Бозон Хиггса , иногда называемый частицей Хиггса , [9] [10] — элементарная частица в Стандартной модели физики элементарных частиц, образующаяся в результате квантового возбуждения поля Хиггса , [11] [12] одного из полей в теории физики элементарных частиц . [12] В Стандартной модели частица Хиггса — это массивный скалярный бозон с нулевым спином , четной (положительной) четностью , без электрического заряда и без цветового заряда , который связывается с массой (взаимодействует с ней). [13] Он также очень нестабилен, распадаясь на другие частицы почти сразу после рождения.
Поле Хиггса — скалярное поле с двумя нейтральными и двумя электрически заряженными компонентами, которые образуют сложный дублет слабой изоспиновой симметрии SU(2). Его « потенциал Сомбреро » заставляет его принимать ненулевое значение везде (включая пустое пространство), что нарушает слабую изоспиновую симметрию электрослабого взаимодействия и, посредством механизма Хиггса , дает массу покоя всем массивным элементарным частицам Стандартной модели, включая сам бозон Хиггса. Существование поля Хиггса стало последней непроверенной частью Стандартной модели физики элементарных частиц и в течение нескольких десятилетий считалось «центральной проблемой физики элементарных частиц». [14] [15]
И поле, и бозон названы в честь физика Питера Хиггса , который в 1964 году вместе с пятью другими учеными в трех группах предложил механизм Хиггса , способ приобретения массы некоторыми частицами . (Все известные в то время фундаментальные частицы [c] должны быть безмассовыми при очень высоких энергиях, но полное объяснение того, как некоторые частицы приобретают массу при более низких энергиях, было чрезвычайно сложным.) Если эти идеи верны, частица, известная как скалярный бозон, также должна существовать (с определенными свойствами). Эта частица была названа бозоном Хиггса и могла быть использована для проверки того, является ли поле Хиггса правильным объяснением.
После 40-летнего поиска в 2012 году в ходе экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе недалеко от Женевы , Швейцария, была обнаружена субатомная частица с ожидаемыми свойствами . Впоследствии было подтверждено, что новая частица соответствует ожидаемым свойствам бозона Хиггса. Физики из двух из трех команд, Питер Хиггс и Франсуа Энглер , были удостоены Нобелевской премии по физике в 2013 году за свои теоретические предсказания. Хотя имя Хиггса стало ассоциироваться с этой теорией, несколько исследователей между 1960 и 1972 годами независимо друг от друга разработали различные ее части.
В СМИ бозон Хиггса часто называют « частицей Бога » после книги «Частица Бога» лауреата Нобелевской премии Леона Ледермана , вышедшей в 1993 году . [16] Название подверглось критике со стороны физиков, [17] [18] включая Хиггса. [19]
Физики объясняют фундаментальные частицы и силы нашей Вселенной в терминах Стандартной модели — широко принятой структуры, основанной на квантовой теории поля , которая с большой точностью предсказывает почти все известные частицы и силы, кроме гравитации . (Для гравитации используется отдельная теория, общая теория относительности .) В Стандартной модели частицы и силы в природе (кроме гравитации) возникают из свойств квантовых полей, известных как калибровочная инвариантность и симметрии . Силы в Стандартной модели передаются частицами, известными как калибровочные бозоны . [20] [21]
Калибровочно-инвариантные теории — это теории, которые имеют полезную особенность, а именно: некоторые виды изменений значений определенных элементов не оказывают никакого влияния на результаты или измерения, которые мы делаем. Например: изменение напряжения в электромагните на +100 вольт не вызывает никаких изменений в магнитном поле , которое он производит. Аналогично, измерение скорости света в вакууме, по-видимому, дает идентичный результат, независимо от местоположения во времени и пространстве и независимо от локального гравитационного поля .
В таких теориях калибровка — 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 калибровки, которые приводят к тому, что измерения остаются неизменными. Симметрии такого рода являются мощными инструментами для глубокого понимания фундаментальных сил и частиц нашего физического мира. Поэтому калибровочная инвариантность является важным свойством в 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 задействованные 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 его комбинации с электромагнитным взаимодействием, вместе известных как электрослабое взаимодействие ) последовательно терпели неудачу. В результате этих неудач калибровочные теории начали приобретать дурную славу. Проблема заключалась в том, что требования симметрии для этих двух взаимодействий неверно предсказывали, что калибровочные бозоны слабого взаимодействия ( W и Z ) будут иметь «нулевую массу» (в специализированной терминологии физики элементарных частиц «масса» относится конкретно к массе покоя частицы ). Но эксперименты показали, что калибровочные бозоны W и Z имеют ненулевую (массу покоя). [23]
Кроме того, многие перспективные решения, казалось, требовали существования дополнительных частиц, известных как бозоны Голдстоуна . Но доказательства предполагали, что их тоже не существует. Это означало, что либо калибровочная инвариантность была неверным подходом, либо что-то неизвестное давало массу W- и Z-бозонам слабого взаимодействия, и делало это таким образом, что не создавало бозоны Голдстоуна. К концу 1950-х и началу 1960-х годов физики были в растерянности относительно того, как решить эти проблемы или как создать всеобъемлющую теорию для физики элементарных частиц.
В конце 1950-х годов Ёитиро Намбу осознал, что спонтанное нарушение симметрии — процесс, при котором симметричная система становится асимметричной — может происходить при определенных условиях. [d] Нарушение симметрии — это когда некоторая 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 , которые возникли бы в результате нарушения симметрии, могли бы вместо этого, при некоторых обстоятельствах, быть «поглощены» [e] безмассовыми бозонами W и Z. Если это так, возможно, бозоны Голдстоуна не будут существовать, а бозоны W и Z могли бы получить массу , решая обе проблемы одновременно. Подобное поведение уже было теоретически описано в сверхпроводимости. [24] В 1964 году физики Авраам Клейн и Бенджамин Ли показали, что это теоретически возможно , по крайней мере, для некоторых ограниченных ( нерелятивистских ) случаев. [25]
После статей 1963 [26] и начала 1964 [25] три группы исследователей независимо друг от друга разработали эти теории более полно, в том, что стало известно как статьи о нарушении симметрии PRL 1964 года . Все три группы пришли к схожим выводам и для всех случаев, а не только для некоторых ограниченных случаев. Они показали, что условия для электрослабой симметрии были бы «нарушены», если бы необычный тип поля существовал во всей Вселенной, и действительно, не было бы никаких бозонов Голдстоуна, а некоторые существующие бозоны приобрели бы массу .
