych panelov, pri spracovaní rádioaktívneho odpadu atď.

Vplyv objavu Higgsovej častice na literatúru, film a hudbu

O senzačnosti správy o objave častice hmoty vo fyzike svedčia nasledujúce fakty:

• Po objavení tejto častice vznikla populárno-náučná kniha "Božia častica: ak je vesmír odpoveďou, aká je potom otázka?" Lev Liderman. Fyzici veria, že nazývať Higgsov bozón časticou Boha je prehnané.
• Vo filme „Anjeli a démoni“, ktorý je natočený podľa rovnomennej knihy, je použitý aj názov bozónu „častica Boha“.
• Sci-fi film Solaris s Georgom Clooneym a Natashou McElhone v hlavných úlohách predkladá teóriu, ktorá spomína Higgsovo pole a jeho dôležitú úlohu pri stabilizácii subatomárnych častíc.
• V sci-fi knihe Flash Forward, ktorú napísal Robert Sawyer v roku 1999, dvaja vedci spôsobujú celosvetovú katastrofu, keď experimentujú s detekciou Higgsovho bozónu.
• Španielsky televízny seriál „The Ark“ rozpráva o globálnej katastrofe, pri ktorej boli všetky kontinenty zaplavené v dôsledku experimentov na veľkom hadrónovom urýchľovači a prežili iba ľudia na lodi Polar Star.
• Hudobná skupina z Madridu „Aviador Dro“ vo svojom albume „Voice of Science“ venovala pieseň nájdenému bozónu hmoty.
• Austrálsky spevák Nick Cave nazval jednu z piesní „The Blue Higgs Boson“ vo svojom albume „Push the Sky Away“.

Kyjevská ulica, 16 0016 Arménsko, Jerevan +374 11 233 255

Dá sa argumentovať veľkou sumou, že väčšina z vás (vrátane ľudí zaujímajúcich sa o vedu) nemá veľmi dobrú predstavu o tom, čo fyzici našli vo Veľkom hadrónovom urýchľovači, prečo to tak dlho hľadali, a čo bude ďalej.

Preto krátky príbeh o tom, čo je Higgsov bozón.

Musíme začať so skutočnosťou, že ľudia sú vo všeobecnosti veľmi chudobní na to, aby vo svojich mysliach prezentovali to, čo sa deje v mikrokozme, na úrovni elementárnych častíc.

Napríklad mnohí zo školy si predstavujú, že elektróny sú také malé žlté guľôčky, ako miniplanétky, ktoré sa točia okolo jadra atómu, inak to vyzerá ako malina, zložená z červených a modrých protónov-neutrónov. Kto trochu pozná kvantovú mechaniku z populárnych kníh, predstaví si elementárne častice v podobe akýchsi rozmazaných oblakov. Keď nám povieme, že akákoľvek elementárna častica je súčasne vlna, predstavíme si vlny na mori (alebo v oceáne): povrch trojrozmerného média, ktoré periodicky osciluje. Ak povieme, že častica je udalosť v určitom poli, predstavíme si pole (niečo také bzučí v prázdnote, ako transformátorová skrinka).

Toto všetko je veľmi zlé. Slová „častica“, „pole“ a „vlna“ odrážajú realitu mimoriadne zle a nie je možné si ich nijako predstaviť. Akýkoľvek vizuálny obraz vám príde na myseľ, bude nesprávny a bude zasahovať do porozumenia. Elementárne častice nie sú niečo, čo by ste v princípe mohli vidieť alebo sa ich „dotknúť“, a my, potomkovia opíc, sme stvorení na to, aby sme si predstavovali iba takéto veci. Nie je pravda, že elektrón (alebo fotón alebo Higgsov bozón) „je častica aj vlna“; toto je niečo tretie, pre čo v našom jazyku nikdy neboli slová (ako zbytočné). My (v zmysle ľudstvo) vieme, ako sa správajú, vieme s nimi urobiť nejaké výpočty, vieme s nimi usporiadať experimenty, ale nevieme im nájsť dobrý mentálny obraz, pretože veci, ktoré sa aspoň zhruba podobajú elementárnym časticiam na našom šupiny sa vôbec nevyskytujú.

Profesionálni fyzici sa ani len nepokúšajú vizuálne (alebo čokoľvek iné v zmysle ľudských pocitov) predstaviť si, čo sa deje v mikrokozme; toto je zlá cesta, nikam nevedie. Postupne si vypestujú určitú intuíciu o tom, aké predmety tam žijú a čo sa s nimi stane, ak urobíte to a to, ale laik to pravdepodobne nedokáže duplikovať.

Tak dúfam, že už nemyslíš na malé loptičky. Teraz o tom, čo hľadali a našli vo Veľkom hadrónovom urýchľovači.

Všeobecne uznávaná teória fungovania sveta v najmenšom meradle sa nazýva štandardný model. Náš svet je podľa nej usporiadaný takto. Obsahuje niekoľko zásadne odlišných typov látok, ktoré sa navzájom ovplyvňujú rôznymi spôsobmi. Niekedy je vhodné hovoriť o takých interakciách, ako je výmena nejakých „objektov“, ktorým môžete merať rýchlosť, hmotnosť, môžete ich zrýchľovať alebo sa navzájom zraziť atď. V niektorých prípadoch je vhodné ich nazývať (a myslieť na ne) ako nosné častice. V modeli je 12 typov takýchto častíc. Pripomínam, že všetko, o čom teraz píšem, je stále nepresné a vulgárne; ale dúfajme, že stále oveľa menej ako väčšina správ v médiách. (Napríklad „Echo Moskvy“ zo 4. júla sa vyznačovalo frázou „5 bodov na stupnici sigma“; znalí ocenia).

