Бозон Хиггса , иногда называемый частицей Хиггса , [9] [10] — элементарная частица в Стандартной модели физики элементарных частиц , создаваемая квантовым возбуждением поля Хиггса , [11] [12] — одно из полей в физике элементарных частиц . теория. [12] В Стандартной модели частица Хиггса представляет собой массивный скалярный бозон с нулевым спином , четной (положительной) четностью , без электрического заряда и цветового заряда , который связывается с массой (взаимодействует с ней). [13] Он также очень нестабилен и распадается на другие частицы почти сразу после образования.
Поле Хиггса представляет собой скалярное поле с двумя нейтральными и двумя электрически заряженными компонентами, образующими сложный дублет слабой изоспиновой SU(2)-симметрии. Его потенциал в форме «мексиканской шляпы » приводит к тому, что он принимает ненулевое значение повсюду (включая пустое пространство), что нарушает слабую изоспиновую симметрию электрослабого взаимодействия и посредством механизма Хиггса придает массу покоя всем массивным элементарным частицам Стандартная модель, включая сам бозон Хиггса.
И поле, и бозон названы в честь физика Питера Хиггса , который в 1964 году вместе с пятью другими учёными в трёх группах предложил механизм Хиггса — способ приобретения массы некоторыми частицами . (Все фундаментальные частицы, известные в то время [c], должны были быть безмассовыми при очень высоких энергиях, но полностью объяснить, как некоторые частицы набирают массу при более низких энергиях, было чрезвычайно сложно.) Если бы эти идеи были верны, частица, известная как скалярный бозон, должна была бы быть безмассовой. также существуют (с определёнными свойствами). Эта частица была названа бозоном Хиггса, и ее можно было использовать для проверки того, является ли поле Хиггса правильным объяснением.
После 40-летних поисков субатомная частица с ожидаемыми свойствами была обнаружена в 2012 году в ходе экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН недалеко от Женевы , Швейцария. Впоследствии было подтверждено, что новая частица соответствует ожидаемым свойствам бозона Хиггса. Физики двух из трех команд, Питер Хиггс и Франсуа Энглерт , были удостоены Нобелевской премии по физике в 2013 году за свои теоретические предсказания. Хотя имя Хиггса стало ассоциироваться с этой теорией, несколько исследователей в период с 1960 по 1972 год независимо друг от друга разработали различные ее части.
В средствах массовой информации бозон Хиггса иногда называют «частицей Бога» в честь книги нобелевского лауреата Леона Ледермана «Частица Бога» , вышедшей в 1993 году , [14] , хотя это прозвище подвергалось критике со стороны многих физиков. [15] [16]
Физики объясняют фундаментальные частицы и силы нашей Вселенной с помощью Стандартной модели — широко распространенной модели, основанной на квантовой теории поля , которая с большой точностью предсказывает почти все известные частицы и силы, помимо гравитации . ( Для гравитации используется отдельная теория, общая теория относительности .) В Стандартной модели частицы и силы в природе (помимо гравитации) возникают из свойств квантовых полей , известных как калибровочная инвариантность и симметрия . Силы в Стандартной модели передаются частицами, известными как калибровочные бозоны . [17] [18]
Калибровочно-инвариантные теории — это теории, обладающие полезным свойством; некоторые виды изменений стоимости определенных предметов не влияют на результаты или измерения, которые мы проводим. Пример: изменение напряжения в электромагните на +100 вольт не вызывает никакого изменения создаваемого им магнитного поля . Точно так же измерение скорости света в вакууме, кажется, дает одинаковый результат, независимо от местоположения во времени и пространстве и независимо от местного гравитационного поля .
В теориях такого типа калибр — это элемент, значение которого мы можем изменить. Тот факт, что некоторые изменения оставляют результаты, которые мы измеряем, неизменными, означает, что это калибровочно-инвариантная теория, а симметрии — это особые виды изменений в калибровке, которые приводят к оставлению измерений неизменными. (Точнее, эти преобразования калибровочной компоненты не меняют энергию). Симметрии такого рода являются мощными инструментами для глубокого понимания фундаментальных сил и частиц нашего физического мира. Поэтому калибровочная инвариантность является важным свойством теории физики элементарных частиц. Они тесно связаны с законами сохранения и описываются математически с помощью теории групп . Квантовая теория поля и Стандартная модель являются калибровочно-инвариантными теориями, то есть они фокусируются на свойствах нашей Вселенной, демонстрируя это свойство калибровочной инвариантности и связанные с ней симметрии.
Квантовые теории поля, основанные на калибровочной инвариантности, с большим успехом использовались для понимания электромагнитных и сильных взаимодействий , но примерно к 1960 году все попытки создать калибровочно-инвариантную теорию для слабого взаимодействия (и ее комбинации с электромагнитным взаимодействием, известной вместе как электрослабое взаимодействие ) постоянно терпели неудачу. В результате этих неудач калибровочные теории начали терять репутацию. Проблема заключалась в том, что требования симметрии для этих двух сил неверно предсказывали, что калибровочные бозоны слабого взаимодействия ( W и Z ) будут иметь «нулевую массу» (в специальной терминологии физики элементарных частиц «масса» относится конкретно к массе покоя частицы ). Но эксперименты показали, что калибровочные бозоны W и Z имеют ненулевую массу (массу покоя). [20]
Кроме того, многие многообещающие решения, по-видимому, требуют существования дополнительных частиц, известных как бозоны Голдстоуна . Но данные свидетельствуют о том, что их тоже не существовало. Это означало, что либо калибровочная инвариантность была неверным подходом, либо что-то неизвестное придавало W- и Z-бозонам слабого взаимодействия их массу и делало это таким образом, чтобы не создавать бозонов Голдстоуна. К концу 1950-х и началу 1960-х годов физики не знали, как решить эти проблемы или как создать всеобъемлющую теорию физики элементарных частиц.
В конце 1950-х годов Ёитиро Намбу осознал, что при определённых условиях может произойти спонтанное нарушение симметрии — процесс, при котором симметричная система становится асимметричной. [d] Нарушение симметрии — это когда какая-то переменная, которая ранее не влияла на результаты измерений ( изначально это была «симметрия» ), теперь влияет на результаты измерений ( теперь она «нарушена» и больше не является симметрией ). В 1962 году физик Филип Андерсон , эксперт в области физики конденсированного состояния , заметил, что нарушение симметрии играет роль в сверхпроводимости , и предположил, что это также может быть частью ответа на проблему калибровочной инвариантности в физике элементарных частиц.
В частности, Андерсон предположил, что бозоны Голдстоуна , возникающие в результате нарушения симметрии, могут вместо этого при некоторых обстоятельствах быть «поглощены» [e] безмассовыми W- и Z-бозонами . Если бы это было так, возможно, бозонов Голдстоуна не существовало бы, а бозоны W и Z могли бы набирать массу , решая обе проблемы одновременно. Подобное поведение уже теоретически предполагалось в сверхпроводимости. [21] В 1964 году физики Абрахам Кляйн и Бенджамин Ли показали, что это теоретически возможно , по крайней мере, для некоторых ограниченных ( нерелятивистских ) случаев. [22]
После статей 1963 года [23] и начала 1964 года [22] три группы исследователей независимо друг от друга развили эти теории более полно, в так называемых статьях о нарушении симметрии ПРЛ 1964 года . Все три группы пришли к одинаковым выводам и для всех случаев, а не только для некоторых ограниченных случаев. Они показали, что условия электрослабой симметрии были бы «нарушены», если бы во Вселенной существовал необычный тип поля , и действительно, не было бы бозонов Голдстоуна, а некоторые существующие бозоны приобрели бы массу .
Поле, необходимое для того, чтобы это произошло (которое в то время было чисто гипотетическим), стало известно как поле Хиггса (в честь Питера Хиггса , одного из исследователей), а механизм, с помощью которого оно приводило к нарушению симметрии, — механизм Хиггса . Ключевой особенностью необходимого поля является то, что для того, чтобы поле имело ненулевое значение, чем нулевое, потребуется меньше энергии, в отличие от всех других известных полей, поэтому поле Хиггса имеет ненулевое значение (или вакуумное математическое ожидание). ) повсюду . Это ненулевое значение теоретически может нарушить электрослабую симметрию. Это было первое предложение, способное показать, как слабые калибровочные бозоны могут иметь массу, несмотря на их основную симметрию, в рамках калибровочно-инвариантной теории.
Хотя эти идеи не получили первоначальной поддержки или внимания, к 1972 году они превратились в всеобъемлющую теорию и доказали, что способны давать «разумные» результаты , которые точно описывали известные в то время частицы и которые с исключительной точностью предсказывали несколько других частиц. частицы, открытые в последующие годы . [f] В 1970-е годы эти теории быстро стали Стандартной моделью физики элементарных частиц.
Чтобы обеспечить нарушение симметрии, Стандартная модель включает поле , необходимое для «нарушения» электрослабой симметрии и придания частицам правильной массы. Предполагалось, что это поле, которое стало известно как «Поле Хиггса», существует во всем пространстве и нарушает некоторые законы симметрии электрослабого взаимодействия , запуская механизм Хиггса. Следовательно, это привело бы к тому, что калибровочные бозоны W и Z слабого взаимодействия стали бы массивными при всех температурах ниже чрезвычайно высокого значения. [g] Когда бозоны слабого взаимодействия приобретают массу, это влияет на расстояние, которое они могут свободно преодолевать, которое становится очень малым, что также соответствует экспериментальным данным. [h] Более того, позже стало понятно, что то же самое поле может по-другому объяснить, почему другие фундаментальные составляющие материи (включая электроны и кварки ) имеют массу.
В отличие от всех других известных полей, таких как электромагнитное поле , поле Хиггса является скалярным полем и имеет ненулевое среднее значение в вакууме .
Прямых доказательств существования поля Хиггса еще не было, но даже без прямых доказательств точность его предсказаний заставила ученых поверить в то, что теория может быть верной. К 1980-м годам вопрос о том, существует ли поле Хиггса и, следовательно, правильна ли вся Стандартная модель, стал рассматриваться как один из наиболее важных вопросов, оставшихся без ответа, в физике элементарных частиц .
На протяжении многих десятилетий у учёных не было возможности определить, существует ли поле Хиггса, поскольку в то время не существовало технологии, необходимой для его обнаружения. Если бы поле Хиггса действительно существовало, то оно не было бы похоже ни на одно другое известное фундаментальное поле, но также возможно, что эти ключевые идеи или даже вся Стандартная модель были в чем-то неверны. [я]
Существование поля Хиггса стало последней непроверенной частью Стандартной модели физики элементарных частиц и в течение нескольких десятилетий считалось «центральной проблемой физики элементарных частиц». [25] [26]
Предполагаемая теория Хиггса сделала несколько ключевых предсказаний. [f] [27] : 22 Одним из важнейших предсказаний было то, что соответствующая частица , называемая «бозоном Хиггса», также должна существовать. Доказательство существования бозона Хиггса докажет существование поля Хиггса и, следовательно, окончательно докажет правильность объяснения Стандартной модели. Поэтому были проведены обширные поиски бозона Хиггса , как способа доказать существование самого поля Хиггса. [11] [12]
Хотя поле Хиггса существовало бы повсюду, доказать его существование было далеко не просто. В принципе, его существование можно доказать, обнаружив его возбуждения , которые проявляются в виде частиц Хиггса ( бозона Хиггса ), но их чрезвычайно трудно создать и обнаружить из-за энергии, необходимой для их создания, и их очень редкого образования, даже если энергии достаточно. Таким образом, прошло несколько десятилетий, прежде чем удалось найти первые свидетельства существования бозона Хиггса. На разработку коллайдеров частиц , детекторов и компьютеров, способных искать бозоны Хиггса, ушло более 30 лет ( около 1980–2010 гг. ) .