Поле, необходимое для этого (которое в то время было чисто гипотетическим), стало известно как поле Хиггса (в честь Питера Хиггса , одного из исследователей), а механизм, посредством которого оно приводило к нарушению симметрии, стал известен как механизм Хиггса . Ключевой особенностью необходимого поля является то, что для того, чтобы поле имело ненулевое значение, потребовалось бы меньше энергии, чем для нулевого значения, в отличие от всех других известных полей, поэтому поле Хиггса имеет ненулевое значение (или вакуумное ожидание ) везде . Это ненулевое значение могло бы теоретически нарушить электрослабую симметрию. Это было первое предложение, способное показать, как калибровочные бозоны слабого взаимодействия могут иметь массу, несмотря на их определяющую симметрию, в рамках калибровочно-инвариантной теории.
Хотя эти идеи изначально не получили особой поддержки или внимания, к 1972 году они были развиты в комплексную теорию и доказали свою способность давать «разумные» результаты , которые точно описывали частицы, известные в то время, и которые с исключительной точностью предсказывали несколько других частиц, открытых в последующие годы . [f] В 1970-х годах эти теории быстро стали Стандартной моделью физики элементарных частиц.
Чтобы разрешить нарушение симметрии, Стандартная модель включает поле такого типа, которое необходимо для «нарушения» электрослабой симметрии и придания частицам их правильной массы. Было высказано предположение, что это поле, которое стало известно как «поле Хиггса», существует во всем пространстве и нарушает некоторые законы симметрии электрослабого взаимодействия , запуская механизм Хиггса. Следовательно, оно 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 преодолеть, которое становится очень малым, что также соответствует экспериментальным данным. [h] Более того, позже было обнаружено, что то же самое поле также могло бы объяснить, по-другому, 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 .
Пока не было прямых доказательств существования поля Хиггса, но даже без прямых доказательств точность его предсказаний заставила ученых поверить, что теория может быть верной. К 1980-м годам вопрос о том, существует ли поле Хиггса, и, следовательно, верна ли вся Стандартная модель, стал считаться одним из самых важных нерешенных вопросов в физике элементарных частиц . Существование поля Хиггса стало последней непроверенной частью Стандартной модели физики элементарных частиц и в течение нескольких десятилетий считалось «центральной проблемой физики элементарных частиц». [14] [15]
В течение многих десятилетий ученые не имели возможности определить, существует ли поле Хиггса, поскольку в то время не существовало технологии, необходимой для его обнаружения. Если бы поле Хиггса существовало, то оно было бы непохоже ни на одно другое известное фундаментальное поле, но также возможно, что эти ключевые идеи или даже вся Стандартная модель были каким-то образом неверны. [i]
Предполагаемая теория Хиггса сделала несколько ключевых предсказаний. [f] [28] : 22 Одним из важнейших предсказаний было то, что соответствующая частица , называемая «бозоном Хиггса», также должна существовать. Доказательство существования бозона Хиггса доказало бы, существует ли поле Хиггса, и, следовательно, окончательно доказало бы, верно ли объяснение Стандартной модели. Поэтому был проведен обширный поиск бозона Хиггса , как способа доказать, что само поле Хиггса существует. [11] [12]
Хотя поле Хиггса существовало бы повсюду, доказать его существование было бы далеко не просто. В принципе, его существование можно доказать, обнаружив его возбуждения , которые проявляются как частицы Хиггса ( бозон Хиггса ), но их чрезвычайно трудно производить и обнаруживать из-за энергии, необходимой для их производства, и их очень редкого производства, даже если энергии достаточно. Поэтому прошло несколько десятилетий, прежде чем удалось найти первое свидетельство существования бозона Хиггса. Разработка коллайдеров частиц , детекторов и компьютеров, способных искать бозоны Хиггса, заняла более 30 лет ( около 1980–2010 гг. ) . Важность этого фундаментального вопроса привела к 40-летнему поиску и строительству одной из самых дорогих и сложных экспериментальных установок в мире на сегодняшний день, Большого адронного коллайдера ЦЕРНа [ 29] в попытке создать бозоны Хиггса и другие частицы для наблюдения и изучения.
4 июля 2012 года было обнаружено новое вещество с массой междуБыло объявлено о 125 и 127 ГэВ/ c 2 ; физики подозревали, что это был бозон Хиггса. [30] [j] [31] [32] С тех пор было показано, что частица ведет себя, взаимодействует и распадается многими способами, предсказанными для частиц Хиггса Стандартной моделью, а также имеет четную четность и нулевой спин , [7] [8] два фундаментальных атрибута бозона Хиггса. Это также означает, что это первая элементарная скалярная частица, обнаруженная в природе. [33]
К марту 2013 года существование бозона Хиггса было подтверждено, и, следовательно, концепция некоторого типа поля Хиггса во всем пространстве получила твердую поддержку. [30] [32] [7] Наличие поля, теперь подтвержденное экспериментальным исследованием, объясняет, почему некоторые фундаментальные частицы имеют (массу покоя) , несмотря на симметрии , контролирующие их взаимодействия, подразумевающие, что они должны быть «безмассовыми». Это также решает несколько других давних загадок, таких как причина чрезвычайно короткого расстояния, проходимого бозонами 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 подтвердить, что обнаруженная частица обладает всеми предсказанными свойствами или существуют ли, как описано в некоторых теориях, множественные бозоны Хиггса. [34]
Природа и свойства этого поля в настоящее время изучаются более подробно с использованием дополнительных данных, собранных на LHC. [35]
Для описания поля Хиггса и бозона использовались различные аналогии, включая аналогии с известными эффектами нарушения симметрии, такими как радуга и призма , электрические поля и рябь на поверхности воды.
Другие аналогии, основанные на сопротивлении макрообъектов, движущихся через среду (например, людей, движущихся через толпу, или некоторых объектов, движущихся через сироп или патоку ), широко используются, но они вводят в заблуждение, поскольку поле Хиггса на самом деле не сопротивляется частицам, а эффект массы не вызван сопротивлением.