Tak či onak, 11 z 12 častíc štandardného modelu už bolo pozorovaných predtým. 12. je Higgsov bozón, ktorý dáva mnohým iným časticiam ich hmotnosť. Veľmi dobré (ale, samozrejme, aj nesprávne) prirovnanie, ktoré som nevymyslel ja: predstavte si dokonale hladký biliardový stôl, na ktorom sú biliardové gule-elementárne častice. Ľahko lietajú rôznymi smermi a pohybujú sa kdekoľvek bez rušenia. Teraz si predstavte, že stôl je pokrytý nejakou lepkavou hmotou, ktorá bráni pohybu častíc: toto je Higgsovo pole a nakoľko sa častica prilepí na takýto povlak, je jej hmotnosť. S niektorými časticami Higgsovo pole nijako neinteraguje, napríklad s fotónmi, a ich hmotnosť sa rovná nule; možno si predstaviť, že fotóny sú ako puk vo vzdušnom hokeji a povlak si vôbec nevšimneme.

Celé toto prirovnanie je nesprávne napríklad preto, že hmota na rozdiel od nášho lepkavého povlaku bráni častici v pohybe, ale zrýchľovaní, no dáva akúsi ilúziu pochopenia.

Higgsov bozón je častica zodpovedajúca tomuto lepkavému poľu. Predstavte si veľmi tvrdý úder na biliardový stôl, ktorý poškodí látku a rozdrví malé množstvo lepkavej hmoty do bublinkového záhybu, ktorý sa veľmi rýchlo rozšíri späť. Tu je to.

V skutočnosti je to presne to, čo Veľký hadrónový urýchľovač robil celé tie roky a asi takto vyzeral proces získavania Higgsovho bozónu: bili sme zo všetkých síl po stole, kým sa plátno nezačalo otáčať z veľmi statický, tvrdý a lepkavý povrch do niečoho - niečoho zaujímavejšieho (alebo kým sa nestane niečo ešte úžasnejšie, nepredpokladané teóriou). Preto je LHC taký veľký a výkonný: už sa pokúšali trafiť do stola s menšou energiou, no neúspešne.

Teraz o notoricky známej 5 sigme. Problém vyššie uvedeného procesu je, že môžeme len klopať a dúfať, že z toho niečo vzíde; zaručený recept na získanie Higgsovho bozónu neexistuje. Horšie je, že keď sa ešte narodil, musíme ho stihnúť zaregistrovať (samozrejme, nie je možné ho vidieť a existuje len zlomok sekundy). Akýkoľvek detektor použijeme, môžeme len povedať, že sa zdá, možno sme niečo podobné pozorovali.

Teraz si predstavte, že máme špeciálnu kocku; náhodne padne na jednu zo šiestich stien, ale ak je Higgsov bozón v tom čase vedľa nej, šesť nikdy nevypadne. Toto je typický detektor. Ak hodíme kockou raz a súčasne narazíme celou silou na stôl, potom nám vo všeobecnosti žiadny výsledok nič presne nepovie: hodili ste 4? Je to veľmi pravdepodobná udalosť. Spadlo 6? Možno sme len v nesprávnom momente mierne trafili do stola a bozón, hoci existuje, sa nestihol zrodiť v správnom momente, alebo sa naopak stihol rozpadnúť.

Ale tento experiment môžeme urobiť niekoľkokrát a dokonca mnohokrát! Dobre, hodme kockou 60 000 000 krát. Predpokladajme, že v tomto prípade šestka padla „len“ 9 500 000-krát a nie 10 000 000; Znamená to, že sa bozón z času na čas objaví, alebo je to len prípustná nehoda - neveríme, že kosť by mala ležať ako šestka hladká 10 miliónov krát zo 60?

No, uh. Takéto veci sa neposudzujú podľa oka, treba zvážiť, aká veľká je odchýlka, a ako súvisí s prípadnými nehodami. Čím väčšia je odchýlka, tým je menej pravdepodobné, že si kosť len tak ľahne, a tým je pravdepodobnejšie, že sa z času na čas (nie vždy) objaví nová elementárna častica, ktorá jej zabráni ľahnúť si ako šestku. . Odchýlka od priemeru je vhodne vyjadrená v sigma. „Jedna sigma“ je úroveň odchýlky, ktorá je „najočakávanejšia“ (jej konkrétnu hodnotu si môže vypočítať každý študent tretieho ročníka FZF). Ak existuje veľa experimentov, odchýlka 5 sigma je úroveň, pri ktorej sa názor „šanca je nepravdepodobná“ zmení na absolútne solídnu dôveru.

Fyzici 4. júla oznámili, že približne táto úroveň odchýlok bola naraz dosiahnutá na dvoch rôznych detektoroch. Oba detektory sa správali veľmi podobne, ako by sa správali, keby častica produkovaná silnými dopadmi na stôl bola skutočne Higgsovým bozónom; prísne vzaté, to neznamená, že je to on, kto je pred nami, všetky jeho ostatné vlastnosti musíme merať všelijakými inými detektormi. Ale zostáva len málo pochybností.