Важность этого фундаментального вопроса привела к 40-летним поискам и строительству одной из самых дорогих и сложных экспериментальных установок в мире на сегодняшний день, Большого адронного коллайдера ЦЕРН [28] в попытке создать бозоны Хиггса и другие частицы для наблюдения и изучения. 4 июля 2012 года была открыта новая частица с массой от 125 добыло заявлено 127 ГэВ/ с 2 ; физики подозревали, что это был бозон Хиггса. [29] [к] [30] [31]
С тех пор было показано, что частица ведет себя, взаимодействует и распадается многими способами, предсказанными для частиц Хиггса Стандартной моделью, а также имеет четность и нулевой спин , [7] [8] два фундаментальных атрибута частицы Хиггса. Бозон Хиггса. Это также означает, что это первая элементарная скалярная частица , обнаруженная в природе. [32]
К марту 2013 года существование бозона Хиггса было подтверждено, и, следовательно, концепция некоторого типа поля Хиггса во всем пространстве получила сильную поддержку. [29] [31] [7]
Наличие поля, теперь подтвержденное экспериментальными исследованиями, объясняет, почему некоторые фундаментальные частицы имеют массу (покоя) , несмотря на симметрию, контролирующую их взаимодействия, подразумевающую, что они должны быть «безмассовыми». Это также решает несколько других давних загадок, таких как причина чрезвычайно короткого расстояния, которое преодолевают бозоны слабого взаимодействия , и, следовательно, чрезвычайно короткого радиуса действия слабого взаимодействия.
По состоянию на 2018 год углубленные исследования показывают, что частица продолжает вести себя в соответствии с предсказаниями для бозона Хиггса Стандартной модели. Необходимы дополнительные исследования, чтобы с большей точностью проверить, что обнаруженная частица обладает всеми предсказанными свойствами или существует ли, как описано некоторыми теориями, несколько бозонов Хиггса. [33]
Природа и свойства этого поля сейчас исследуются дальше с использованием большего количества данных, собранных на БАКе. [34]
Для описания поля Хиггса и бозона использовались различные аналогии, включая аналогии с хорошо известными эффектами, нарушающими симметрию, такими как радуга и призма , электрические поля и рябь на поверхности воды.
Другие аналогии, основанные на сопротивлении макрообъектов, движущихся через среду (например, людей, движущихся сквозь толпу, или некоторых объектов, движущихся через сироп или патоку ), широко используются, но вводят в заблуждение, поскольку поле Хиггса на самом деле не сопротивляется частицам, а эффект массы не вызвано сопротивлением.
В Стандартной модели бозон Хиггса — это массивный скалярный бозон , массу которого необходимо найти экспериментально. Его масса была определена как125,35 ± 0,15 ГэВ/ с 2 . [35] Это единственная частица, которая остается массивной даже при очень высоких энергиях. У него нулевой спин , четная (положительная) четность , нет электрического заряда и цветового заряда , и он соединяется с массой (взаимодействует с ней). [13] Он также очень нестабилен и почти сразу распадается на другие частицы несколькими возможными путями.
Поле Хиггса представляет собой скалярное поле с двумя нейтральными и двумя электрически заряженными компонентами, которые образуют сложный дублет слабой изоспиновой симметрии SU (2). В отличие от любого другого известного квантового поля, оно имеет потенциал в форме «мексиканской шляпы ». Эта форма означает, что ниже чрезвычайно высоких энергий около159,5 ± 1,5 ГэВ [36] , такие как те, которые наблюдались во время первой пикосекунды (10 -12 с) Большого взрыва , поле Хиггса в своем основном состоянии требует меньше энергии, чтобы иметь ненулевое вакуумное математическое ожидание (значение), чем нулевое значение. Поэтому в сегодняшней Вселенной поле Хиггса имеет ненулевое значение везде (включая пустое пространство). Это ненулевое значение, в свою очередь, повсюду нарушает слабую изоспиновую SU(2)-симметрию электрослабого взаимодействия . (Технически ненулевое математическое ожидание преобразует члены связи Юкавы лагранжиана в массовые члены.) Когда это происходит, три компонента поля Хиггса «поглощаются» калибровочными бозонами SU(2) и U(1) ( « механизм Хиггса »), чтобы стать продольными компонентами теперь уже массивных W- и Z-бозонов слабого взаимодействия . Оставшийся электрически нейтральный компонент либо проявляется как бозон Хиггса, либо может соединяться отдельно с другими частицами, известными как фермионы (через связи Юкавы ), заставляя их также приобретать массу . [37]
Доказательства существования поля Хиггса и его свойств были чрезвычайно важны по многим причинам. Важность бозона Хиггса во многом заключается в том, что его можно исследовать, используя существующие знания и экспериментальные технологии, как способ подтвердить и изучить всю теорию поля Хиггса. [11] [12] И наоборот, доказательство того, что поля Хиггса и бозона не существует, также имело бы важное значение.
Бозон Хиггса подтверждает Стандартную модель посредством механизма генерации массы . По мере того, как будут проводиться более точные измерения его свойств, могут быть предложены или исключены более продвинутые расширения. По мере разработки экспериментальных средств измерения поведения и взаимодействий поля это фундаментальное поле можно будет лучше понять. Если бы поле Хиггса не было открыто, Стандартную модель пришлось бы модифицировать или заменить.
В связи с этим среди физиков обычно существует убеждение, что за пределами Стандартной модели, вероятно, появится «новая» физика , и что Стандартная модель в какой-то момент будет расширена или заменена. Открытие Хиггса, а также многочисленные измерения столкновений, происходящих на БАКе, предоставляют физикам чувствительный инструмент для поиска в своих данных любых доказательств того, что Стандартная модель, похоже, не работает, и могут предоставить важные доказательства, которые помогут исследователям в будущих теоретических разработках.
Ниже чрезвычайно высокой температуры нарушение электрослабой симметрии приводит к тому, что электрослабое взаимодействие частично проявляется как короткодействующее слабое взаимодействие , которое переносится массивными калибровочными бозонами . Считается, что в истории Вселенной нарушение электрослабой симметрии произошло примерно через 1 пикосекунду (10–12 с ) после Большого взрыва , когда Вселенная имела температуру159,5 ± 1,5 ГэВ / к Б. [38] Это нарушение симметрии необходимо для формирования атомов и других структур, а также для ядерных реакций в звездах, таких как Солнце . Поле Хиггса ответственно за это нарушение симметрии.
Поле Хиггса играет решающую роль в генерации масс кварков и заряженных лептонов (посредством взаимодействия Юкавы), а также калибровочных бозонов W и Z (посредством механизма Хиггса).
Стоит отметить, что поле Хиггса не «создает» массу из ничего (что нарушало бы закон сохранения энергии ), а поле Хиггса не отвечает за массу всех частиц. Например, примерно 99% массы барионов ( сложных частиц , таких как протон и нейтрон ), вместо этого обусловлено квантовой хромодинамической энергией связи , которая представляет собой сумму кинетических энергий кварков и энергий безмассовых глюонов , опосредующих сильное взаимодействие внутри барионов. [39] В теориях, основанных на Хиггсе, свойство «массы» представляет собой проявление потенциальной энергии, передаваемой фундаментальным частицам, когда они взаимодействуют («пара») с полем Хиггса, которое содержало эту массу в виде энергии . [40]
Поле Хиггса - единственное скалярное поле (спин-0), которое можно обнаружить; все остальные фундаментальные поля Стандартной модели являются спиновыми. 1 /2 фермионы или бозоны со спином 1. [k] По словам Рольфа-Дитера Хойера , генерального директора ЦЕРН, когда был открыт бозон Хиггса, это доказательство существования скалярного поля почти так же важно, как роль Хиггса в определении массы других частиц. Это предполагает, что другие гипотетические скалярные поля, предложенные другими теориями, от инфлатона до квинтэссенции , возможно, также могут существовать. [41] [42]
Было проведено значительное научное исследование возможных связей между полем Хиггса и инфлатоном – гипотетическим полем, предложенным в качестве объяснения расширения пространства в течение первой доли секунды Вселенной (известной как « эпоха инфляции »). Некоторые теории предполагают, что за это явление может быть ответственно фундаментальное скалярное поле; Поле Хиггса является таким полем, и его существование привело к появлению статей, анализирующих, может ли оно также быть инфлатоном, ответственным за экспоненциальное расширение Вселенной во время Большого взрыва . Такие теории являются весьма предварительными и сталкиваются со значительными проблемами, связанными с унитарностью , но могут быть жизнеспособными, если сочетаться с дополнительными функциями, такими как большая неминимальная связь, скаляр Бранса-Дикке или другая «новая» физика, и они получили лечение, предполагающее, что Модели инфляции Хиггса по-прежнему представляют теоретический интерес.
В Стандартной модели существует вероятность того, что основное состояние нашей Вселенной, известное как «вакуум», является долгоживущим, но не полностью стабильным . В этом сценарии Вселенная, какой мы ее знаем, может быть эффективно разрушена путем коллапса в более стабильное состояние вакуума . [44] [45] [46] [47] [48] Иногда об этом ошибочно сообщалось как о бозоне Хиггса, «кончающем» Вселенную. [l] Если массы бозона Хиггса и топ-кварка известны более точно, а Стандартная модель обеспечивает точное описание физики элементарных частиц вплоть до крайних энергий планковского масштаба , то можно вычислить, стабилен ли вакуум или просто долгоживущий. [51] [52] [53] Масса Хиггса125–127 ГэВ/ c 2 кажется чрезвычайно близким к границе стабильности, но окончательный ответ требует гораздо более точных измерений полюсной массы топ-кварка. [43] Новая физика может изменить эту картину. [54]
Если измерения бозона Хиггса предполагают, что наша Вселенная находится внутри ложного вакуума такого типа, то это будет означать – более чем вероятно, через многие миллиарды лет [55] [м] – что силы, частицы и структуры Вселенной могут прекратиться. существовать такими, какими мы их знаем (и заменяться другими), если бы возник настоящий вакуум . [55] [n] Это также предполагает, что самосвязь Хиггса λ и ее β λ- функция могут быть очень близки к нулю в масштабе Планка, что имеет «интригующие» последствия, включая теории гравитации и инфляцию на основе Хиггса. [43] : 218 [57] [58] Будущий электрон-позитронный коллайдер сможет обеспечить точные измерения топ-кварка, необходимые для таких вычислений. [43]
Более умозрительно, поле Хиггса также было предложено как энергия вакуума , которая при экстремальных энергиях первых моментов Большого взрыва превратила Вселенную в своего рода безликую симметрию недифференцированной чрезвычайно высокой энергии. В такого рода спекуляциях единое поле Теории Великого Объединения идентифицируется как поле Хиггса (или моделируется на его основе), и именно за счет последовательных нарушений симметрии поля Хиггса или какого-либо подобного поля при фазовых переходах , которые в настоящее время возникают известные силы и поля Вселенной. [59]
Связь (если таковая имеется) между полем Хиггса и наблюдаемой в настоящее время плотностью вакуумной энергии Вселенной также стала предметом научных исследований. Как было замечено, нынешняя плотность энергии вакуума чрезвычайно близка к нулю, но плотности энергии, предсказанные на основе поля Хиггса, суперсимметрии и других современных теорий, обычно на много порядков больше. Неясно, как их следует согласовывать. Эта проблема космологической постоянной остается главной нерешенной проблемой в физике.