В Стандартной модели бозон Хиггса — это массивный скалярный бозон , масса которого должна быть найдена экспериментально. Его масса была определена как125,35 ± 0,15 ГэВ/ c 2 по CMS (2022) [36] и125,11 ± 0,11 ГэВ/ c 2 по ATLAS (2023). Это единственная частица, которая остается массивной даже при очень высоких энергиях. У нее нулевой спин , четная (положительная) четность , нет электрического заряда и нет цветового заряда , и она соединяется с массой (взаимодействует с ней). [13] Она также очень нестабильна, распадаясь на другие частицы почти сразу несколькими возможными путями.
Поле Хиггса — 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 Сомбреро . Эта форма означает, что ниже чрезвычайно высоких энергий около159,5 ± 1,5 ГэВ [37] , например, те, которые наблюдались в течение первой пикосекунды (10 −12 с) Большого взрыва , полю Хиггса в его основном состоянии требуется меньше энергии, чтобы иметь ненулевое вакуумное ожидание (значение), чем нулевое значение. Поэтому в сегодняшней Вселенной поле Хиггса имеет ненулевое значение везде (включая в остальном пустое пространство). Это ненулевое значение, в свою очередь, нарушает слабую изоспиновую симметрию SU(2) электрослабого взаимодействия везде. (Технически ненулевое 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 бозонов W и Z слабого взаимодействия . Оставшийся электрически нейтральный компонент либо проявляется как бозон Хиггса, либо может отдельно связываться с другими частицами, известными как фермионы (через связи Юкавы ), заставляя их также приобретать массу . [38]
Доказательства существования поля Хиггса и его свойств были чрезвычайно значимы по многим причинам. Важность бозона Хиггса в значительной степени заключается в том, что его можно исследовать с использованием существующих знаний и экспериментальных технологий, как способ подтверждения и изучения всей теории поля Хиггса. [11] [12] И наоборот, доказательство того, что поле Хиггса и бозон не существуют, также было бы значимым.
Бозон Хиггса подтверждает Стандартную модель посредством механизма генерации массы . По мере проведения более точных измерений его свойств могут быть предложены или исключены более продвинутые расширения. По мере разработки экспериментальных средств измерения поведения и взаимодействия поля это фундаментальное поле может быть лучше понято. Если бы поле Хиггса не было обнаружено, Стандартную модель пришлось бы модифицировать или заменить.
В связи с этим среди физиков распространено мнение, что, скорее всего, будет «новая» физика за пределами Стандартной модели , и Стандартная модель в какой-то момент будет расширена или заменена. Открытие Хиггса, а также множество измеренных столкновений, происходящих на LHC, предоставляют физикам чувствительный инструмент для поиска в своих данных любых доказательств того, что Стандартная модель, по-видимому, не работает, и могут предоставить существенные доказательства, направляющие исследователей в будущих теоретических разработках.
Ниже чрезвычайно высокой температуры нарушение электрослабой симметрии приводит к тому , что электрослабое взаимодействие частично проявляется как короткодействующая слабая сила , переносимая массивными калибровочными бозонами . В истории Вселенной считается, что нарушение электрослабой симметрии произошло примерно через 1 пикосекунду (10−12 с ) после Большого взрыва , когда Вселенная находилась при температуре159,5 ± 1,5 ГэВ/ кБ . [39] Это нарушение симметрии необходимо для формирования атомов и других структур, а также для ядерных реакций в звездах, таких как Солнце . Поле Хиггса отвечает за это нарушение симметрии .
Поле Хиггса играет ключевую роль в генерации масс кварков и заряженных лептонов (через взаимодействие Юкавы), а также калибровочных бозонов W и Z (через механизм Хиггса).
Поле Хиггса не «создает» массу из ничего (что нарушило бы закон сохранения энергии ), и поле Хиггса не отвечает за массу всех частиц. Например, приблизительно 99% массы барионов ( составных частиц, таких как протон и нейтрон ), вместо этого обусловлено квантовой хромодинамической энергией связи , которая является суммой кинетических энергий кварков и энергий безмассовых глюонов, опосредующих сильное взаимодействие внутри барионов. [40] В теориях, основанных на Хиггсе, свойство «массы» является проявлением потенциальной энергии, передаваемой фундаментальным частицам, когда они взаимодействуют («сопрягаются») с полем Хиггса, которое содержало эту массу в форме энергии . [41]
Поле Хиггса — единственное скалярное (спин 0) поле, которое можно обнаружить; все остальные фундаментальные поля в Стандартной модели являются спиновыми . 1 /2 фермионы или бозоны со спином 1. [k] Согласно Рольфу-Дитеру Хойеру , генеральному директору ЦЕРНа, 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. [42] [43]
Были проведены значительные научные исследования возможных связей между полем Хиггса и инфлатоном — гипотетическим полем, предложенным в качестве объяснения расширения пространства в течение первой доли секунды Вселенной (известной как « инфляционная эпоха »). Некоторые теории предполагают, что фундаментальное скалярное поле может быть ответственным за это явление; поле Хиггса является таким полем, и его существование привело к работам, анализирующим, может ли оно также быть инфлатоном, ответственным за это экспоненциальное расширение Вселенной во время Большого взрыва . Такие теории весьма предварительны и сталкиваются со значительными проблемами, связанными с унитарностью , но могут быть жизнеспособными, если сочетать их с дополнительными характеристиками, такими как большая неминимальная связь, скаляр Бранса-Дикке или другая «новая» физика, и они получили обработку, предполагающую, 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 фактически уничтожена путем коллапса в более стабильное состояние вакуума . [45] [46] [47] [48] [49] Иногда это неверно интерпретировалось как «конец» Вселенной бозоном Хиггса. [l] Если массы бозона Хиггса и топ-кварка известны точнее, а Стандартная модель обеспечивает точное описание физики элементарных частиц вплоть до экстремальных энергий планковского масштаба , то можно вычислить, является ли вакуум стабильным или просто долгоживущим. [52] [53] [54] Масса Хиггса125–127 ГэВ/ c2 , по-видимому, чрезвычайно близко к границе стабильности, но окончательный ответ требует гораздо более точных измерений полюсной массы топ-кварка. [44] Новая физика может изменить эту картину. [55]
Если измерения бозона Хиггса предполагают, что наша Вселенная находится в ложном вакууме такого рода, то это будет означать — более чем вероятно через многие миллиарды лет [56] [m] — что силы, частицы и структуры Вселенной могут прекратить свое существование в том виде, в котором мы их знаем (и быть заменены другими), если произойдет зарождение истинного вакуума . [ 56] [n] Это также предполагает, что самосвязывание Хиггса λ и его функция β λ могут быть очень близки к нулю в масштабах Планка, с «интригующими» последствиями, включая теории гравитации и инфляцию на основе Хиггса. [44] : 218 [58] [59] Будущий электрон-позитронный коллайдер сможет обеспечить точные измерения верхнего кварка, необходимые для таких расчетов. [44]
Более спекулятивно, поле Хиггса также было предложено как энергия вакуума , которая при экстремальных энергиях первых моментов Большого взрыва заставила вселенную быть своего рода безликой симметрией недифференцированной, чрезвычайно высокой энергии. В этом виде спекуляции единое единое поле Великой унифицированной теории идентифицируется как (или моделируется) поле Хиггса, и именно через последовательные нарушения симметрии поля Хиггса или некоторого похожего поля при фазовых переходах возникают известные в настоящее время силы и поля вселенной. [60]
Связь (если таковая имеется) между полем Хиггса и наблюдаемой в настоящее время плотностью энергии вакуума во Вселенной также стала предметом научного изучения. Как было замечено, текущая плотность энергии вакуума чрезвычайно близка к нулю, но плотности энергии, предсказываемые полем Хиггса, суперсимметрией и другими текущими теориями, обычно на много порядков больше. Неясно, как их следует согласовывать. Эта проблема космологической постоянной остается главной нерешенной проблемой в физике.