Konečne, čo nás čaká v budúcnosti. Bola objavená „nová fyzika“ a došlo k prelomu, ktorý nám bude užitočný pri vytváraní hyperpriestorových motorov a absolútneho paliva? nie; a dokonca aj naopak: ukázalo sa, že v tej časti fyziky, ktorá študuje elementárne častice, sa zázraky nedejú a príroda je usporiadaná prakticky tak, ako to fyzici celú cestu očakávali (no, alebo takmer tak). Je to dokonca trochu smutné.

Situáciu komplikuje fakt, že absolútne pevne vieme, že presne takto sa to v princípe zariadiť nedá. Štandardný model je čisto matematicky nekompatibilný s Einsteinovou teóriou všeobecnej relativity a oboje súčasne jednoducho nemôže byť pravdivé.

A kam sa teraz hrabať, to ešte nie je celkom jasné (nie že by tam neboli vôbec žiadne myšlienky, skôr naopak: rôznych teoretických možností je priveľa a spôsobov ich testovania je oveľa menej). No, možno to niekto pochopí, ale pre mňa určite nie. A tak som v tomto príspevku už dávno prekročil svoju kompetenciu. Ak som niekde klamal, opravte ma.

- Čo dá nová častica vedcom a obyčajným ľuďom?

Hlavnými smermi vývoja modernej základnej fyziky sú fyzika elementárnych častíc a kozmológia - veda o vývoji vesmíru. Za posledných 10-15 rokov sa ukázalo, že zariadenia mikro- a makrokozmu spolu úzko súvisia. Objav v jednej oblasti dáva silný impulz rozvoju inej.

Objav Higgsovho bozónu umožní vedcom potvrdiť, že základ modernej fyziky – Štandardný model – je spoľahlivým základom pre ďalší rozvoj nášho chápania prírody. Predpoveď o existencii Higgsovej častice sa experimentálne nepotvrdila celé desaťročia, čo bola temná škvrna pre celú fyziku elementárnych častíc. Objav Higgsovho bozónu potvrdzuje správnosť hlavného smeru vývoja a značne zužuje možnosti alternatívnych teórií tak v mikro-, ako aj v makrokozme. To umožní efektívnejšie využitie rozpočtových prostriedkov.

- Kde je možné uplatniť objav nového bozónu?

Je priskoro o tom hovoriť. V prvom rade si treba poriadne naštudovať jeho vlastnosti a až potom sa zamyslieť nad aplikáciou. Už teraz sa skúmajú možnosti využitia Higgsových častíc pri vysvetľovaní najskoršieho štádia formovania vesmíru. A tiež fenomén temnej energie. Posledný doteraz nevysvetlený jav bol objavený v roku 1998 pri pozorovaní zrýchlenej recesie kvazarov - najjasnejších objektov vo vesmíre. Tento efekt možno vysvetliť len predpokladom nie celkom obyčajných vlastností látky, ktorá napĺňa vesmír.

- Aký impulz pre vývoj nových technológií môže dať táto častica?

Z histórie vedy je známe, že zásadné objavy nevedú hneď k vzniku nových technológií. Známym príkladom je objav Michaela Faradaya zákonov elektromagnetickej indukcie, ktorého uplatnenie v technike sa zdalo krajne pochybné. Teraz, takmer o 200 rokov neskôr, je ťažké si predstaviť náš svet bez elektriny. Ďalším príkladom je neutríno objavené v roku 1933, ktoré interaguje s hmotou tak slabo, že môže prejsť Zemou bez toho, aby si to vôbec všimlo. Dlho sa zdalo, že častica s takouto vlastnosťou len ťažko nájde uplatnenie. Vedci sa však teraz pokúšajú využiť neutrína na prenos signálov cez husté médiá a na detekciu stôp po jadrových reakciách na veľkú vzdialenosť.

Podobná situácia je aj s Higgsovou časticou. Zjavne musí uplynúť viac ako tucet rokov, kým budú zrejmé možnosti uplatnenia tohto fenoménu v technológii. V prvom rade sa budú rozvíjať príbuzné vedné odbory, potom sa vplyv bude šíriť ďalej. Môže sa ukázať, že z tohto objavu budú môcť ťažiť len ďalšie generácie, rovnako ako my teraz využívame Faradayove objavy.

Rozvoj modernej vedy napreduje zrýchleným tempom a rôznymi smermi. Napríklad ruský urýchľovač ťažkých iónov Nika je vo výstavbe v Dubne. Bude fungovať v energetickom rozsahu, ktorý nepokrýva žiadna z existujúcich inštalácií na svete, vrátane veľkého hadrónového urýchľovača. Práve v tejto oblasti energií je šanca získať zmiešanú fázu jadrovej hmoty – stav, v ktorom súčasne existujú častice uvoľnené z jadra – kvarky a gluóny. Voľné kvarky sa zatiaľ nikomu na svete nepodarilo „uloviť“.

Akademik Valery Rubakov, Inštitút pre jadrový výskum RAS a Moskovská štátna univerzita.