Физики элементарных частиц изучают материю , состоящую из фундаментальных частиц , взаимодействие которых осуществляется посредством обменных частиц – калибровочных бозонов – действующих как переносчики силы . В начале 1960-х годов было открыто или предложено несколько таких частиц, а также теории, предполагающие, как они связаны друг с другом, некоторые из которых уже были переформулированы как теории поля , в которых объектами исследования являются не частицы и силы, а другие. но квантовые поля и их симметрии . [60] : 150 Однако попытки создать модели квантового поля для двух из четырёх известных фундаментальных взаимодействий – электромагнитного взаимодействия и слабого ядерного взаимодействия – а затем объединить эти взаимодействия , по-прежнему не увенчались успехом.
Одна известная проблема заключалась в том, что калибровочно-инвариантные подходы, включая неабелевы модели, такие как теория Янга-Миллса (1954), которая давала большие надежды для единых теорий, также, по-видимому, предсказывали, что известные массивные частицы являются безмассовыми. [21] Теорема Голдстоуна , касающаяся непрерывных симметрий в некоторых теориях, также, казалось, исключала многие очевидные решения, [61] поскольку она, казалось, показывала, что частицы нулевой массы, известные как бозоны Голдстоуна , также должны были бы существовать, которые просто «не были бы видимый". [62] По словам Гуральника , у физиков «не было понимания», как можно преодолеть эти проблемы. [62]
Физик элементарных частиц и математик Питер Войт резюмировал состояние исследований на тот момент:
Работа Янга и Миллса над неабелевой калибровочной теорией имела одну огромную проблему: в теории возмущений есть безмассовые частицы, которые не соответствуют ничему, что мы видим. Один из способов избавиться от этой проблемы сейчас довольно хорошо понятен: явление конфайнмента, реализованное в КХД , где сильные взаимодействия избавляются от безмассовых «глюонных» состояний на больших расстояниях. К началу шестидесятых годов люди начали понимать другой источник безмассовых частиц: спонтанное нарушение непрерывной симметрии. Летом 1962 года Филип Андерсон понял и выяснил, что при наличии как калибровочной симметрии , так и спонтанного нарушения симметрии безмассовая мода Намбу–Голдстоуна [которая порождает бозоны Голдстоуна] может сочетаться с безмассовыми модами калибровочного поля [которые порождают безмассовые калибровочные бозоны] для создания физического массивного векторного поля [калибровочные бозоны с массой]. Именно это происходит в сверхпроводимости — предмете, в котором Андерсон был (и остается) одним из ведущих экспертов. [21] [текст сокращен]
Механизм Хиггса — это процесс, посредством которого векторные бозоны могут приобретать массу покоя без явного нарушения калибровочной инвариантности , как побочный продукт спонтанного нарушения симметрии . [63] [64] Первоначально математическая теория спонтанного нарушения симметрии была задумана и опубликована в рамках физики элементарных частиц Ёитиро Намбу в 1960 году [65] (и отчасти предвосхищена Эрнстом Штюкельбергом в 1938 году [66] ), а также концепция того, что такое Механизм мог бы предложить возможное решение «проблемы массы», первоначально предложенный в 1962 году Филипом Андерсоном, который ранее написал статьи о нарушенной симметрии и ее последствиях в сверхпроводимости. [67] Андерсон в своей статье 1963 года о теории Янга-Миллса пришел к выводу, что «учитывая сверхпроводящий аналог... [т] эти два типа бозонов, похоже, способны нейтрализовать друг друга... оставляя бозоны с конечной массой»), [68] [23] а в марте 1964 года Абрахам Кляйн и Бенджамин Ли показали, что теорему Голдстоуна можно таким образом обойти, по крайней мере, в некоторых нерелятивистских случаях, и предположили, что это возможно в истинно релятивистских случаях. [22]
Эти подходы были быстро развиты в полную релятивистскую модель, независимо и почти одновременно, тремя группами физиков: Франсуа Энглером и Робертом Браутом в августе 1964 года; [69] Питера Хиггса в октябре 1964 г.; [70] и Джеральдом Гуральником , Карлом Хагеном и Томом Кибблом (GHK) в ноябре 1964 года. [71] Хиггс также написал короткий, но важный, [63] ответ, опубликованный в сентябре 1964 года на возражение Гилберта , [72] который показал, что при расчете в рамках датчика радиации теорема Голдстоуна и возражение Гилберта станут неприменимыми. [o] Позже Хиггс описал возражение Гилберта как побудившее его написать собственную статью. [73] Свойства модели были дополнительно рассмотрены Гуральником в 1965 году, [74] Хиггсом в 1966 году, [75] Кибблом в 1967 году, [76] и далее GHK в 1967 году. [77] Первые три статьи 1964 года продемонстрировали что когда калибровочная теория объединяется с дополнительным заряженным скалярным полем, спонтанно нарушающим симметрию, калибровочные бозоны могут последовательно приобретать конечную массу. [63] [64] [78] В 1967 году Стивен Вайнберг [79] и Абдус Салам [80] независимо друг от друга показали, как механизм Хиггса можно использовать для нарушения электрослабой симметрии единой модели Шелдона Глэшоу для слабых и электромагнитных взаимодействий. , [81] (сам по себе является продолжением работы Швингера ), сформировав то, что стало Стандартной моделью физики элементарных частиц. Вайнберг был первым, кто заметил, что это также обеспечит массовые члены для фермионов. [82] [п]
Поначалу эти основополагающие статьи о спонтанном нарушении калибровочных симметрий в значительной степени игнорировались, поскольку широко считалось, что рассматриваемые (неабелевы калибровочные) теории зашли в тупик и, в частности, что их невозможно перенормировать . В 1971–72 годах Мартинус Вельтман и Жерар 'т Хофт доказали возможность перенормировки Янга – Миллса в двух статьях, посвященных безмассовым, а затем и массивным полям. [82] Их вклад, а также работы других над ренормгруппой , включая «существенные» теоретические работы русских физиков Людвига Фаддеева , Андрея Славнова , Ефима Фрадкина и Игоря Тютина [83] — в конечном итоге оказались «чрезвычайно глубокими и влиятельными». [84] , но даже несмотря на то, что все ключевые элементы будущей теории были опубликованы, широкого интереса по-прежнему почти не было. Например, Коулман в своем исследовании обнаружил, что «по существу никто не обращал никакого внимания» на статью Вайнберга до 1971 года [85] , обсуждавшуюся Дэвидом Политцером в его Нобелевской речи 2004 года. [84] – сейчас наиболее цитируемая в физике элементарных частиц [86] – и даже в 1970 году, по словам Политцера, учение Глэшоу о слабом взаимодействии не содержало упоминания о работах Вайнберга, Салама или самого Глэшоу. [84] На практике, утверждает Политцер, почти каждый узнал об этой теории благодаря физику Бенджамину Ли , который объединил работы Вельтмана и 'т Хофта с открытиями других и популяризировал законченную теорию. [84] Таким образом, с 1971 года интерес и признание «взлетели» [84] , и идеи быстро были поглощены мейнстримом. [82] [84]
Получившаяся в результате электрослабая теория и Стандартная модель точно предсказали (среди прочего) слабые нейтральные токи , три бозона , топ-кварки и очаровательные кварки , а также с большой точностью массу и другие свойства некоторых из них. [f] Многие из участников в конечном итоге получили Нобелевские премии или другие известные награды. В статье 1974 года и подробном обзоре в « Обзорах современной физики» отмечалось, что «хотя никто не сомневался в [математической] правильности этих аргументов, никто не верил, что природа дьявольски умна, чтобы воспользоваться ими», [87] добавляя, что теория до сих пор давала точные ответы, согласующиеся с экспериментом, но было неизвестно, была ли теория фундаментально правильной. [88] К 1986 году и снова в 1990-е годы стало возможным писать, что понимание и доказательство сектора Хиггса Стандартной модели было «центральной проблемой сегодня в физике элементарных частиц». [25] [26]
Каждая из трех статей, написанных в 1964 году, была признана знаковыми во время празднования 50-летия Physical Review Letters . [78] За эту работу шесть авторов были также награждены премией Дж. Дж. Сакураи 2010 года в области теоретической физики элементарных частиц . [89] (В том же году возник спор, потому что в случае присуждения Нобелевской премии могли быть признаны только до трёх учёных, причем шесть были отмечены за статьи. [90] ) Две из трёх статей PRL (Хиггса) и GHK) содержали уравнения для гипотетического поля , которое в конечном итоге стало известно как поле Хиггса, и его гипотетического кванта , бозона Хиггса. [70] [71] Последующая статья Хиггса 1966 года показала механизм распада бозона; только массивный бозон может распадаться, и распады могут доказать этот механизм. [ нужна цитата ]
В статье Хиггса бозон массивен, и в заключительном предложении Хиггс пишет, что «существенной особенностью» теории «является предсказание неполных мультиплетов скалярных и векторных бозонов ». [70] ( Фрэнк Клоуз отмечает, что калибровочные теоретики 1960-х годов были сосредоточены на проблеме безмассовых векторных бозонов, а подразумеваемое существование массивного скалярного бозона не рассматривалось как важное; только Хиггс напрямую обращался к этой проблеме. [91] : 154, 166, 175 ) В статье Г.Х.К. бозон безмассовый и отделен от массивных состояний. [71] В обзорах 2009 и 2011 годов Гуральник утверждает, что в модели GHK бозон безмассен только в приближении низшего порядка, но не подвергается никаким ограничениям и приобретает массу при более высоких порядках, и добавляет, что статья GHK был единственным, кто показал отсутствие в модели безмассовых голдстоуновских бозонов и дал полный анализ общего механизма Хиггса. [62] [92] Все трое пришли к одинаковым выводам, несмотря на совершенно разные подходы: статья Хиггса по существу использовала классические методы, работа Энглерта и Браута включала расчет поляризации вакуума в теории возмущений вокруг предполагаемого вакуумного состояния, нарушающего симметрию, а GHK использовал операторный формализм. и законы сохранения, чтобы глубже изучить способы обхода теоремы Голдстоуна. [63] Некоторые версии теории предсказывали более одного вида полей Хиггса и бозонов, а альтернативные модели «без Хиггса» рассматривались до открытия бозона Хиггса.
Для создания бозонов Хиггса два пучка частиц ускоряются до очень высоких энергий и сталкиваются внутри детектора частиц . Иногда, хотя и редко, бозон Хиггса создается как часть побочных продуктов столкновения. Поскольку бозон Хиггса распадается очень быстро, детекторы частиц не могут обнаружить его напрямую. Вместо этого детекторы регистрируют все продукты распада ( сигнатура распада ) и на основе данных восстанавливается процесс распада. Если наблюдаемые продукты распада соответствуют возможному процессу распада (известному как канал распада ) бозона Хиггса, это указывает на то, что бозон Хиггса мог быть создан. На практике многие процессы могут давать схожие признаки распада. К счастью, Стандартная модель точно предсказывает вероятность возникновения каждого из этих процессов и каждого известного процесса. Итак, если детектор обнаружит больше сигнатур распада, последовательно соответствующих бозону Хиггса, чем можно было бы ожидать, если бы бозона Хиггса не существовало, то это было бы убедительным доказательством существования бозона Хиггса.
Поскольку образование бозона Хиггса при столкновении частиц, вероятно, будет очень редким явлением (1 из 10 миллиардов на БАК), [q] и многие другие возможные события столкновения могут иметь аналогичные признаки распада, необходимо собрать данные о сотнях триллионов столкновений. анализируются и должны «показать ту же картину», прежде чем можно будет прийти к выводу о существовании бозона Хиггса. Чтобы прийти к выводу, что новая частица была обнаружена, физики элементарных частиц требуют, чтобы статистический анализ двух независимых детекторов частиц каждый показал, что вероятность того, что наблюдаемые признаки распада обусловлены просто фоновой случайностью, составляет менее одного на миллион. Стандарт Модельные события – т. е. наблюдаемое количество событий более чем на пять стандартных отклонений (сигма) отличается от ожидаемого, если бы не было новой частицы. Больше данных о столкновениях позволяет лучше подтвердить физические свойства любой наблюдаемой новой частицы и позволяет физикам решить, действительно ли это бозон Хиггса, как описано в Стандартной модели, или какая-то другая гипотетическая новая частица.