Физики, изучающие элементарные частицы, изучают материю , состоящую из фундаментальных частиц , взаимодействие которых опосредовано обменными частицами — калибровочными бозонами , действующими как переносчики сил . В начале 1960-х годов было открыто или предложено несколько таких частиц, а также теории, предполагающие, как они соотносятся друг с другом, некоторые из которых уже были переформулированы как теории поля , в которых объектами изучения являются не частицы и силы, а квантовые поля и их симметрии . [61] : 150 Однако попытки создать квантовые модели поля для двух из четырех известных фундаментальных сил — электромагнитной силы и слабой ядерной силы — а затем объединить эти взаимодействия все еще не увенчались успехом.
Одной из известных проблем было то, что калибровочно-инвариантные подходы, включая неабелевы модели, такие как теория Янга–Миллса (1954), которая была многообещающей для единых теорий, также, казалось, предсказывали известные массивные частицы как безмассовые. [24] Теорема Голдстоуна , касающаяся непрерывных симметрий в некоторых теориях, также, казалось, исключала многие очевидные решения, [62] поскольку она, казалось, показывала, что частицы с нулевой массой, известные как бозоны Голдстоуна, также должны были бы существовать, которые просто «не были бы видны». [63] По словам Гуральника , физики «не понимали», как можно преодолеть эти проблемы. [63]
Физик и математик в области элементарных частиц Питер Войт так охарактеризовал состояние исследований того времени:
Работа Янга и Миллса по неабелевой калибровочной теории 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 самому началу шестидесятых годов люди начали понимать другой источник безмассовых частиц: спонтанное нарушение симметрии непрерывной симметрии. То, что понял и разработал Филип Андерсон летом 1962 года, заключалось в том, что когда у вас есть и калибровочная симметрия , и спонтанное нарушение симметрии, безмассовая мода Намбу-Голдстоуна [которая порождает бозоны Голдстоуна] может объединиться с безмассовыми модами калибровочного поля [которые порождают безмассовые калибровочные бозоны], чтобы создать физическое массивное векторное поле [калибровочные бозоны с массой]. Это то, что происходит в сверхпроводимости , предмете, в котором Андерсон был (и остается) одним из ведущих экспертов. [24] [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 . [64] [65] Первоначально математическая теория, лежащая в основе спонтанного нарушения симметрии, была задумана и опубликована в физике элементарных частиц Ёитиро Намбу в 1960 году [66] (и несколько предвосхищена Эрнстом Штюкельбергом в 1938 году [67] ), а концепция того, что такой механизм может предложить возможное решение «проблемы массы», была первоначально предложена в 1962 году Филиппом Андерсоном, который ранее написал статьи о нарушенной симметрии и ее результатах в сверхпроводимости. [68] Андерсон пришел к выводу в своей статье 1963 года о теории Янга-Миллса, что «рассматривая аналог сверхпроводимости... эти два типа бозонов, по-видимому, способны нейтрализовать друг друга... оставляя бозоны с конечной массой»), [69] [26] и в марте 1964 года Авраам Клейн и Бенджамин Ли показали, что теорему Голдстоуна можно избежать таким образом, по крайней мере, в некоторых нерелятивистских случаях, и предположили, что это может быть возможно в истинно релятивистских случаях. [25]
Эти подходы были быстро развиты в полную релятивистскую модель, независимо и почти одновременно, тремя группами физиков: Франсуа Энглертом и Робертом Браутом в августе 1964 года; [70] Питером Хиггсом в октябре 1964 года; [71] и Джеральдом Гуральником , Карлом Хагеном и Томом Кибблом (GHK) в ноябре 1964 года. [72] Хиггс также написал короткий, но важный [64] ответ, опубликованный в сентябре 1964 года, на возражение Гилберта , [73] в котором было показано, что если проводить вычисления в рамках калибровочной модели излучения, теорема Голдстоуна и возражение Гилберта станут неприменимыми. [o] Позже Хиггс описал возражение Гилберта как побудившее его собственную статью. [74] Свойства модели были дополнительно рассмотрены Гуральником в 1965 году, [75] Хиггсом в 1966 году, [76] Кибблом в 1967 году, [77] и далее GHK в 1967 году. [78] Оригинальные три статьи 1964 года продемонстрировали, что когда калибровочная теория объединяется с дополнительным заряженным скалярным полем, которое спонтанно нарушает симметрию, калибровочные бозоны могут последовательно приобретать конечную массу. [64] [65] [79] В 1967 году Стивен Вайнберг [80] и Абдус Салам [81] независимо друг от друга показали, как механизм Хиггса может быть использован для нарушения электрослабой симметрии объединенной модели Шелдона Глэшоу для слабых и электромагнитных взаимодействий , [82] (которая сама по себе является расширением работы Швингера ), сформировав то, что стало Стандартной моделью физики элементарных частиц. Вайнберг был первым, кто заметил, что это также обеспечивает массовые члены для фермионов. [83] [p]
Сначала эти основополагающие работы по спонтанному нарушению калибровочных симметрий в значительной степени игнорировались, поскольку широко считалось, что рассматриваемые теории (неабелевы калибровочные) были тупиковыми, и в частности, что их нельзя было перенормировать . В 1971–72 годах Мартинус Вельтман и Герард 'т Хоофт доказали возможность перенормировки Янга–Миллса в двух работах, охватывающих безмассовые, а затем массивные поля. [83] Их вклад и работа других по группе перенормировки – включая «существенную» теоретическую работу русских физиков Людвига Фаддеева , Андрея Славнова , Ефима Фрадкина и Игоря Тютина [84] – в конечном итоге были «чрезвычайно глубокими и влиятельными» [85] , но даже после публикации всех ключевых элементов окончательной теории все еще почти не вызвали широкого интереса. Например, Коулман обнаружил в исследовании, что «по сути никто не обращал внимания» на статью Вайнберга до 1971 года [86] и обсуждал ее Дэвид Политцер в своей Нобелевской речи 2004 года. [85] – теперь наиболее цитируемая в физике элементарных частиц [87] – и даже в 1970 году, по словам Политцера, учение Глэшоу о слабом взаимодействии не содержало упоминания о работах Вайнберга, Салама или самого Глэшоу. [85] На практике, утверждает Политцер, почти все узнали о теории благодаря физику Бенджамину Ли , который объединил работу Вельтмана и 'т Хоофта с идеями других и популяризировал завершенную теорию. [85] Таким образом, с 1971 года интерес и признание «взорвались» [85] , и идеи быстро впитались в мейнстрим. [83] [85]