Dňa 4. júla 2012 došlo k udalosti mimoriadneho významu pre fyziku: na seminári v CERN-e (Európskom centre pre jadrový výskum) bol ohlásený objav novej častice, ktorý, ako autori objavu opatrne deklarujú, do r. svojimi vlastnosťami zodpovedá teoreticky predpovedanému elementárnemu bozónu Štandardného modelu elementárnej fyziky.častice. Zvyčajne sa nazýva Higgsov bozón, aj keď tento názov nie je úplne adekvátny. Nech je to akokoľvek, hovoríme o objave jedného z hlavných objektov fundamentálnej fyziky, ktorý nemá medzi známymi elementárnymi časticami obdobu a vo fyzikálnom obraze sveta zaujíma jedinečné miesto (pozri „Veda a život“ č. 1, 1996, článok "Bozón Higgs je potrebný!").

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

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

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

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

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

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

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

Častice zrýchlené na obrovské energie vo Veľkom hadrónovom urýchľovači sa zrážajú, čím vzniká množstvo sekundárnych častíc – produktov reakcie. Medzi nimi bol objavený Higgsov bozón, ktorý fyzici dúfali nájsť takmer pol storočia.

Začiatkom 60. rokov 20. storočia anglický fyzik Peter W. Higgs dokázal, že v Štandardnom modeli elementárnych častíc musí existovať ďalší bozón – kvantum poľa, ktoré vytvára hmotu.

Čo sa dialo na seminári a pred ním

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

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

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

Čo je nová častica

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

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

V priebehu tohto programu bola objavená nová častica, pomerne ťažká podľa štandardov fyziky mikrosveta. V tejto oblasti vedy sa hmotnosť meria v jednotkách energie, čo znamená vzťah E = mc 2 medzi hmotnosťou a pokojovou energiou. Jednotkou energie je elektrónvolt (eV) - energia, ktorú elektrón získa po prejdení potenciálového rozdielu 1 volt, a jej deriváty - MeV (milión, 10 6 eV), GeV (miliarda, 10 9 eV), TeV (bilión, 10 12 eV) ... Hmotnosť elektrónu v týchto jednotkách je 0,5 MeV, protón - asi 1 GeV, najťažšia známa elementárna častica, t-kvark - 173 GeV. Takže hmotnosť novej častice je 125-126 GeV (neistota je spojená s chybou merania). Nazvime túto novú časticu N.

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

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

Vo viac ako polovici prípadov by sa Higgsov bozón mal rozpadnúť na pár b-kvark - b-antikvark: H → bb̃. Vytváranie páru bb̃ pri zrážkach protón-protón (a protón-antiprotón) je veľmi častým javom bez Higgsovho bozónu a zatiaľ sa nepodarilo oddeliť signál z neho od tohto „šumu“ (fyzici hovoria – pozadie ) v experimentoch na LHC. Čiastočne sa tak stalo na zrážači Tevatron a hoci štatistická spoľahlivosť je tam citeľne nižšia, aj tieto údaje súhlasia s predpoveďami štandardného modelu.

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

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

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

Prečo ďalší bozón?

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

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

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

Uvažujme aspoň vo všeobecnosti o úlohe symetrie vo fyzike mikrosveta.

Symetrie, zákony ochrany a zákazy

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

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

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

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

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

Niečo je zle

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

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

Analógia s elektrodynamikou ide ešte ďalej. Podobne ako fotónová teória, aj teória W ± - a Z-bozónov má hlbokú vnútornú symetriu, blízku tej, ktorá vedie k zákonu zachovania elektrického náboja. Úplne analogicky s fotónom zakazuje, aby bozóny W ± a Z mali tretiu polarizáciu, a teda aj hmotnosť. Tu nastáva rozpor: zákaz symetrie hmotnosti častice so spinom 1 funguje pre fotón, ale pre W ± a Z-bozóny neexistujú!

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

Na objasnenie podstaty problému najskôr vypnite hmotnosť elektrónu (teoreticky je to povolené) a uvažujte o imaginárnom svete, v ktorom je hmotnosť elektrónu nulová. V takomto svete letí elektrón rýchlosťou svetla a môže mať rotáciu nasmerovanú buď v smere pohybu, alebo proti nemu. Pokiaľ ide o fotón, v prvom prípade má zmysel hovoriť o elektróne s pravou polarizáciou alebo, skrátka, o pravom elektróne, v druhom - o ľavom.

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

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

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

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

Projekcia spinu do smeru pohybu bude teraz kladná a takýto elektrón sa bude javiť ako pravý, nie ľavý. V súlade s tým by mal byť jeho náboj Z rovnaký ako náboj pravého elektrónu z imaginárneho sveta. Ale to nemôže byť: hodnota poplatku by nemala závisieť od referenčného rámca. Rozpor je zrejmý. Zdôrazňujeme, že sme k tomu dospeli za predpokladu, že Z-náboj je zachovaný; inak sa o jej význame pre danú časticu netreba baviť.

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

Vzhľadom na to, že mali viesť k zachovaniu Z-náboja. Meraním Z-náboja elektrónu by sme mohli jednoznačne povedať, či je tento elektrón ľavý alebo pravý. A to je možné len vtedy, keď je hmotnosť elektrónu nulová.