Чтобы найти бозон Хиггса, понадобился мощный ускоритель частиц , поскольку бозоны Хиггса нельзя было увидеть в экспериментах с более низкими энергиями. Коллайдер должен был иметь высокую светимость , чтобы обеспечить достаточное количество столкновений и сделать выводы. Наконец, для обработки огромного количества данных (25 петабайт в год по состоянию на 2012 год), полученных в результате столкновений, потребовались современные вычислительные мощности . [95] К объявлению от 4 июля 2012 года в ЦЕРН был построен новый коллайдер, известный как Большой адронный коллайдер , с запланированной возможной энергией столкновения 14 ТэВ – что в семь раз больше, чем у любого предыдущего коллайдера – и более 300 триллионов (3×10+14 ) Протон-протонные столкновения БАК анализировались с помощью LHC Computing Grid , крупнейшей в мире вычислительной сети (по состоянию на 2012 год), включающей более 170 вычислительных центров во всемирной сети в 36 странах. [95] [96] [97]
Первые обширные поиски бозона Хиггса были проведены на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) в ЦЕРНе в 1990-х годах. По окончании своей службы в 2000 году LEP не нашла убедительных доказательств существования Хиггса. [r] Это означало, что, если бы бозон Хиггса существовал, он должен был бы быть тяжелее, чем114,4 ГэВ/ с 2 . [98]
Поиски продолжились в Фермилабе в США, где для этой цели был модернизирован Тэватрон – коллайдер, открывший высший кварк в 1995 году. Не было никакой гарантии, что Тэватрон сможет найти бозон Хиггса, но это был единственный действующий суперколлайдер с тех пор, как Большой адронный коллайдер (БАК) все еще находился в стадии строительства, а запланированный сверхпроводящий суперколлайдер был отменен в 1993 году и так и не был завершен. . Тэватрон смог исключить только дальнейшие диапазоны массы Хиггса и был остановлен 30 сентября 2011 года, поскольку он больше не мог идти в ногу с БАК. Окончательный анализ данных исключил возможность существования бозона Хиггса с массой между147 ГэВ/ c 2 и180 ГэВ/ c 2 . Кроме того, наблюдался небольшой (но незначительный) избыток событий, возможно, указывающий на существование бозона Хиггса с массой от115 ГэВ/ c 2 и140 ГэВ/ с 2 . [99]
Большой адронный коллайдер в ЦЕРН в Швейцарии был разработан специально для подтверждения или исключения существования бозона Хиггса. Построенный в 27-километровом туннеле под землей недалеко от Женевы , первоначально населенном LEP, он был спроектирован для столкновения двух пучков протонов, первоначально с энергиями3,5 ТэВ на луч (всего 7 ТэВ), что почти в 3,6 раза больше, чем у Тэватрона, и в будущем может быть увеличено до 2 × 7 ТэВ (всего 14 ТэВ). Теория предполагала, что если бозон Хиггса существует, то столкновения на этих энергетических уровнях смогут его обнаружить. Будучи одним из самых сложных научных инструментов , когда-либо созданных, его эксплуатационная готовность была отложена на 14 месяцев из-за гашения магнита через девять дней после первых испытаний, вызванного неисправным электрическим соединением, которое повредило более 50 сверхпроводящих магнитов и загрязнило вакуумную систему. [100] [101] [102]
Сбор данных на БАК наконец начался в марте 2010 года. [103] К декабрю 2011 года два основных детектора частиц на БАК, ATLAS и CMS , сузили диапазон масс, в котором бозон Хиггса мог существовать примерно до116–130 ГэВ/ c 2 (ATLAS) и115–127 ГэВ/ с 2 (ЦМС). [104] [105] Также уже имел место ряд многообещающих событий, которые «испарились» и оказались ничем иным, как случайными колебаниями. Однако примерно с мая 2011 года [106] среди результатов обоих экспериментов было замечено медленное появление небольшого, но постоянного избытка сигнатур гамма- и 4-лептонного распада, а также несколько других распадов частиц, все это намекало на появление новой частицы с массой вокруг125 ГэВ/ c 2 . [106] Примерно к ноябрю 2011 г. аномальные данные на125 ГэВ/ с 2 становился «слишком большим, чтобы его игнорировать» (хотя это еще далеко не убедительно), и руководители групп как в ATLAS, так и в CMS в частном порядке подозревали, что они могли найти бозон Хиггса. [106] 28 ноября 2011 года на внутренней встрече руководителей двух групп и генерального директора ЦЕРН последние исследования впервые обсуждались за пределами их команд, что позволяет предположить, что и ATLAS, и CMS могут прийти к единому мнению в отношении возможного общего результата. в125 ГэВ/ c 2 , и на случай успешной находки началась предварительная подготовка. [106] Хотя эта информация в то время не была известна публично, сужение возможного диапазона Хиггса примерно до115–130 ГэВ/2 и неоднократное наблюдение небольших, но последовательных избытков событий по нескольким каналам как на ATLAS, так и на CMS вОбласть 124–126 ГэВ/ c 2 (описываемая как «заманчивые намеки» на величину около 2–3 сигм) была общеизвестной и вызвала «большой интерес». [107] Поэтому примерно в конце 2011 года широко ожидалось, что БАК предоставит достаточно данных, чтобы либо исключить, либо подтвердить открытие бозона Хиггса к концу 2012 года, когда их данные о столкновениях 2012 года (с немного более высокими столкновениями с энергией 8 ТэВ) энергия) были исследованы. [107] [108]
22 июня 2012 года ЦЕРН объявил о предстоящем семинаре, посвященном предварительным результатам за 2012 год, [112] [113] и вскоре после этого (примерно с 1 июля 2012 года согласно анализу распространяющихся слухов в социальных сетях [114] ) слухи начали распространяться в СМИ сообщили, что это будет включать в себя важное объявление, но было неясно, будет ли это более сильным сигналом или формальным открытием. [115] [116] Спекуляции переросли в «лихорадочный» ажиотаж, когда появились сообщения о том, что Питер Хиггс , предложивший эту частицу, должен был присутствовать на семинаре, [117] [118] и что были приглашены «пять ведущих физиков» - Обычно считается, что это пять ныне живущих авторов 1964 года: присутствовали Хиггс, Энглерт, Гуральник, Хаген, а Киббл подтвердил свое приглашение (Браут умер в 2011 году). [119]
4 июля 2012 года оба эксперимента ЦЕРН объявили, что они независимо сделали одно и то же открытие: [120] CMS ранее неизвестного бозона с массой125,3 ± 0,6 ГэВ/ с 2 [121] [122] и ATLAS бозона с массой126,0 ± 0,6 ГэВ/ с 2 . [123] [124] Используя комбинированный анализ двух типов взаимодействия (известных как «каналы»), оба эксперимента независимо достигли локальной значимости 5 сигм – подразумевая, что вероятность получить хотя бы такой же сильный результат только случайно меньше чем один из трех миллионов. При учете дополнительных каналов значимость CMS снижалась до 4,9 сигма. [122]
Две команды работали «вслепую» друг от друга примерно с конца 2011 или начала 2012 года, [106] это означает, что они не обсуждали свои результаты друг с другом, обеспечивая дополнительную уверенность в том, что любой общий вывод является подлинным подтверждением существования частицы. [95] Этот уровень доказательств, подтвержденный независимо двумя отдельными группами и экспериментами, соответствует формальному уровню доказательств, необходимому для объявления подтвержденного открытия.
31 июля 2012 года коллаборация ATLAS представила дополнительный анализ данных о «наблюдении новой частицы», включая данные третьего канала, что улучшило значимость до 5,9 сигма (1 из 588 миллионов шансов получить хотя бы столь же убедительные доказательства с помощью только случайные фоновые эффекты) и масса 126,0 ± 0,4 (стат) ± 0,4 (система) ГэВ/ с 2 , [124] и CMS улучшили значимость до 5-сигма и массу 125,3 ± 0,4 (стат) ± 0,5 (система) ГэВ/ в 2 . [121]
После открытия в 2012 году до сих пор не было подтверждено, является лиЧастица с энергией 125 ГэВ/ с 2 была бозоном Хиггса. С одной стороны, наблюдения по-прежнему согласовывались с тем, что наблюдаемая частица была бозоном Хиггса Стандартной модели, и частица распалась по крайней мере на некоторые из предсказанных каналов. Более того, темпы добычи и коэффициенты ветвления для наблюдаемых каналов в целом соответствовали предсказаниям Стандартной модели в пределах экспериментальных неопределенностей. Однако экспериментальные неопределенности в настоящее время все еще оставляют место для альтернативных объяснений, а это означает, что объявление об открытии бозона Хиггса было бы преждевременным. [125] Чтобы предоставить больше возможностей для сбора данных, предложенное закрытие БАКа в 2012 году и модернизация в 2013–2014 годах были отложены на семь недель до 2013 года. [126]
В ноябре 2012 года на конференции в Киото исследователи заявили, что доказательства, собранные с июля, больше соответствуют базовой Стандартной модели, чем ее альтернативам, при этом ряд результатов для нескольких взаимодействий соответствует предсказаниям этой теории. [127] Физик Мэтт Страсслер выделил «существенные» доказательства того, что новая частица не является псевдоскалярной частицей с отрицательной четностью (что соответствует этому необходимому открытию для бозона Хиггса), «испарению» или отсутствию повышенной значимости для предыдущих намеков на нестандартную модель. полученные результаты, ожидаемые взаимодействия Стандартной модели с W- и Z-бозонами , отсутствие «существенных новых последствий» в пользу или против суперсимметрии и в целом отсутствие существенных отклонений на сегодняшний день от результатов, ожидаемых для бозона Хиггса Стандартной модели. [s] Однако некоторые виды расширений Стандартной модели также дадут очень похожие результаты; [129] поэтому комментаторы отметили, что, основываясь на других частицах, которые все еще понимаются спустя долгое время после их открытия, могут потребоваться годы, чтобы быть уверенным, и десятилетия, чтобы полностью понять найденную частицу. [127] [с]
Эти результаты означали, что по состоянию на январь 2013 года учёные были абсолютно уверены, что нашли неизвестную частицу массой ~125 ГэВ/ c 2 , и не был введен в заблуждение экспериментальной ошибкой или случайным результатом. На основании первоначальных наблюдений они также были уверены, что новая частица была своего рода бозоном. Поведение и свойства частицы, изученные с июля 2012 года, также оказались весьма близкими к поведению, ожидаемому от бозона Хиггса. Даже в этом случае это мог быть бозон Хиггса или какой-то другой неизвестный бозон, поскольку будущие тесты могут показать поведение, не соответствующее бозону Хиггса, поэтому по состоянию на декабрь 2012 года ЦЕРН все еще только заявлял, что новая частица «соответствует» Бозон Хиггса, [29] [31] и ученые еще не сказали однозначно, что это бозон Хиггса. [130] Несмотря на это, в конце 2012 года в средствах массовой информации было объявлено (ошибочно), что существование бозона Хиггса было подтверждено в течение года. [136]
В январе 2013 года генеральный директор ЦЕРН Рольф-Дитер Хойер заявил, что, основываясь на анализе данных на сегодняшний день, ответ может быть возможен «к середине 2013 года» [137] , а заместитель заведующего кафедрой физики Брукхейвенской национальной лаборатории заявил в феврале 2013 года. что для «окончательного» ответа может потребоваться «еще несколько лет» после перезапуска коллайдера в 2015 году . [138] В начале марта 2013 года директор по исследованиям ЦЕРН Серджио Бертолуччи заявил, что подтверждение спина 0 является основным оставшимся требованием для определения того, является ли частица хотя бы каким-то видом бозона Хиггса. [139]
14 марта 2013 г. ЦЕРН подтвердил следующее:
CMS и ATLAS сравнили ряд вариантов спин-четности этой частицы, и все они предпочитают отсутствие спина и даже четность (два фундаментальных критерия бозона Хиггса, согласующихся со Стандартной моделью). Это, в сочетании с измеренными взаимодействиями новой частицы с другими частицами, убедительно указывает на то, что это бозон Хиггса. [7]
Это также делает эту частицу первой элементарной скалярной частицей , открытой в природе. [32]
Ниже приведены примеры тестов, использованных для подтверждения того, что обнаруженная частица является бозоном Хиггса: [s] [13]
В июле 2017 года ЦЕРН подтвердил, что все измерения по-прежнему согласуются с предсказаниями Стандартной модели, и назвал обнаруженную частицу просто «бозоном Хиггса». [34] По состоянию на 2019 год Большой адронный коллайдер продолжал получать результаты, подтверждающие понимание поля Хиггса и частиц, достигнутое в 2013 году. [146] [147]
Экспериментальная работа БАКа с момента перезапуска в 2015 году включала исследование поля Хиггса и бозона на более высоком уровне детализации и подтверждение правильности менее распространенных предсказаний. В частности, исследования, проведенные с 2015 года, предоставили убедительные доказательства предсказанного прямого распада на фермионы , такие как пары нижних кварков (3,6 σ), что описано как «важная веха» в понимании его короткого времени жизни и других редких распадов, а также для подтверждения распада. на пары тау-лептонов (5,9 σ). ЦЕРН описал это как «имеющее первостепенное значение для установления связи бозона Хиггса с лептонами и представляет собой важный шаг на пути к измерению его связей с фермионами третьего поколения, очень тяжелыми копиями электронов и кварков, роль которых в природе очень велика». глубокая тайна». [34] Опубликованные результаты по состоянию на 19 марта 2018 г. при энергии 13 ТэВ для ATLAS и CMS содержали измерения массы Хиггса при124,98 ± 0,28 ГэВ/ c 2 и125,26 ± 0,21 ГэВ/ с 2 соответственно.