Полученная электрослабая теория и Стандартная модель точно предсказали (помимо прочего) слабые нейтральные токи , три бозона , верхний и очарованный кварки , а также с большой точностью массу и другие свойства некоторых из них. [f] Многие из тех, кто участвовал, в конечном итоге получили Нобелевские премии или другие известные награды. Статья 1974 года и всесторонний обзор в Reviews of Modern Physics прокомментировали, что «хотя никто не сомневался в [математической] правильности этих аргументов, никто не верил, что природа была достаточно дьявольски умна, чтобы воспользоваться ими», [88] добавив, что теория до сих пор давала точные ответы, которые согласовывались с экспериментом, но было неизвестно, была ли теория фундаментально правильной. [89] К 1986 году и снова в 1990-х годах стало возможным написать, что понимание и доказательство сектора Хиггса Стандартной модели было «центральной проблемой сегодня в физике элементарных частиц». [14] [15]
Три статьи, написанные в 1964 году, были признаны знаменательными во время празднования 50-летия Physical Review Letters . [79] Их шесть авторов также были награждены премией Дж. Дж. Сакураи 2010 года по теоретической физике элементарных частиц за эту работу. [90] (В том же году также возник спор, поскольку в случае присуждения Нобелевской премии могли быть отмечены только до трех ученых, а шесть были зачислены за статьи. [91] ) Две из трех статей PRL (Хиггса и GHK) содержали уравнения для гипотетического поля , которое в конечном итоге стало известно как поле Хиггса и его гипотетический квант , бозон Хиггса. [71] [72] Последующая статья Хиггса 1966 года показала механизм распада бозона; только массивный бозон может распадаться, и распады могут доказать этот механизм. [ необходима ссылка ]
В статье Хиггса бозон является массивным, и в заключительном предложении Хиггс пишет, что «существенной чертой» теории «является предсказание неполных мультиплетов скалярных и векторных бозонов ». [71] ( Фрэнк Клоуз комментирует, что калибровочные теоретики 1960-х годов были сосредоточены на проблеме безмассовых векторных бозонов, и подразумеваемое существование массивного скалярного бозона не считалось важным; только Хиггс напрямую обратился к нему. [92] : 154, 166, 175 ) В статье GHK бозон является безмассовым и отделен от массивных состояний. [72] В обзорах, датированных 2009 и 2011 годами, Гуральник утверждает, что в модели GHK бозон безмассовый только в приближении низшего порядка, но он не подчиняется никаким ограничениям и приобретает массу в более высоких порядках, и добавляет, что статья GHK была единственной, показавшей, что в модели нет безмассовых бозонов Голдстоуна , и давшей полный анализ общего механизма Хиггса. [63] [93] Все трое пришли к схожим выводам, несмотря на их очень разные подходы: статья Хиггса по сути использовала классические методы, Энглерт и Браут включали вычисление поляризации вакуума в теории возмущений вокруг предполагаемого состояния вакуума, нарушающего симметрию, а GHK использовал операторный формализм и законы сохранения, чтобы глубоко исследовать способы, которыми можно обойти теорему Голдстоуна. [64] Некоторые версии теории предсказывали более одного вида полей и бозонов Хиггса, и альтернативные «безхиггсовские» модели рассматривались до открытия бозона Хиггса.
Для получения бозонов Хиггса два пучка частиц разгоняются до очень высоких энергий и сталкиваются в детекторе частиц . Иногда, хотя и редко, бозон Хиггса будет создаваться на короткое время 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 ( сигнатуру распада ), и на основе данных реконструируется 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 похожие сигнатуры распада. К счастью, Стандартная модель точно предсказывает вероятность возникновения каждого из них и каждого известного процесса. Таким образом, если детектор обнаруживает больше сигнатур распада, последовательно соответствующих бозону Хиггса, чем можно было бы ожидать, если бы бозоны Хиггса не существовали, то это будет весомым доказательством того, что бозон Хиггса существует.
Поскольку рождение бозона Хиггса при столкновении частиц, вероятно, будет очень редким (1 из 10 миллиардов на LHC), [q] и многие другие возможные события столкновений могут иметь схожие сигнатуры распада, данные сотен триллионов столкновений должны быть проанализированы и должны «показать ту же картину», прежде чем можно будет сделать вывод о существовании бозона Хиггса. Чтобы сделать вывод об обнаружении новой частицы, физики частиц требуют, чтобы статистический анализ двух независимых детекторов частиц каждый показал, что существует менее одного шанса на миллион, что наблюдаемые сигнатуры распада обусловлены только фоновыми случайными событиями Стандартной модели, т. е. что наблюдаемое число 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 новой наблюдаемой частицы и позволяет физикам решить, действительно ли это бозон Хиггса, как описано Стандартной моделью, или какая-то другая гипотетическая новая частица.