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

Porušenie symetrie

Keď hovoríme o spojitosti medzi symetriou a zákonmi a zákazmi zachovania, stratili sme zo zreteľa jednu okolnosť. Spočíva v tom, že zákony zachovania a zákazy symetrie sú splnené iba vtedy, keď je symetria explicitne prítomná. Aj symetrie sa však dajú narušiť. Napríklad v homogénnej vzorke železa pri izbovej teplote môže byť magnetické pole nasmerované jedným smerom; potom je vzorka magnetom. Ak by v ňom žili mikroskopické bytosti, zistili by, že nie všetky smery priestoru sú rovnaké. Lorentzova sila pôsobí na elektrón letiaci cez magnetické pole zo strany magnetického poľa a sila nepôsobí na elektrón letiaci pozdĺž neho. Elektrón sa pohybuje pozdĺž magnetického poľa v priamke, cez pole v kruhu a vo všeobecnom prípade - v špirále. Preto magnetické pole vo vnútri vzorky narúša symetriu vzhľadom na rotácie v priestore. V tomto ohľade nie je vo vnútri magnetu splnený ani zákon zachovania momentu hybnosti: keď sa elektrón pohybuje po špirále, priemet momentu hybnosti na os kolmú na magnetické pole sa časom mení.

Tu máme do činenia so spontánnym narušením symetrie. Pri absencii vonkajších vplyvov (napríklad magnetického poľa Zeme) v rôznych vzorkách železa môže byť magnetické pole nasmerované rôznymi smermi a žiadny z týchto smerov nie je výhodnejší ako druhý. Počiatočná symetria vzhľadom na rotácie stále existuje a prejavuje sa tým, že magnetické pole vo vzorke môže byť nasmerované kamkoľvek. Akonáhle však vzniklo magnetické pole, objavil sa preferovaný smer a symetria vnútri magnetu bola narušená. Na formálnejšej úrovni sú rovnice, ktorými sa riadi interakcia atómov železa medzi sebou a s magnetickým poľom, symetrické vzhľadom na rotácie v priestore, ale stav systému týchto atómov - vzorky železa - je asymetrický. Ide o jav spontánneho narušenia symetrie. Všimnite si, že tu hovoríme o najpriaznivejšom stave s najnižšou energiou; takýto stav sa nazýva základný. V tom skončí vzorka železa, aj keď pôvodne nebola magnetizovaná.

Takže spontánne narušenie nejakej symetrie nastáva, keď rovnice teórie sú symetrické, ale základný stav nie je. Slovo „spontánny“ sa v tomto prípade používa v súvislosti s tým, že systém sám bez našej účasti volí asymetrický stav, keďže práve tento je energeticky najvýhodnejší. Z uvedeného príkladu je zrejmé, že ak dôjde k samovoľnému porušeniu symetrie, tak zákony zachovania a z toho vyplývajúce zákazy nefungujú; v našom príklade sa to týka zachovania momentu hybnosti. Zdôrazňujeme, že úplná symetria teórie môže byť porušená len čiastočne: v našom príklade z úplnej symetrie vzhľadom na všetky rotácie v priestore zostáva symetria vzhľadom na rotácie okolo smeru magnetického poľa explicitná, neprerušená.

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

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

Mechanizmus generovania hmotností častíc so spinom 1 (v prírode ide o W ± a Z-bozóny) v dôsledku spontánneho narušenia symetrie navrhli v kontexte fyziky elementárnych častíc teoretici z Bruselu François Engler a Robert Braut v roku 1964 a o niečo neskôr - fyzik z Edinburghu Peter Higgs ...

Výskumníci sa opierali o koncept spontánneho narušenia symetrie (avšak v teóriách bez vektorových polí, teda bez častíc spin 1), ktorý v rokoch 1960-1961 vo svojich prácach zaviedol J. Nambu, on spolu s J. Yona- Lasinio, V. G. Wax a A. I. Larkin, J. Goldstone (Yoichiro Nambu dostal za toto dielo v roku 2008 Nobelovu cenu). Na rozdiel od predchádzajúcich autorov Engler, Braut a Higgs uvažovali o teórii (v tom čase špekulatívnej), v ktorej sú prítomné skalárne (spin 0) aj vektorové polia (spin 1). V tejto teórii existuje vnútorná symetria, úplne analogická symetrii elektrodynamiky, ktorá vedie k zachovaniu elektrického náboja a k zákazu hmotnosti fotónu. Ale na rozdiel od elektrodynamiky je vnútorná symetria spontánne narušená rovnomerným skalárnym poľom vo vákuu. Pozoruhodným výsledkom Englera, Brauta a Higgsa bola demonštrácia skutočnosti, že toto narušenie symetrie automaticky vedie k objaveniu sa hmoty v častici spin 1 - kvante vektorového poľa!

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

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

Tu je potrebné objasniť. Opakujeme, že ak by nedošlo k spontánnemu narušeniu symetrie, potom by bozóny W ± - a Z boli bez hmotnosti. Každý z troch bozónov W +, W -, Z by mal, podobne ako fotón, dve polarizácie. Celkovo, ak by sme častice s rôznou polarizáciou považovali za nerovnaké, mali by sme 2 × 3 = 6 typov W ± - a Z-bozónov. V štandardnom modeli sú W ± - a Z-bozóny masívne, každý z nich má tri spinové stavy, teda tri polarizácie, spolu 3 × 3 = 9 typov častíc - kvantá polí W ±, Z. Otázka znie, odkiaľ sa vzali tri „extra“ typy? kvantá? Ide o to, že Štandardný model musí mať nie jedno, ale štyri skalárne polia Engler – Braut – Higgs. Kvantom jedného z nich je Higgsov bozón. A kvantá ostatných troch sa v dôsledku spontánneho narušenia symetrie len premenia na tri „extra“ kvantá, ktoré sú prítomné v masívnych W ± - a Z-bozónoch. Boli nájdené už dávno, pokiaľ je známe, že bozóny W ± - a Z majú hmotnosť: tri "extra" spinové stavy W + -, W - a Z - bozóny - to sú oni.