В июле 2018 года эксперименты ATLAS и CMS сообщили о наблюдении распада бозона Хиггса на пару нижних кварков, что составляет примерно 60% всех его распадов. [148] [149] [150]
.png/1280px-Spontaneous_symmetry_breaking_(explanatory_diagram).png)
Калибровочная инвариантность является важным свойством современных теорий частиц, таких как Стандартная модель , отчасти благодаря ее успеху в других областях фундаментальной физики, таких как электромагнетизм и сильное взаимодействие ( квантовая хромодинамика ). Однако до того, как Шелдон Глэшоу расширил модели электрослабого объединения в 1961 году, существовали большие трудности в разработке калибровочных теорий слабого ядерного взаимодействия или возможного единого электрослабого взаимодействия . Фермионы с массовым членом нарушили бы калибровочную симметрию и, следовательно, не могли бы быть калибровочно-инвариантными. (В этом можно убедиться, исследуя лагранжиан Дирака для фермиона с точки зрения левых и правых компонент; мы обнаруживаем, что ни одна из частиц со спином полуспин не может изменить спиральность , как того требует масса, поэтому они должны быть безмассовыми. [t] ). Наблюдается, что W- и Z-бозоны имеют массу, но член массы бозона содержит члены, которые явно зависят от выбора калибровки, и поэтому эти массы также не могут быть калибровочно-инвариантными. Поэтому кажется, что ни один из фермионов или бозонов стандартной модели не мог «начать» с массы как встроенного свойства, кроме как отказавшись от калибровочной инвариантности. Если бы калибровочная инвариантность должна была сохраняться, то эти частицы должны были бы приобретать свою массу за счет какого-то другого механизма или взаимодействия.
Кроме того, решения, основанные на спонтанном нарушении симметрии, оказались неэффективными, что, по-видимому, было неизбежным результатом теоремы Голдстоуна . Поскольку движение вокруг «круговой долины» комплексной плоскости, ответственной за спонтанное нарушение симметрии, не требует затрат потенциальной энергии, результирующее квантовое возбуждение представляет собой чистую кинетическую энергию и, следовательно, представляет собой безмассовый бозон («бозон Голдстоуна»), что, в свою очередь, подразумевает новый дальнобойная сила. Но никаких новых дальнодействующих сил или безмассовых частиц обнаружено не было. Таким образом, что бы ни придавало этим частицам их массу, оно не должно было «нарушать» калибровочную инвариантность как основу для других частей теорий, где она хорошо работала, и не должно было требовать или предсказывать неожиданные безмассовые частицы или дальнодействующие силы, которые на самом деле не казались существовать в природе.
Решение всех этих перекрывающихся проблем пришло благодаря открытию ранее незамеченного пограничного случая, скрытого в математике теоремы Голдстоуна [о] , что при определенных условиях теоретически возможно нарушение симметрии без нарушения калибровочной инвариантности и без нарушения калибровочной инвариантности. любые новые безмассовые частицы или силы и иметь «разумные» ( перенормируемые ) математические результаты. Это стало известно как механизм Хиггса .
Стандартная модель предполагает наличие поля , ответственного за этот эффект, называемого полем Хиггса (символ: ), которое обладает необычным свойством ненулевой амплитуды в основном состоянии ; т.е. ненулевое математическое ожидание вакуума . Он может иметь такой эффект из-за своего необычного потенциала в форме «мексиканской шляпы», самая нижняя «точка» которого не находится в его «центре». Проще говоря, в отличие от всех других известных полей, поле Хиггса требует меньше энергии, чтобы иметь ненулевое значение, чем нулевое значение, поэтому в конечном итоге оно имеет ненулевое значение повсюду . Ниже определенного чрезвычайно высокого уровня энергии существование этого ненулевого вакуумного ожидания спонтанно нарушает электрослабую калибровочную симметрию , что, в свою очередь, приводит к возникновению механизма Хиггса и запускает приобретение массы теми частицами, которые взаимодействуют с полем. Этот эффект возникает потому, что скалярные компоненты поля Хиггса «поглощаются» массивными бозонами как степени свободы и соединяются с фермионами через взаимодействие Юкавы , тем самым создавая ожидаемые массовые члены. При нарушении симметрии в этих условиях возникающие бозоны Голдстоуна взаимодействуют с полем Хиггса (и с другими частицами, способными взаимодействовать с полем Хиггса), а не становятся новыми безмассовыми частицами. Неразрешимые проблемы обеих основополагающих теорий «нейтрализуют» друг друга, а конечным результатом является то, что элементарные частицы приобретают постоянную массу в зависимости от того, насколько сильно они взаимодействуют с полем Хиггса. Это простейший известный процесс, способный придать массу калибровочным бозонам , оставаясь при этом совместимым с калибровочными теориями . [151] Его квантом будет скалярный бозон , известный как бозон Хиггса. [152]
Предложенный механизм Хиггса возник в результате теорий, предложенных для объяснения наблюдений в сверхпроводимости . Сверхпроводник не допускает проникновения внешних магнитных полей ( эффект Мейснера ). Это странное наблюдение подразумевает, что во время этого явления каким-то образом электромагнитное поле становится короткодействующим. Успешные теории, объясняющие это, возникли в 1950-х годах сначала для фермионов ( теория Гинзбурга-Ландау , 1950), а затем для бозонов ( теория БКШ , 1957).
В этих теориях сверхпроводимость интерпретируется как возникновение заряженного поля конденсата . Первоначально значение конденсата не имеет какого-либо предпочтительного направления, что означает, что оно скалярное, но его фаза способна определять калибровку в теориях поля, основанных на калибровке. Для этого поле должно быть заряжено. Заряженное скалярное поле также должно быть сложным (или, описываемым по-другому, оно содержит как минимум два компонента и симметрию, способную вращать один в другой (другие)). В наивной калибровочной теории калибровочное преобразование конденсата обычно вращает фазу. Но в этих обстоятельствах он вместо этого фиксирует предпочтительный выбор фазы. Однако оказывается, что выбор датчика таким образом, чтобы конденсат везде имел одну и ту же фазу, также приводит к появлению дополнительного члена в электромагнитном поле. Этот дополнительный член приводит к тому, что электромагнитное поле становится короткодействующим.
Когда к этой теории было привлечено внимание в физике элементарных частиц, параллели стали ясны. Изменение обычно дальнодействующего электромагнитного поля на короткодействующее в рамках калибровочно-инвариантной теории было именно тем эффектом, который искали для бозонов слабого взаимодействия (поскольку дальнодействующее взаимодействие имеет безмассовые калибровочные бозоны, а короткодействующее взаимодействие предполагает массивность калибровочного бозона). бозонов, что позволяет предположить, что результатом этого взаимодействия является приобретение массы калибровочными бозонами поля или аналогичный и эквивалентный эффект). Характеристики поля, необходимые для этого, также были достаточно четко определены: оно должно было быть заряженным скалярным полем, по крайней мере, с двумя компонентами и сложным, чтобы поддерживать симметрию, способную вращать их друг в друга. [ты]
Минимальная стандартная модель, описанная выше, является простейшей известной моделью механизма Хиггса только с одним полем Хиггса. Однако также возможен расширенный сектор Хиггса с дополнительными дублетами или триплетами частиц Хиггса, и многие расширения Стандартной модели имеют эту особенность. Неминимальный сектор Хиггса, предпочитаемый теорией, — это модели двух дублетов Хиггса (2HDM), которые предсказывают существование квинтета скалярных частиц: двух CP-четных нейтральных бозонов Хиггса h 0 и H 0 , CP-нечетного нейтрального бозона Хиггса. Бозон Хиггса A 0 и две заряженные частицы Хиггса H ± . Суперсимметрия («SUSY») также предсказывает отношения между массами бозона Хиггса и массами калибровочных бозонов и может учитывать125 ГэВ/ c 2 нейтральный бозон Хиггса.