Чтобы найти бозон Хиггса, нужен был мощный ускоритель частиц , потому что бозоны Хиггса могли не быть обнаружены в экспериментах с более низкими энергиями. Коллайдер должен был иметь высокую светимость , чтобы гарантировать, что будет обнаружено достаточно столкновений для того, чтобы сделать выводы. Наконец, необходимы были передовые вычислительные мощности для обработки огромного количества данных (25 петабайт в год по состоянию на 2012 год), полученных в результате столкновений. [96] Для объявления от 4 июля 2012 года в ЦЕРНе был построен новый коллайдер, известный как Большой адронный коллайдер , с запланированной конечной энергией столкновения 14 ТэВ — в семь раз больше, чем у любого предыдущего коллайдера — и более 300 триллионов (3 × 10 14 ) Столкновения протонов с протонами на LHC были проанализированы с помощью вычислительной сети LHC , крупнейшей в мире вычислительной сети (по состоянию на 2012 год), включающей более 170 вычислительных объектов во всемирной сети в 36 странах. [96] [97] [98]
Первые масштабные поиски бозона Хиггса были проведены на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) в ЦЕРНе в 1990-х годах. К концу своей службы в 2000 году LEP не нашел никаких убедительных доказательств существования Хиггса. [r] Это означало, что если бы бозон Хиггса существовал, он должен был бы быть тяжелее, чем114,4 ГэВ/ c2 . [ 99]
Поиски продолжились в Фермилабе в Соединенных Штатах, где Теватрон — коллайдер, открывший топ-кварк в 1995 году — был модернизирован для этой цели. Не было никакой гарантии, что Теватрон сможет найти Хиггс, но это был единственный работающий суперколлайдер, поскольку Большой адронный коллайдер (БАК) все еще строился, а запланированный Сверхпроводящий суперколлайдер был отменен в 1993 году и так и не был достроен. Теватрон смог только исключить дальнейшие диапазоны для массы Хиггса и был закрыт 30 сентября 2011 года, поскольку он больше не мог поспевать за БАК. Окончательный анализ данных исключил возможность существования бозона Хиггса с массой между147 ГэВ / c2 и180 ГэВ/ c2 . Кроме того, наблюдался небольшой (но не значительный) избыток событий, возможно , указывающий на бозон Хиггса с массой между115 ГэВ / c2 и140 ГэВ/ c2 . [ 100]
Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе в Швейцарии был специально разработан для того, чтобы подтвердить или исключить существование бозона Хиггса. Построенный в 27-километровом туннеле под землей недалеко от Женевы, где изначально находился LEP, он был разработан для столкновения двух пучков протонов, изначально при энергиях3,5 ТэВ на пучок (всего 7 ТэВ), или почти в 3,6 раза больше, чем у Теватрона, и в будущем может быть модернизирована до 2 × 7 ТэВ (всего 14 ТэВ). Теория предполагала, что если бозон Хиггса существует, столкновения на этих уровнях энергии должны были бы его обнаружить. Как один из самых сложных научных инструментов, когда-либо созданных, его эксплуатационная готовность была отложена на 14 месяцев из-за события срыва магнита через девять дней после его первых испытаний, вызванного неисправным электрическим соединением, которое повредило более 50 сверхпроводящих магнитов и загрязнило вакуумную систему. [101] [102] [103]
Сбор данных на LHC, наконец, начался в марте 2010 года. [104] К декабрю 2011 года два основных детектора частиц на LHC, ATLAS и CMS , сузили диапазон масс, в котором может существовать бозон Хиггса, до примерно116–130 ГэВ/ c2 ( ATLAS) и115–127 ГэВ/ c 2 (CMS). [105] [106] Также уже было несколько многообещающих избытков событий, которые «испарились» и оказались ничем иным, как случайными флуктуациями. Однако, начиная примерно с мая 2011 года, [107] оба эксперимента увидели среди своих результатов медленное появление небольшого, но постоянного избытка сигнатур распада гамма- и 4-лептонов и нескольких других распадов частиц, все намекая на новую частицу с массой около125 ГэВ/ c2 . [ 107] Примерно к ноябрю 2011 года аномальные данные в125 ГэВ/ c2 становилось «слишком большим, чтобы его игнорировать» (хотя все еще далеким от окончательного результата), и руководители групп ATLAS и CMS втайне подозревали, что они, возможно, нашли бозон Хиггса. [ 107] 28 ноября 2011 года на внутреннем совещании руководителей двух групп и генерального директора ЦЕРНа последние анализы впервые обсуждались за пределами их групп, что позволяет предположить, что ATLAS и CMS могут прийти к возможному общему результату в125 ГэВ/ c2 , и начались первоначальные приготовления в случае успешного обнаружения. [107] Хотя эта информация не была известна общественности в то время, сужение возможного диапазона Хиггса до примерно115–130 ГэВ/2 и повторное наблюдение небольших, но последовательных превышений событий по нескольким каналам как в ATLAS, так и в CMS вОбласть 124–126 ГэВ/ c2 (описываемая как «заманчивые намеки» на около 2–3 сигма) была общедоступной и вызывала «большой интерес». [108] Поэтому в конце 2011 года широко ожидалось, что LHC предоставит достаточно данных, чтобы либо исключить , либо подтвердить открытие бозона Хиггса к концу 2012 года, когда будут изучены их данные о столкновениях 2012 года (с немного более высокой энергией столкновения 8 ТэВ). [108] [109]
22 июня 2012 года ЦЕРН объявил о предстоящем семинаре, охватывающем предварительные результаты за 2012 год, [113] [114] и вскоре после этого (примерно с 1 июля 2012 года согласно анализу распространяющихся слухов в социальных сетях [115] ) в СМИ начали распространяться слухи о том, что это будет включать в себя важное объявление, но было неясно, будет ли это более сильным сигналом или формальным открытием. [116] [117] Спекуляции переросли в «лихорадочный» уровень, когда появились сообщения о том, что Питер Хиггс , который предложил частицу, должен был присутствовать на семинаре, [118] [119] и что были приглашены «пять ведущих физиков» — как обычно полагают, означающие пять живых авторов 1964 года — с участием Хиггса, Энглерта, Гуральника, Хагена и подтверждением его приглашения Кибблом (Броут умер в 2011 году). [120]
4 июля 2012 года оба эксперимента ЦЕРНа объявили, что они независимо друг от друга сделали одно и то же открытие: [121] CMS ранее неизвестного бозона с массой125,3 ± 0,6 ГэВ/ c 2 [122] [123] и ATLAS бозона с массой126,0 ± 0,6 ГэВ/ c2 . [124] [125] Используя комбинированный анализ двух типов взаимодействия (известных как «каналы»), оба эксперимента независимо достигли локальной значимости 5 сигм – что подразумевает , что вероятность получения по крайней мере столь же сильного результата только случайно составляет менее одного на три миллиона. Когда были приняты во внимание дополнительные каналы, значимость CMS снизилась до 4,9 сигм. [123]
Две команды работали «вслепую» друг от друга примерно с конца 2011 или начала 2012 года [107] , что означает, что они не обсуждали свои результаты друг с другом, что давало дополнительную уверенность в том, что любое общее открытие было подлинным подтверждением частицы. [96] Этот уровень доказательств, подтвержденный независимо двумя отдельными командами и экспериментами, соответствует формальному уровню доказательств, необходимому для объявления подтвержденного открытия.