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

Higgsov bozón je teda kvantom jedného zo štyroch Angler-Braut-Higgsových skalárnych polí v štandardnom modeli. Tri ďalšie sú zjedené (vedecký termín!) W ± - a Z-bozóny, čím sa premenia do tretieho, chýbajúceho spinového stavu.

Naozaj potrebujete nový bozón?

Najprekvapujúcejšie na tomto príbehu je, že dnes už chápeme, že mechanizmus Engler – Braut – Higgs v žiadnom prípade nie je jediným možným mechanizmom na narúšanie symetrie vo fyzike mikrosveta a generovanie hmotností elementárnych častíc a Higgsov bozón možno nie je existujú. Napríklad vo fyzike kondenzovaných médií (kvapalín, pevných látok) existuje veľa príkladov spontánneho narušovania symetrie a rôznych mechanizmov na toto narušenie. A vo väčšine prípadov v nich nie je nič ako Higgsov bozón.

Najbližším pevným analógom spontánneho narušenia symetrie Štandardného modelu vo vákuu je spontánne porušenie vnútornej symetrie elektrodynamiky v hrúbke supravodiča. To vedie k tomu, že v supravodiči má fotón v určitom zmysle hmotnosť (ako W ± a Z-bozóny vo vákuu). Prejavuje sa to v Meissnerovom jave – vypudzovaní magnetického poľa zo supravodiča. Fotón „nechce“ preniknúť do supravodiča, kde sa stáva masívnym: je mu tam „tvrdo“, je energeticky nerentabilné tam byť (pamätajte: E = mc 2). Magnetické pole, ktoré možno trochu konvenčne považovať za súbor fotónov, má rovnakú vlastnosť: nepreniká do supravodiča. Toto je Meissnerov efekt.

Efektívna Ginzburg - Landauova teória supravodivosti je mimoriadne podobná teórii Engler - Braut - Higgs (presnejšie naopak: teória Ginzburg - Landau je o 14 rokov staršia). Obsahuje aj skalárne pole, ktoré je rovnomerne „rozprestreté“ nad supravodičom a vedie k samovoľnému narušeniu symetrie. Ginzburg - Landauova teória sa však nenazýva efektívnou len tak: zachytáva, obrazne povedané, vonkajšiu stránku javu, no na pochopenie základných, mikroskopických príčin supravodivosti je úplne nedostatočná. V skutočnosti v supravodiči nie je žiadne skalárne pole, obsahuje elektróny a kryštálovú mriežku a supravodivosť je spôsobená špeciálnymi vlastnosťami základného stavu systému elektrónov vznikajúcich interakciou medzi nimi (pozri Veda a život, č. 2, 2004, článok "- približne Ed.).

Nemohol by sa podobný obraz odohrať aj v mikrosvete? Neukáže sa, že vo vákuu nie je „rozsypané“ zásadné skalárne pole a samovoľné narúšanie symetrie je spôsobené úplne inými príčinami? Ak argumentujeme čisto teoreticky a nevenujeme pozornosť experimentálnym faktom, potom je odpoveď na túto otázku kladná. Dobrým príkladom je takzvaný technicolor model, ktorý v roku 1979 navrhol už spomínaný Steven Weinberg a – nezávisle na sebe – Leonard Susskind.

Nenachádzajú sa v ňom žiadne fundamentálne skalárne polia ani Higgsov bozón a namiesto nich existuje množstvo nových elementárnych častíc, ktoré svojimi vlastnosťami pripomínajú kvarky. Je to interakcia medzi nimi, ktorá vedie k spontánnemu narušeniu symetrie a generovaniu hmotností W ± - a Z-bozónov. S hmotnosťami známych fermiónov, napríklad elektrónu, je situácia horšia, ale tento problém sa dá vyriešiť komplikovaním teórie.

Pozorný čitateľ si môže položiť otázku: "Ale čo argumenty z predchádzajúcej kapitoly, ktoré hovoria, že práve skalárne pole musí narušiť symetriu?" Medzerou je, že toto skalárne pole môže byť zložené v tom zmysle, že zodpovedajúce kvantá častíc nie sú elementárne, ale pozostávajú z iných, „skutočne“ elementárnych častíc.

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

Takže pri nízkych energiách zložená častica vyzerá ako elementárna. Pre efektívny popis takýchto častíc pri nízkych energiách ich možno považovať za kvantá určitého poľa. Ak je spin zloženej častice nulový, potom je toto pole skalárne.

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

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

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

Práve posledná okolnosť viedla k tomu, že technicolorový model (aspoň v pôvodnej formulácii) bol zamietnutý dávno pred objavením nového bozónu: presné merania vlastností W ± a Z-bozónov na LEP a SLC. nesúhlasia s predpoveďami modelu.

Táto krásna teória bola porazená tvrdohlavými experimentálnymi faktami a objav Higgsovho bozónu tomu dal posledný kríž. Napriek tomu je pre mňa, ako aj pre množstvo iných teoretikov, myšlienka zložených skalárnych polí príťažlivejšia ako teória Engler - Braut - Higgs s elementárnymi skalárnymi poľami. Samozrejme, po objavení nového bozónu v CERN-e bola myšlienka zloženia v ešte zložitejšej pozícii ako predtým: ak je táto častica zložená, mala by byť dostatočne úspešná na napodobnenie elementárneho Higgsovho bozónu. A ešte si počkáme, čo ukážu experimenty na LHC, predovšetkým presnejšie merania vlastností nového bozónu.