Ключевой метод различения этих разных моделей включает изучение взаимодействий частиц («связь») и точных процессов распада («коэффициентов ветвления»), которые можно измерить и проверить экспериментально при столкновениях частиц. В модели 2HDM типа I один дублет Хиггса связан с верхними и нижними кварками, а второй дублет с кварками не связан. Эта модель имеет два интересных предела, в которых легчайший бозон Хиггса взаимодействует только с фермионами («калибровофобными » ) или только с калибровочными бозонами («фермиофобными»), но не с обоими сразу. В модели 2HDM типа II один дублет Хиггса соединяется только с кварками верхнего типа, а другой - только с кварками нижнего типа. [153] Тщательно исследованная минимальная суперсимметричная стандартная модель (MSSM) включает сектор Хиггса 2HDM типа II, поэтому ее можно опровергнуть, свидетельствуя о наличии 2HDM типа I хиггса. [ нужна цитата ]
В других моделях скаляр Хиггса представляет собой составную частицу. Например, в техникоре роль поля Хиггса играют сильно связанные пары фермионов, называемые техникварками . В других моделях присутствуют пары топ-кварков (см. «Конденсат топ-кварков »). В других моделях поле Хиггса вообще отсутствует , а электрослабая симметрия нарушается с помощью дополнительных измерений. [154] [155]
Стандартная модель оставляет массу бозона Хиггса параметром, который нужно измерить, а не величиной, которую нужно вычислить. Это считается теоретически неудовлетворительным, особенно потому, что квантовые поправки (связанные с взаимодействием с виртуальными частицами ), по-видимому, должны привести к тому, что частица Хиггса будет иметь массу, значительно превышающую наблюдаемую, но в то же время Стандартная модель требует массы порядка 100–1000 ГэВ/ c 2 для обеспечения унитарности (в данном случае для унитаризации продольно-векторного рассеяния бозонов). [156] Согласование этих точек зрения, по-видимому, требует объяснения, почему происходит почти идеальное подавление, приводящее к видимой массе ~ 125 ГэВ/ c 2 , и как это сделать, неясно. Поскольку слабое взаимодействие примерно в 10 32 раз сильнее гравитации, и (в связи с этим) масса бозона Хиггса намного меньше, чем масса Планка или энергия Великого объединения , похоже, что для этих явлений существует какая-то основная связь или причина. наблюдения, которые неизвестны и не описаны Стандартной моделью, или некоторая необъяснимая и чрезвычайно точная настройка параметров – однако в настоящее время ни одно из этих объяснений не доказано. Это известно как проблема иерархии . [157] В более широком смысле, проблема иерархии сводится к беспокойству о том, что будущая теория фундаментальных частиц и взаимодействий не должна иметь чрезмерных тонких настроек или чрезмерно тонких сокращений и должна позволить вычислить массы частиц, таких как бозон Хиггса. В некотором смысле эта проблема уникальна для частиц со спином 0 (таких как бозон Хиггса), которые могут вызвать проблемы, связанные с квантовыми поправками, которые не затрагивают частицы со спином. [156] Был предложен ряд решений , включая суперсимметрию , конформные решения и решения через дополнительные измерения, такие как модели мира на бранах .
Существуют также проблемы квантовой тривиальности , которые предполагают, что может оказаться невозможным создать последовательную квантовую теорию поля, включающую элементарные скалярные частицы. [158] Однако, если избегать квантовой тривиальности, ограничения тривиальности могут установить границы массы бозона Хиггса.
В Стандартной модели поле Хиггса представляет собой скалярное тахионное поле: скалярное означает, что оно не преобразуется при преобразованиях Лоренца , и тахионное, что означает, что поле (но не частица) имеет мнимую массу и в определенных конфигурациях должно подвергаться нарушению симметрии . Он состоит из четырех компонентов: двух нейтральных и двух заряженных составляющих полей . Оба заряженных компонента и одно из нейтральных полей являются бозонами Голдстоуна , которые действуют как продольные компоненты третьей поляризации массивных бозонов W + , W − и Z . Квант оставшегося нейтрального компонента соответствует (и теоретически реализуется как) массивному бозону Хиггса. [159] Этот компонент может взаимодействовать с фермионами посредством взаимодействия Юкавы , также придавая им массу.
Математически поле Хиггса имеет мнимую массу и, следовательно, является тахионным полем. [v] Хотя тахионы ( частицы , которые движутся быстрее света ) являются чисто гипотетической концепцией, поля с мнимой массой стали играть важную роль в современной физике. [161] [162] Ни при каких обстоятельствах в таких теориях никакие возбуждения не распространяются быстрее света – наличие или отсутствие тахионной массы никак не влияет на максимальную скорость сигналов (нарушения причинности нет ). [163] Вместо частиц, движущихся быстрее скорости света, воображаемая масса создает нестабильность: любая конфигурация, в которой одно или несколько возбуждений поля являются тахионными, должна спонтанно распадаться, и полученная конфигурация не содержит физических тахионов. Этот процесс известен как тахионная конденсация и в настоящее время считается объяснением того, как сам механизм Хиггса возникает в природе, и, следовательно, причиной нарушения электрослабой симметрии.
Хотя идея мнимой массы может показаться тревожной, на самом деле квантуется только поле, а не сама масса. Следовательно, операторы поля в пространственноподобных разделенных точках по-прежнему коммутируют (или антикоммутируют) , а информация и частицы по-прежнему не распространяются быстрее света. [164] Конденсация тахионов переводит физическую систему, которая достигла локального предела – и от которой можно наивно ожидать, что она будет производить физические тахионы – в альтернативное стабильное состояние, в котором физические тахионы не существуют. Как только тахионное поле, такое как поле Хиггса, достигает минимума потенциала, его кванты перестают быть тахионами, а превращаются в обычные частицы, такие как бозон Хиггса. [165]
Поскольку поле Хиггса скалярно , бозон Хиггса не имеет спина . Бозон Хиггса также является собственной античастицей , CP-четным и не имеет электрического и цветового заряда . [166]
Стандартная модель не предсказывает массу бозона Хиггса. [167] Если эта масса находится между115 и 180 ГэВ/ с 2 (согласуется с эмпирическими наблюдениями125 ГэВ/ с 2 ), то Стандартная модель может быть справедлива на энергетических масштабах вплоть до планковского (10 19 ГэВ/ c 2 ). [168] Это должна быть единственная частица в Стандартной модели, которая остается массивной даже при высоких энергиях. Многие теоретики ожидают появления новой физики за пределами Стандартной модели в ТэВном масштабе, основанной на неудовлетворительных свойствах Стандартной модели. [169] Максимально возможный масштаб массы, разрешенный для бозона Хиггса (или какого-либо другого механизма нарушения электрослабой симметрии), составляет 1,4 ТэВ; за пределами этой точки Стандартная модель становится несовместимой без такого механизма, поскольку в некоторых процессах рассеяния нарушается унитарность . [170]
Также возможно, хотя и экспериментально сложно, оценить массу бозона Хиггса косвенно: в Стандартной модели бозон Хиггса оказывает ряд косвенных эффектов; в частности, петли Хиггса приводят к крошечным поправкам к массам W- и Z-бозонов. Прецизионные измерения электрослабых параметров, таких как константа Ферми и массы W- и Z-бозонов, можно использовать для расчета ограничений на массу бозона Хиггса. По состоянию на июль 2011 года прецизионные электрослабые измерения показывают, что масса бозона Хиггса, вероятно, будет меньше примерно161 ГэВ/ с 2 при уровне достоверности 95% . [w] Эти косвенные ограничения основаны на предположении, что Стандартная модель верна. Возможно, еще удастся обнаружить бозон Хиггса выше этих масс, если он будет сопровождаться другими частицами, помимо тех, которые учитываются Стандартной моделью. [172]
БАК не может напрямую измерить время жизни бозона Хиггса из-за его чрезвычайной краткости. Прогнозируется как1,56 × 10 −22 с , исходя из предсказанной ширины распада4,07 × 10 −3 ГэВ . [2] Однако его можно измерить косвенно, основываясь на сравнении масс, измеренных на основе квантовых явлений, происходящих в путях образования на оболочке и в гораздо более редких путях образования вне оболочки , полученных в результате распада Далица через виртуальный фотон (H → γ* γ→ℓℓγ) . С помощью этого метода время жизни бозона Хиггса было предварительно измерено в 2021 году как 1,2–4,6 x 10 -22 с при значимости сигма 3,2 (1 из 1000). [3] [4]
Если теория частиц Хиггса верна, то частица Хиггса может быть создана так же, как и другие изучаемые частицы, в коллайдере частиц . Это предполагает ускорение большого количества частиц до чрезвычайно высоких энергий и чрезвычайно близких к скорости света , а затем их столкновение. На БАК используются протоны и ионы свинца (голые ядра атомов свинца ). При экстремальных энергиях этих столкновений время от времени будут рождаться желаемые эзотерические частицы, и это можно будет обнаружить и изучить; любое отсутствие или отличие от теоретических ожиданий также может быть использовано для улучшения теории. Соответствующая теория частиц (в данном случае Стандартная модель) определит необходимые виды столкновений и детекторы. Стандартная модель предсказывает, что бозоны Хиггса могут образовываться разными способами, [93] [173] [174] , хотя вероятность образования бозона Хиггса при любом столкновении всегда ожидается очень маленькой – например, только один бозон Хиггса бозонов на 10 миллиардов столкновений в Большом адроном коллайдере. [q] Наиболее распространенными ожидаемыми процессами образования бозона Хиггса являются:
Квантовая механика предсказывает, что если частица может распасться на набор более легких частиц, то в конечном итоге она это и сделает. [175] Это справедливо и для бозона Хиггса. Вероятность того, что это произойдет, зависит от множества факторов, в том числе: разницы в массе, силы взаимодействия и т. д. Большинство этих факторов фиксируются Стандартной моделью, за исключением массы самого бозона Хиггса. Для бозона Хиггса с массой125 ГэВ/ c 2 СМ предсказывает среднее время жизни около1,6 × 10 −22 с . [б]
Поскольку бозон Хиггса взаимодействует со всеми массивными элементарными частицами СМ, он может распадаться во многих различных процессах. Каждый из этих возможных процессов имеет свою вероятность, выражаемую коэффициентом ветвления ; часть общего числа распадается вслед за этим процессом. СМ предсказывает эти коэффициенты ветвления как функцию массы Хиггса (см. график).
Один из способов распада бозона Хиггса — это расщепление на пару фермион-антифермион. Как правило, бозон Хиггса с большей вероятностью распадется на тяжелые фермионы, чем на легкие фермионы, поскольку масса фермиона пропорциональна силе его взаимодействия с бозоном Хиггса. [125] Согласно этой логике, наиболее распространенным распадом должен быть пара топ -антитоп-кварк. Однако такой распад был бы возможен только в том случае, если бозон Хиггса был бы тяжелее ~346 ГэВ/ c 2 , что в два раза больше массы топ-кварка. Для массы Хиггса125 ГэВ/ c 2 СМ предсказывает, что наиболее распространенным распадом является пара нижний -антинижний кварк, что происходит в 57,7% случаев. [2] Вторым наиболее распространенным распадом фермиона с такой массой является пара тау -антитау, который происходит лишь примерно в 6,3% случаев. [2]
Другая возможность состоит в том, что бозон Хиггса разделится на пару массивных калибровочных бозонов. Наиболее вероятная возможность состоит в том, что бозон Хиггса распадется на пару W-бозонов (голубая линия на графике), что происходит примерно в 21,5% случаев для бозона Хиггса с массой125 ГэВ/ c 2 . [2] W-бозоны впоследствии могут распадаться либо на кварк и антикварк, либо на заряженный лептон и нейтрино. Распады W-бозонов на кварки трудно отличить от фона, а распады на лептоны невозможно полностью восстановить (поскольку нейтрино невозможно обнаружить в экспериментах по столкновению частиц). Более чистый сигнал дает распад на пару Z-бозонов (что происходит примерно в 2,6% случаев для бозона Хиггса с массой125 ГэВ/ с 2 ), [2] если каждый из бозонов впоследствии распадается на пару легкообнаружимых заряженных лептонов ( электронов или мюонов ).