31 июля 2012 года коллаборация ATLAS представила дополнительный анализ данных по «наблюдению новой частицы», включая данные из третьего канала, который улучшил значимость до 5,9 сигма (шанс 1 из 588 миллионов получить по крайней мере столь же веские доказательства только с помощью случайных фоновых эффектов) и массы 126,0 ± 0,4 (стат) ± 0,4 (систем) ГэВ/ c2 , [125] а CMS улучшил значимость до 5 сигма и массы 125,3 ± 0,4 (стат) ± 0,5 (систем) ГэВ/ c2 . [122 ]
После открытия 2012 года все еще не было подтверждено,Частица с энергией 125 ГэВ/ c2 была бозоном Хиггса. С одной стороны, наблюдения оставались согласованными с наблюдаемой частицей, являющейся бозоном Хиггса Стандартной модели, и частица распалась по крайней мере на некоторые из предсказанных каналов. Более того, скорости производства и коэффициенты ветвления для наблюдаемых каналов в целом соответствовали предсказаниям Стандартной модели в пределах экспериментальных неопределенностей. Однако экспериментальные неопределенности в настоящее время все еще оставляли место для альтернативных объяснений, что означало, что объявление об открытии бозона Хиггса было бы преждевременным. [126] Чтобы предоставить больше возможностей для сбора данных, предложенное закрытие LHC в 2012 году и модернизация в 2013–2014 годах были отложены на семь недель в 2013 году. [127]
В ноябре 2012 года на конференции в Киото исследователи заявили, что доказательства, собранные с июля, больше соответствуют базовой Стандартной модели, чем ее альтернативам, с рядом результатов для нескольких взаимодействий, соответствующих предсказаниям этой теории. [128] Физик Мэтт Штрасслер выделил «значительные» доказательства того, что новая частица не является псевдоскалярной частицей с отрицательной четностью (что согласуется с этим требуемым выводом для бозона Хиггса), «испарение» или отсутствие возросшей значимости для предыдущих намеков на выводы, не относящиеся к Стандартной модели, ожидаемые взаимодействия Стандартной модели с W- и Z-бозонами , отсутствие «значительных новых последствий» за или против суперсимметрии и в целом отсутствие значительных отклонений на сегодняшний день от результатов, ожидаемых для бозона Хиггса Стандартной модели. [s] Однако некоторые виды расширений Стандартной модели также показали бы очень похожие результаты; [130] поэтому комментаторы отметили, что, основываясь на других частицах, которые все еще изучаются спустя долгое время после их открытия, могут потребоваться годы, чтобы быть уверенными, и десятилетия, чтобы полностью понять обнаруженную частицу. [128] [с]
Эти результаты означают, что по состоянию на январь 2013 года ученые были уверены, что обнаружили неизвестную частицу с массой ~ 125 ГэВ/ c2 , и не были введены в заблуждение экспериментальной ошибкой или случайным результатом. Они также были уверены, из первоначальных наблюдений, что новая частица была каким-то бозоном. Поведение и свойства частицы, насколько это было изучено с июля 2012 года, также казались довольно близкими к поведению, ожидаемому от бозона Хиггса. Тем не менее, это все еще мог быть бозон Хиггса или какой-то другой неизвестный бозон, поскольку будущие тесты могут показать поведение, которое не соответствует бозону Хиггса, поэтому по состоянию на декабрь 2012 года ЦЕРН все еще только заявлял, что новая частица «согласуется с» бозоном Хиггса, [30] [32] и ученые еще не утверждали определенно, что это был бозон Хиггса. [131] Несмотря на это, в конце 2012 года широко распространенные сообщения в СМИ объявили (неверно), что бозон Хиггса был подтвержден в течение года. [137]
В январе 2013 года генеральный директор ЦЕРН Рольф-Дитер Хойер заявил, что на основе анализа данных на сегодняшний день ответ может быть получен «к середине» 2013 года [138], а заместитель председателя кафедры физики в Брукхейвенской национальной лаборатории заявил в феврале 2013 года, что для «окончательного» ответа может потребоваться «еще несколько лет» после перезапуска коллайдера в 2015 году . [139] 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 по крайней мере каким-то видом бозона Хиггса. [140]
14 марта 2013 года ЦЕРН подтвердил следующее:
CMS и ATLAS сравнили ряд вариантов спин-четности этой частицы, и все они предпочитают отсутствие спина и четность [два фундаментальных критерия бозона Хиггса, соответствующих Стандартной модели]. Это, в сочетании с измеренными взаимодействиями новой частицы с другими частицами, убедительно указывает на то, что это бозон Хиггса. [7]
Это также делает частицу первой элементарной скалярной частицей, обнаруженной в природе. [33]
Ниже приведены примеры тестов, используемых для подтверждения того, что обнаруженная частица является бозоном Хиггса: [с] [13]
В июле 2017 года ЦЕРН подтвердил, что все измерения по-прежнему согласуются с предсказаниями Стандартной модели, и назвал обнаруженную частицу просто «бозоном Хиггса». [35] По состоянию на 2019 год Большой адронный коллайдер продолжал делать выводы, подтверждающие понимание поля Хиггса и частицы 2013 года. [147] [148]
Экспериментальная работа LHC с момента перезапуска в 2015 году включала исследование поля Хиггса и бозона на более высоком уровне детализации и подтверждение того, были ли верны менее распространенные предсказания. В частности, исследования с 2015 года предоставили убедительные доказательства предсказанного прямого распада на фермионы, такие как пары b-кварков (3,6 σ), — описанного как «важная веха» в понимании его короткого времени жизни и других редких распадов, — а также подтвердили распад на пары тау-лептонов (5,9 σ). ЦЕРН описал это как «имеющее первостепенное значение для установления связи бозона Хиггса с лептонами и представляющее собой важный шаг к измерению его связей с фермионами третьего поколения, очень тяжелыми копиями электронов и кварков, роль которых в природе является глубокой загадкой». [35] Опубликованные результаты по состоянию на 19 марта 2018 года при 13 ТэВ для ATLAS и CMS имели свои измерения массы Хиггса при124,98 ± 0,28 ГэВ/ c 2 и125,26 ± 0,21 ГэВ/ c 2 соответственно.