Objav je urobený. Čo bude ďalej?

Vráťme sa ako pracovná hypotéza k minimálnej verzii teórie – Štandardnému modelu s jedným elementárnym Higgsovým bozónom. Keďže v tejto teórii je to Engler - Braut - Higgsovo pole (presnejšie polia), ktoré dáva hmotnosti všetkým elementárnym časticiam, interakcia každej z týchto častíc s Higgsovým bozónom je pevne fixovaná. Čím väčšia je hmotnosť častíc, tým silnejšia je interakcia; čím silnejšia je interakcia, tým je pravdepodobnejšie, že sa Higgsov bozón rozpadne na pár častíc daného typu. Rozpady Higgsovho bozónu na páry reálnych častíc tt̃, ZZ a W + W- zakazuje zákon zachovania energie. Vyžaduje, aby súčet hmotností produktov rozpadu bol menší ako hmotnosť rozpadajúcej sa častice (opäť si pamätajte E = mc 2), a v našom prípade si pamätáme, mn ≈ 125 GeV, mt = 173 GeV, mz = 91 GeV a mw = 80 GeV. Ďalší v hmotnosti je kvark b s m b = 4 GeV, a preto, ako sme povedali, sa Higgsov bozón najľahšie rozpadá na pár bb̃. Zaujímavý je rozpad Higgsovho bozónu na pár dosť ťažkých τ-leptónov H → τ + τ - (τ m = 1,8 GeV), ktorý nastáva s pravdepodobnosťou 6 %. Rozpad H → μ + μ - (m μ = 106 MeV) by mal nastať s ešte menšou, no stále nemiznúcou pravdepodobnosťou 0,02 %. Okrem vyššie uvedených rozpadov H → γγ; H → 4ℓ a H → 2ℓ2ν, zaznamenávame rozpad H → Zγ, ktorého pravdepodobnosť by mala byť 0,15%. Všetky tieto pravdepodobnosti je možné merať na LHC a akákoľvek odchýlka od týchto predpovedí by znamenala, že naša pracovná hypotéza – Štandardný model – je nesprávna. Naopak, súhlas s predpoveďami Štandardného modelu nás bude čoraz viac presviedčať o jeho opodstatnenosti.

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

Napokon, dôležitou vlastnosťou Higgsovho bozónu je jeho interakcia so sebou samým. Malo by sa to prejaviť v procese Н * → НН, kde Н * je virtuálna častica. Vlastnosti tejto interakcie jednoznačne predpovedá aj Štandardný model. Jeho štúdium je však otázkou ďalekej budúcnosti.

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

Namiesto záveru: pri hľadaní „novej fyziky“

Z „technického“ hľadiska je štandardný model vnútorne konzistentný. To znamená, že v jeho rámci je možné - aspoň v zásade, ale spravidla av praxi - vypočítať akúkoľvek fyzikálnu veličinu (samozrejme súvisiacu s javmi, ktoré má popísať), a výsledkom bude neobsahujú neistoty. Napriek tomu mnohí, hoci nie všetci, teoretici považujú situáciu v štandardnom modeli za nie celkom uspokojivú, mierne povedané. A to predovšetkým vďaka jeho energetickej škále.

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

Vo fyzike existuje ešte jedna stupnica energií. Je spojená s gravitáciou a rovná sa Planckovej hmotnosti M pl = 10 19 GeV. Pri nízkych energiách sú gravitačné interakcie medzi časticami zanedbateľné, no s narastajúcou energiou narastajú a pri energiách rádovo M pl gravitácia silnie. Energie nad M pl sú doménou kvantovej gravitácie, nech už je akákoľvek. Pre nás je dôležité, že gravitácia je možno najzákladnejšou interakciou a gravitačná stupnica M pl je najzákladnejšou energetickou stupnicou. Prečo je teda mierka štandardného modelu Mcm = 100 GeV tak ďaleko od M pl = 1019 GeV?

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

Na tomto obrázku všetky parametre pôvodne začlenené do teórie dostávajú korekcie, nazývané radiačné, v dôsledku interakcie s virtuálnymi časticami. V kvantovej elektrodynamike sú malé, ale v sektore Engler-Braut-Higgs sú obrovské. Toto je zvláštnosť elementárnych skalárnych polí, ktoré tvoria tento sektor; ostatné polia túto vlastnosť nemajú. Hlavným efektom je, že radiačné korekcie majú tendenciu „vytiahnuť“ energetickú stupnicu Štandardného modelu M cm na gravitačnú stupnicu M pl. Ak zostaneme v rámci Štandardného modelu, potom jediným východiskom je zvoliť počiatočné parametre teórie tak, aby spolu s radiačnými korekciami viedli k správnej hodnote M cm. Ukazuje sa však, že presnosť lícovania by mala byť blízka M cm 2 / M pl 2 = 10 -34! Toto je druhý aspekt problému energetického rozsahu štandardného modelu: zdá sa nepravdepodobné, že by k takémuto prispôsobeniu došlo v prírode.