Распад на безмассовые калибровочные бозоны (т.е. глюоны или фотоны ) также возможен, но требует промежуточной петли из виртуальных тяжелых кварков (верхних или нижних) или массивных калибровочных бозонов. [125] Наиболее распространенным таким процессом является распад на пару глюонов через петлю виртуальных тяжелых кварков. Этот процесс, обратный процессу глюонного синтеза, упомянутому выше, происходит примерно в 8,6% времени для бозона Хиггса с массой125 ГэВ/ c 2 . [2] Гораздо более редким является распад на пару фотонов, опосредованный петлей W-бозонов или тяжелых кварков, который происходит только дважды на каждую тысячу распадов. [2] Однако этот процесс очень актуален для экспериментальных поисков бозона Хиггса, поскольку энергию и импульс фотонов можно измерить очень точно, что дает точную реконструкцию массы распадающейся частицы. [125]
В 2021 году предварительно наблюдался чрезвычайно редкий распад Далица на два лептона (электроны или мюоны) и фотон (ℓℓγ) посредством распада виртуального фотона . Это может произойти тремя способами; Хиггс в виртуальный фотон в ℓℓγ, в котором виртуальный фотон (γ*) имеет очень маленькую, но ненулевую массу, Хиггс в Z-бозон в ℓℓγ или Хиггс в два лептона, один из которых испускает фотон в конечном состоянии, приводящий к ℓℓγ. ATLAS искал доказательства первого из них (H→γ*γ→ℓℓγ) при низкой дилептонной массе (≤30 ГэВ/ с 2 ) , где этот процесс должен доминировать. Наблюдение имеет значимость сигма 3,2 (1 из 1000). [3] [4] Этот путь распада важен, поскольку он облегчает измерение внутренней и внешней массы бозона Хиггса (позволяя косвенно измерить время распада), а распад на две заряженные частицы позволяет исследовать зарядовое сопряжение и заряд. нарушение четности (CP) . [4]
Имя, наиболее тесно связанное с частицей и полем, — это бозон Хиггса [91] : 168 и поле Хиггса. Некоторое время частица была известна под сочетанием имен ее авторов PRL (включая иногда Андерсона), например, частица Браута-Энглерта-Хиггса, частица Андерсона-Хиггса или частица Энглерта-Браута-Хиггса-Гуральника-Хагена- Механизм Kibble, [x] и они до сих пор иногда используются. [63] [178] Частично из-за вопроса о признании и потенциальном разделении Нобелевской премии, [178] [179] наиболее подходящее имя все еще время от времени становилось темой споров до 2013 года. [178] Сам Хиггс предпочитает называть частица либо по аббревиатуре всех участвующих сторон, либо «скалярный бозон», либо «так называемая частица Хиггса». [179]
О том, как имя Хиггса стало использоваться исключительно, написано немало. Предлагаются два основных объяснения. Во-первых, Хиггс предпринял в своей статье шаг, который был либо уникальным, либо более ясным, либо более явным, в формальном предсказании и исследовании частицы. Из авторов статей PRL только статья Хиггса явно предложила в качестве предсказания существование массивной частицы и рассчитала некоторые ее свойства; [180] [91] : 167 он был поэтому «первым, кто постулировал существование массивной частицы» согласно Природе . [178] Физик и автор Фрэнк Клоуз , а также физик-блогер Питер Войт отмечают, что статья GHK была также завершена после того, как Хиггс и Браут-Энглерт были представлены в Physical Review Letters , [181] [91] : 167 , и что только Хиггс имел привлекли внимание к предсказанному массивному скалярному бозону, в то время как все остальные сосредоточились на массивных векторных бозонах. [181] [91] : 154, 166, 175 Таким образом, вклад Хиггса также предоставил экспериментаторам решающую «конкретную мишень», необходимую для проверки теории. [182]
Однако, по мнению Хиггса, Браут и Энглерт не упомянули бозон явно, поскольку его существование совершенно очевидно в их работе [68] :6 , в то время как, по мнению Гуральника, статья ГХК представляла собой полный анализ всего механизма нарушения симметрии, математическая в двух других статьях строгость отсутствует, а в некоторых решениях может существовать массивная частица. [92] :9 По словам историка науки Дэвида Кайзера , статья Хиггса также представила «особенно резкую» формулировку проблемы и ее решения . [179]
Альтернативное объяснение состоит в том, что это имя было популяризировано в 1970-х годах из-за его использования в качестве удобного сокращения или из-за ошибки в цитировании. Во многих источниках ( включая собственный Хиггс [68] :7 ) имя «Хиггс» приписывают физику Бенджамину Ли . [y] Ли был значительным популяризатором теории на заре ее существования и с 1972 года обычно использовал имя «Хиггс» как «удобное сокращение» для ее компонентов. [15] [178] [183] [184] [185] ] и, по крайней мере, в одном случае еще в 1966 году. [186] Хотя Ли пояснил в своих сносках, что «'Хиггс' - это аббревиатура от Хиггса, Киббла, Гуральника, Хагена, Браута, Энглерта», [183] его использование этот термин (а также, возможно, ошибочное цитирование Стивеном Вайнбергом статьи Хиггса как первой в его основополагающей статье 1967 года [91] [187] [186] ) означал, что примерно к 1975–1976 годам другие также начали использовать имя «Хиггс». исключительно как сокращение. [z] В 2012 году физик Фрэнк Вильчек , которому приписывают название элементарной частицы аксион (в отличие от альтернативного предложения Вайнберга «Хигглет»), одобрил название «бозон Хиггса», заявив: «История сложна, и везде если провести черту, чуть ниже нее будет кто-то». [179]
Бозон Хиггса часто называют «частицей Бога» в популярных средствах массовой информации за пределами научного сообщества. [188] [189] [190] [191] [192] Это прозвище происходит от названия книги 1993 года о бозоне Хиггса и физике элементарных частиц « Частица Бога: если Вселенная — это ответ, то в чем же вопрос?» лауреат Нобелевской премии по физике и директор Фермилаб Леон Ледерман . [27] Ледерман написал его в контексте неудачной поддержки правительством США сверхпроводящего суперколлайдера , [ 193] частично построенного титанического [194] [195] конкурента Большого адронного коллайдера с запланированной энергией столкновения 2 × 20 ТэВ , который был поддерживаемый Ледерманом с момента его создания в 1983 году [193] [aa] [196] [197] и закрытия в 1993 году. Книга была частично направлена на то, чтобы способствовать осознанию значимости и необходимости такого проекта перед лицом его возможной потери финансирование. [198] Ледерман, ведущий исследователь в этой области, пишет, что он хотел назвать свою книгу « Проклятая частица: если Вселенная — это ответ, то в чем вопрос?» Редактор Ледермана решил, что название слишком спорное, и убедил его изменить название на « Частица Бога: если Вселенная — это ответ, в чем же вопрос?» [199]
Хотя использование этого термина в средствах массовой информации, возможно, способствовало более широкому осознанию и интересу, [200] многие ученые считают, что это название неуместно, [15] [16] [201] поскольку оно представляет собой сенсационную гиперболу и вводит читателей в заблуждение; [202] Частица также не имеет ничего общего с каким-либо Богом , оставляет открытыми многочисленные вопросы фундаментальной физики и не объясняет окончательного происхождения Вселенной . Сообщается, что Хиггс , атеист , был недоволен и заявил в интервью 2008 года, что нашел это «смущающим», потому что это «тот вид злоупотреблений… который, я думаю, может оскорбить некоторых людей». [202] [203] [204] Это прозвище также подверглось высмеиванию в основных средствах массовой информации. [205] Писатель-научный писатель Ян Сэмпл заявил в своей книге 2010 года о поиске, что это прозвище вызывает «всеобщую ненависть [d]» со стороны физиков и, возможно, является «самым высмеиваемым» в истории физики , но что (по словам Ледермана) издатель отверг все названия, в которых упоминается «Хиггс», как лишенные воображения и слишком неизвестные. [206]
Ледерман начинает с обзора долгих поисков знаний человеком и объясняет, что его ироничный заголовок проводит аналогию между влиянием поля Хиггса на фундаментальные симметрии Большого взрыва и кажущимся хаосом структур, частиц. , силы и взаимодействия, которые привели и сформировали нашу нынешнюю вселенную, с библейской историей о Вавилоне , в которой изначальный единый язык раннего Бытия был фрагментирован на множество несопоставимых языков и культур. [207]
Сегодня... у нас есть стандартная модель, которая сводит всю реальность к примерно дюжине частиц и четырем силам... Это с трудом завоеванная простота [... и...] удивительно точная. Но он также неполный и, по сути, внутренне противоречивый... Этот бозон настолько важен для современного состояния физики, настолько важен для нашего окончательного понимания структуры материи, но в то же время настолько неуловим, что я дал ему прозвище : Частица Бога. Почему частица Бога? Две причины. Во-первых, издатель не позволил нам назвать ее «Проклятая частица», хотя это название могло бы быть более подходящим, учитывая ее злодейский характер и расходы, которые она причиняет. И во-вторых, есть своего рода связь с другой книгой , гораздо более старой...
- - Ледерман и Терези [27] : 22
Ледерман задается вопросом, был ли бозон Хиггса добавлен только для того, чтобы озадачить и сбить с толку тех, кто ищет знания о Вселенной, и будут ли физики сбиты с толку этим, как описано в этой истории, или в конечном итоге преодолеют вызов и поймут, «насколько прекрасна Вселенная [Бог ] сделал". [208]
Конкурс на переименование, проведенный британской газетой The Guardian в 2009 году, привел к тому, что ее научный корреспондент выбрал название « бозон бутылки шампанского » в качестве лучшего предложения: «Дно бутылки шампанского имеет форму потенциала Хиггса и часто используется в качестве иллюстрация на лекциях по физике. Так что это не смущающе грандиозное имя, оно запоминающееся и [оно] также имеет некоторую связь с физикой». [209] Имя Хиггсон было также предложено в авторской статье, опубликованной в онлайн-издании Physicsworld.com Института физики . [210]
Велась широкая публичная дискуссия по поводу аналогий и объяснений частицы Хиггса и того, как поле создает массу, [211] [212] , включая освещение самостоятельных попыток объяснения и конкурса в 1993 году на лучшее популярное объяснение тогдашней Великобритании. Министр науки сэр Уильям Уолдегрейв [213] и статьи в газетах по всему миру.
Образовательное сотрудничество с участием физика БАК и преподавателя средней школы ЦЕРН предполагает, что дисперсия света – ответственная за радугу и дисперсионную призму – является полезной аналогией нарушения симметрии поля Хиггса и эффекта, вызывающего массу. [214]
Мэтт Страсслер использует электрические поля в качестве аналогии: [215]
Некоторые частицы взаимодействуют с полем Хиггса, а другие нет. Те частицы, которые чувствуют поле Хиггса, ведут себя так, как будто они имеют массу. Нечто подобное происходит и в электрическом поле : заряженные объекты притягиваются, а нейтральные объекты могут проходить сквозь него, не подвергаясь воздействию. Таким образом, вы можете думать о поиске Хиггса как о попытке создать волны в поле Хиггса [ создать бозоны Хиггса ], чтобы доказать, что оно действительно существует.
Аналогичное объяснение предложила The Guardian : [216]
Бозон Хиггса, по сути, представляет собой пульсацию в поле, которое, как говорят, возникло при рождении Вселенной и охватывает космос по сей день ... Однако частица имеет решающее значение: это дымящийся пистолет , доказательства, необходимые для подтверждения теории. верно.