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

Čo by mohla byť „nová fyzika“? V tejto otázke sa teoretici nezhodujú. Jednou z možností je zložená povaha skalárnych polí poskytujúcich spontánne narušenie symetrie, o ktorej sa už diskutovalo. Ďalšou, tiež populárnou (zatiaľ?) možnosťou je supersymetria, o ktorej povieme len toľko, že predpovedá celú zoo nových častíc s hmotnosťou v oblasti stoviek GeV - niekoľkých TeV. Diskutuje sa aj o veľmi exotických možnostiach, ako sú extra dimenzie priestoru (napríklad takzvaná M-teória - pozri Science and Life, č. 2, 3, 1997, článok "Superstrings: Towards a Theory of Everything." - Ed..).

Napriek všetkému úsiliu zatiaľ neboli prijaté žiadne experimentálne náznaky „novej fyziky“. To už v skutočnosti začína vyvolávať úzkosť: rozumieme všetkému správne? Je však dosť možné, že energeticky a množstvom zozbieraných dát sme sa k „novej fyzike“ ešte nedostali a budú s tým spojené nové, prevratné objavy. Tu sa hlavné nádeje opäť upierajú na Veľký hadrónový urýchľovač, ktorý o rok a pol začne fungovať na plnú energiu 13-14 TeV a rýchlo zbierať dáta. Sledujte novinky!

Presné meracie a objavovacie stroje

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

Collider Je urýchľovač so zrážkami lúčov častíc, v ktorých sa častice čelne zrážajú, napríklad elektróny a pozitróny v e + e - -zrážači. Doteraz boli vytvorené aj protón-antiprotónové, protón-protónové, elektrón-protónové a jadrovo-jadrové (alebo ťažké iónové) urýchľovače. Ďalšie možnosti, napríklad μ + μ - -collider, sú stále predmetom diskusie. Hlavnými zrážačmi fyziky elementárnych častíc sú protón-antiprotón, protón-protón a elektrón-pozitrón.

Veľký hadrónový urýchľovač (LHC)- protón-protón, urýchľuje dva zväzky protónov, jeden smerom k druhému (môže fungovať aj ako zrážač ťažkých iónov). Konštrukčná energia protónov v každom z lúčov je 7 TeV, takže celková energia kolízie je 14 TeV. V roku 2011 pracoval urýchľovač s polovičnou energiou a v roku 2012 s celkovou energiou 8 TeV. Veľký hadrónový urýchľovač je 27 km dlhý prstenec, v ktorom protóny urýchľujú elektrické polia a zachytávajú polia vytvorené supravodivými magnetmi. Zrážky protónov sa vyskytujú na štyroch miestach, kde sú umiestnené detektory, ktoré registrujú častice vznikajúce pri zrážkach. ATLAS a CMS sa venujú výskumu fyziky vysokoenergetických častíc; LHC-b je na štúdium častíc, ktoré obsahujú b-kvarky a ALICE je na štúdium horúcej a hustej kvark-gluónovej hmoty.

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

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

SLC- Lineárny elektrón-pozitrónový urýchľovač v SLAC, USA. Energia zrážky je 91 GeV (hmotnosť Z-bozónu). Pôsobil v rokoch 1989 až 1998.

Tevatron je protón-antiprotónový kruhový urýchľovač vo Fermilabe, USA. Prstenec je dlhý 6 km, maximálna energia zrážky je 2 TeV. Pôsobil v rokoch 1987 až 2011.

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

Výhodou protón-protónových (a protón-antiprotónových) zrážačov je, že aj s prihliadnutím na túto vlastnosť je s nimi technicky jednoduchšie dosiahnuť vysoké zrážkové energie ako s elektrón-pozitrónovými zrážačmi. Existuje aj mínus. Vďaka zloženej štruktúre protónu a tiež kvôli tomu, že kvarky a gluóny medzi sebou interagujú oveľa silnejšie ako elektróny s pozitrónmi, dochádza pri zrážkach protónov k oveľa viac javom, ktoré nie sú zaujímavé z hľadiska hľadania Higgsov bozón alebo iné nové častice a javy. Zaujímavé udalosti pri zrážkach protónov vyzerajú viac „špinavo“, rodí sa v nich veľa „cudzích“, nezaujímavých častíc. To všetko vytvára „šum“, z ktorého je ťažšie vydolovať užitočný signál ako v elektrón-pozitrónových urýchľovačoch. V súlade s tým je presnosť merania nižšia. Kvôli tomu všetkému sa protón-protónové (a protón-antiprotónové) urýchľovače nazývajú objavovacie stroje a elektrón-pozitrónové urýchľovače sa nazývajú presné meracie stroje.

Smerodajná odchýlka(štandardná odchýlka) σ х - charakteristika náhodných odchýlok nameranej hodnoty od strednej hodnoty. Pravdepodobnosť, že sa nameraná hodnota X bude náhodne líšiť o 5σ x od skutočnej hodnoty, je len 0,00006 %. Preto sa vo fyzike elementárnych častíc odchýlka signálu od pozadia o 5σ považuje za dostatočnú na to, aby bol signál uznaný za pravdivý.

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

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

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

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

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

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

Lamb Level Shift- malá odchýlka jemnej štruktúry hladín atómu vodíka a atómov podobných vodíku pôsobením emisie a absorpcie virtuálnych fotónov alebo virtuálneho vytvárania a anihilácie elektrón-pozitrónových párov. Efekt objavili v roku 1947 americkí fyzici W. Lamb a R. Rutherford.