Влияние поля Хиггса на частицы было классно описано физиком Дэвидом Миллером как похожее на комнату, полную работников политических партий, равномерно распределенных по комнате: толпа тяготеет к известным людям и замедляет их, но не замедляет других. [ab] Он также обратил внимание на хорошо известные эффекты в физике твердого тела , когда эффективная масса электрона может быть намного больше, чем обычно, при наличии кристаллической решетки. [217]
Аналогии, основанные на эффектах сопротивления , включая аналогии с « сиропом » или « патокой », также хорошо известны, но могут вводить в заблуждение, поскольку их можно понять (неправильно) как утверждение, что поле Хиггса просто сопротивляется движению одних частиц, но не движению других. – простой резистивный эффект также может противоречить третьему закону Ньютона . [219]
До конца 2013 года велась активная дискуссия о том, как распределить заслуги, если бозон Хиггса будет доказан, станет более заметным, поскольку ожидалась Нобелевская премия , и очень широкий круг людей, имеющих право на рассмотрение. К ним относятся ряд теоретиков, которые сделали возможной теорию механизма Хиггса, теоретики статей PRL 1964 года (включая самого Хиггса), теоретики, которые вывели из них рабочую электрослабою теорию и саму Стандартную модель, а также экспериментаторов из ЦЕРН и другие учреждения, которые сделали возможным доказательство существования поля Хиггса и бозона в реальности. Нобелевская премия имеет ограничение на то, что награду могут разделить три человека, и некоторые возможные победители уже являются лауреатами премии за другую работу или умерли (премия вручается только лицам при жизни). Существующие премии за работы, связанные с полем, бозоном или механизмом Хиггса, включают:
Соавтор Энглерта Роберт Браут умер в 2011 году, и Нобелевская премия обычно не вручается посмертно . [224]
Кроме того, 50-летний обзор Physical Review Letters (2008) признал статьи о нарушении симметрии PRL 1964 года и статью Вайнберга 1967 года «Модель лептонов» (наиболее цитируемая статья в физике элементарных частиц по состоянию на 2012 год) «веховыми письмами». [86]
После сообщения о наблюдении бозоноподобной частицы в июле 2012 года несколько индийских СМИ сообщили о предполагаемом пренебрежении заслугами индийского физика Сатьендры Нат Бозе, в честь работы которого в 1920-х годах был назван класс частиц « бозоны » [225] [226] ] (хотя физики охарактеризовали связь Бозе с открытием как незначительную). [227]
В Стандартной модели поле Хиггса представляет собой четырехкомпонентное скалярное поле, образующее комплексный дублет слабой изоспиновой симметрии SU(2):
пока поле имеет заряд +1/2при слабой симметрии гиперзаряда U(1). [228]
Примечание. В этой статье используется соглашение о масштабировании , согласно которому электрический заряд Q , слабый изоспин T 3 и слабый гиперзаряд Y W связаны соотношением Q = T 3 + Y W . В большинстве других статей Википедии используется другое соглашение : Q = T 3 +1/2Ю В . [229] [230] [231]
Хиггсовская часть лагранжиана равна [228]
где и – калибровочные бозоны симметрии SU(2) и U(1) и соответствующие константы связи , – матрицы Паули (полный набор генераторов симметрии SU(2)), и , так что основное состояние нарушает симметрию SU(2) (см. рисунок).
Основное состояние поля Хиггса (дно потенциала) вырождено, причем различные основные состояния связаны друг с другом калибровочным преобразованием SU(2). Всегда можно подобрать датчик такой, чтобы он был в основном состоянии . Тогда математическое ожидание в основном состоянии ( вакуумное математическое ожидание или VEV) равно , где . Измеренное значение этого параметра составляет ~246 ГэВ/ c 2 . [125] Он имеет единицы массы и является единственным свободным параметром Стандартной модели, который не является безразмерным числом. Возникают квадратичные члены в и , которые дают массы W- и Z-бозонам: [228]
с их соотношением, определяющим угол Вайнберга , , и оставляют безмассовый фотон U(1) , . Масса самого бозона Хиггса определяется выражением
Кварки и лептоны взаимодействуют с полем Хиггса через условия взаимодействия Юкавы :
где – левые и правые кварки и лептоны i- го поколения , – матрицы связей Юкавы, где hc обозначает эрмитово сопряжение всех предыдущих членов. В основном состоянии, нарушающем симметрию, остаются только члены, содержащие , что приводит к появлению массовых членов для фермионов. Вращая кварковые и лептонные поля к базису, где матрицы связей Юкавы диагональны, получаем
где массы фермионов равны , и обозначают собственные значения матриц Юкавы. [228]
Бернстайн (1974) содержит доступную и полную информацию и обзор этой области, см. внешние ссылки.условие «калибровки излучения» ∇⋅A( x ) = 0 явно не ковариантно, а это означает, что если мы хотим сохранить трансверсальность фотона во всех системах Лоренца, поле фотона A µ ( x ) не может трансформироваться как четырехмерное. вектор . Это не катастрофа, поскольку поле фотонов не является наблюдаемой величиной , и можно легко показать, что наблюдаемые элементы S-матрицы имеют ковариантную структуру. ... в калибровочных теориях можно было бы устроить вещи так, что из-за неинвариантности вакуума произошло бы нарушение симметрии; но поскольку Goldstone et al. доказательство терпит неудачу, голдстоуновские мезоны с нулевой массой не обязательно должны появляться. [ выделено в оригинале ]
[В] Почему физики элементарных частиц так заботятся о частице Хиггса?
[A] Ну, на самом деле это не так. Что их действительно волнует, так это
поле
Хиггса , потому что оно
очень
важно. [курсив в оригинале]
Поле Хиггса: настолько важное, что его изучению посвятили целую экспериментальную установку — Большой адронный коллайдер.
В терминах, обычно относящихся к спортивным достижениям, в новостях это открытие описывалось как монументальная веха в истории науки.
Даже в самых специализированных кругах новую частицу, открытую в июле, пока не называют «бозоном Хиггса». Физики до сих пор не решаются назвать его так, пока не определили, что его свойства соответствуют свойствам бозона Хиггса, предсказываемым теорией Хиггса.
«Мы никогда не видели элементарную частицу с нулевым спином», — сказал Тони Вейдберг, физик элементарных частиц из Оксфордского университета, который также участвует в экспериментах ЦЕРН.
Земля, вероятно, исчезнет задолго до того, как какие-либо частицы бозона Хиггса начнут апокалиптическое нападение на Вселенную.
Плохая новость заключается в том, что ее масса предполагает, что Вселенная закончится быстро распространяющимся пузырем гибели. Хорошие новости? Вероятно, это будут десятки миллиардов лет.В статье цитируется Джозеф Ликкен из Фермилаб : «Параметры нашей Вселенной, включая массу Хиггса [и массы топ-кварков], предполагают, что мы находимся на грани стабильности, в «метастабильном» состоянии. Физики были рассматривая такую возможность более 30 лет. Еще в 1982 году физики Майкл Тернер и Фрэнк Вильчек написали в журнале Nature , что «без предупреждения пузырь истинного вакуума может зародиться где-то во Вселенной и переместиться наружу…»
[В]лияние Хиггса (или влияние чего-то подобного) может простираться гораздо дальше. Например, что-то вроде Хиггса – если не сам Хиггс – может быть причиной многих других необъяснимых «нарушенных симметрий» во Вселенной… Фактически, что-то очень похожее на Хиггса могло стоять за коллапсом Вселенной. симметрия, которая привела к Большому взрыву, создавшему Вселенную. Когда силы впервые начали отделяться от своего изначального сходства, принимая различные характеры, которые они имеют сегодня, они высвобождали энергию точно так же, как вода высвобождает энергию, когда превращается в лед. За исключением этого случая, замерзание содержит достаточно энергии, чтобы взорвать Вселенную. ... Как бы то ни было, мораль ясна: только когда совершенство разрушается, может родиться все остальное.
Гилберт... написал ответ на [статью Кляйна и Ли], в котором говорилось: «Нет, вы не можете сделать это в релятивистской теории». У вас не может быть такого предпочтительного вектора, подобного единице времени». Именно здесь я вошел, потому что в следующем месяце я ответил на статью Гилберта, сказав: «Да, такая вещь может быть», но только в калибровочной теории с калибровочным полем, связанным с током.
Сидни Коулман опубликовал в журнале Science в 1979 году проведенный им поиск по цитатам, документально подтверждающий, что по сути никто не обращал внимания на статью Вайнберга, получившую Нобелевскую премию, до работы 'т Хофта (как объяснил Бен Ли). В 1971 году интерес к статье Вайнберга резко возрос. У меня был параллельный личный опыт: я прошел годичный курс по слабым взаимодействиям у Шелли Глэшоу в 1970 году, и он даже не упомянул модель Вайнберга-Салама или свой собственный вклад.
[A] глобальное сотрудничество более 170 вычислительных центров в 36 странах... для хранения, распространения и анализа ~ 25 петабайт (25 миллионов гигабайт) данных, ежегодно генерируемых Большим адронным коллайдером.
Сейчас он объединяет тысячи компьютеров и систем хранения данных в более чем 170 центрах в 41 стране. ... WLCG — крупнейшая в мире вычислительная сеть
{{cite arXiv}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)статистическая значимость недостаточно велика, чтобы сказать что-либо убедительное. На сегодняшний день то, что мы видим, соответствует либо фоновым колебаниям, либо присутствию бозона. Точный анализ и дополнительные данные, полученные в 2012 году этой великолепной машиной, обязательно дадут ответ.
Впервые ученые смогли проанализировать динамику социальных сетей в глобальном масштабе до, во время и после объявления о крупном научном открытии.
Рольф Хойер, директор ЦЕРН, заявил, что он уверен, что «к середине года мы будем там».
– Интервью AP на Всемирном экономическом форуме, 26 января 2013 г.
«Потребуется еще несколько лет» после перезапуска коллайдера, чтобы окончательно подтвердить, что обнаруженная частица является бозоном Хиггса.
цитируя презентацию Ли ICHEP 1972 года в Фермилабе: «... который известен как механизм Хиггса ...» и «выражение Ли» - его объяснение этого сокращения, примечаемое в сносках.
Ли... очевидно, использовал термин «бозон Хиггса» еще в 1966 году... но, возможно, этот термин прижился благодаря основополагающей статье Стивена Вайнберга... опубликованной в 1967 году... Вайнберг признал путаницу в своей статье. эссе в
New York Review of Books
в мае 2012 года.
(См. также оригинальную статью в
SSC, предложенный Министерством энергетики США в 1983 году, представляет собой ошеломляющий проект... эта гигантская лаборатория... этот титанический проект.
...этот титанический комплекс...
Ледерман, считающий себя неофициальным пропагандистом суперколлайдера, заявил, что SSC может обратить вспять утечку мозгов в физике, из-за которой талантливые молодые физики покидают Америку, чтобы работать в Европе и других странах.
Ледерман, один из главных представителей SSC, был опытным экспериментатором в области высоких энергий, внесшим Нобелевскую премию в развитие Стандартной модели в 1960-х годах (хотя сама премия была вручена только в 1988 году). Он был постоянным участником слушаний в Конгрессе по вопросу о коллайдере и был необузданным защитником его достоинств.
Возможность того, что следующая большая машина создаст бозон Хиггса, стала пряником, который висит перед финансирующими агентствами и политиками. Видный американский физик Леон Ледерман [так в оригинале] рекламировал Хиггс как Частицу Бога в названии книги, опубликованной в 1993 году... Ледерман участвовал в кампании по убеждению правительства США продолжить финансирование Сверхпроводящего суперколлайдера.. Чернила на книге Ледермана не высохли до того, как Конгресс США решил списать уже потраченные миллиарды долларов
Рассмотрим раннюю Вселенную – состояние чистого, совершенного небытия; бесформенный туман недифференцированного вещества... "совершенная симметрия"... Что разрушило это первозданное совершенство? Одним из вероятных виновников является так называемое поле Хиггса... Физик Леон Ледерман сравнивает принцип действия Хиггса с библейской историей о Вавилоне, [граждане которого] говорили на одном языке... Подобно Богу, говорит Ледерман, Хиггсы различали совершенное сходство, сбивающее с толку всех (включая физиков)... [Нобелевский лауреат Ричард]
Фейнман
задавался вопросом, почему Вселенная, в которой мы живем, так явно искажена... Возможно, предполагал он, полное совершенство было бы неприемлемо для Бога. Итак, подобно тому, как Бог разрушил совершенство Вавилона, «Бог создал законы лишь почти симметричными».
{{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)