В июле 2018 года эксперименты ATLAS и CMS сообщили о наблюдении распада бозона Хиггса на пару b-кварков, что составляет примерно 60% всех его распадов. [149] [150] [151]
.png/1280px-Spontaneous_symmetry_breaking_(explanatory_diagram).png)
Калибровочная инвариантность является важным свойством современных теорий частиц, таких как Стандартная модель , отчасти из-за ее успеха 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 для слабого ядерного взаимодействия или возможного объединенного электрослабого взаимодействия . Фермионы с массовым членом нарушили бы калибровочную симметрию и, следовательно, не могут быть калибровочно-инвариантными. (Это можно увидеть, исследуя лагранжиан Дирака для фермиона в терминах левых и правых компонент; мы обнаруживаем, что ни одна из частиц со спином-половиной никогда не могла бы перевернуть спиральность , как требуется для массы, поэтому они должны быть безмассовыми. [t] ) Наблюдается, что W- и Z-бозоны имеют массу, но массовый член бозона содержит члены, которые явно зависят от выбора калибровки, и, следовательно, эти массы также не могут быть калибровочно-инвариантными. Поэтому, похоже, ни один из фермионов или бозонов стандартной модели не мог «начать» с массы как встроенного свойства, кроме как отказавшись от калибровочной инвариантности. Если калибровочная инвариантность должна была быть сохранена, то эти частицы должны были приобретать свою массу посредством какого-то другого механизма или взаимодействия.
Кроме того, решения, основанные на спонтанном нарушении симметрии, по-видимому, не сработали, что, по-видимому, является неизбежным результатом теоремы Голдстоуна . Поскольку нет потенциальной энергетической стоимости для перемещения вокруг «круговой долины» комплексной плоскости, ответственной за спонтанное нарушение симметрии, результирующее квантовое возбуждение представляет собой чистую кинетическую энергию и, следовательно, безмассовый бозон («бозон Голдстоуна»), что, в свою очередь, подразумевает новую дальнодействующую силу. Но никаких новых дальнодействующих сил или безмассовых частиц также обнаружено не было. Поэтому то, что давало этим частицам их массу, не должно было «нарушать» калибровочную инвариантность как основу для других частей теорий, где это хорошо работало, и не должно было требовать или предсказывать неожиданные безмассовые частицы или дальнодействующие силы, которые на самом деле, по-видимому, не существуют в природе.
Решение всех этих перекрывающихся проблем пришло из открытия ранее незамеченного пограничного случая, скрытого в математике теоремы Голдстоуна [o] , что при определенных условиях теоретически возможно нарушение симметрии без нарушения калибровочной инвариантности и без каких-либо новых безмассовых частиц или сил, и получение "разумных" ( перенормируемых ) результатов математически. Это стало известно как механизм Хиггса .
Стандартная модель выдвигает гипотезу о поле , которое отвечает за этот эффект, называемом полем Хиггса (символ: ), которое имеет необычное свойство ненулевой амплитуды в своем основном состоянии ; т. е. ненулевое вакуумное ожидание . Оно может иметь этот эффект из-за своего необычного потенциала в форме «мексиканской шляпы», самая низкая «точка» которого не находится в его «центре». Проще говоря, в отличие от всех других известных полей, полю Хиггса требуется меньше энергии, чтобы иметь ненулевое значение, чем нулевое значение, поэтому оно в конечном итоге имеет ненулевое значение везде . 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 из-за того, что скалярные компоненты поля Хиггса «поглощаются» массивными бозонами как степени свободы и связываются с фермионами через связь Юкавы , тем самым производя ожидаемые массовые члены. Когда симметрия нарушается в этих условиях, возникающие голдстоуновские бозоны взаимодействуют с полем Хиггса (и с другими частицами, способными взаимодействовать с полем Хиггса) вместо того, чтобы стать новыми безмассовыми частицами. Неразрешимые проблемы обеих основных теорий «нейтрализуют» друг друга, и остаточным результатом является то, что элементарные частицы приобретают согласованную массу, основанную на том, насколько сильно они взаимодействуют с полем Хиггса. Это простейший известный процесс, способный придать массу калибровочным бозонам , оставаясь совместимым с калибровочными теориями . [152] Его квант был бы скалярным бозоном , известным как бозон Хиггса. [153]
Предложенный механизм Хиггса возник в результате теорий, предложенных для объяснения наблюдений в сверхпроводимости . Сверхпроводник не допускает проникновения внешних магнитных полей ( эффект Мейсснера ). Это странное наблюдение подразумевает, что каким-то образом электромагнитное поле становится короткодействующим во время этого явления. Успешные теории возникли для объяснения этого в 1950-х годах, сначала для фермионов ( теория Гинзбурга–Ландау , 1950), а затем для бозонов ( теория БКШ , 1957).
В этих теориях сверхпроводимость интерпретируется как возникающая из заряженного конденсатного поля. Первоначально значение конденсата не имеет какого-либо предпочтительного направления, что подразумевает, что оно скалярно, но его фаза способна определять калибровку в теориях поля, основанных на калибровке. Для этого поле должно быть заряжено. Заряженное скалярное поле также должно быть комплексным (или, говоря иначе, оно содержит по крайней мере два компонента и симметрию, способную вращать каждый из них в другой(ие)). В наивной калибровочной теории калибровочное преобразование конденсата обычно вращает фазу. Но в этих обстоятельствах оно вместо этого фиксирует предпочтительный выбор фазы. Однако оказывается, что фиксация выбора калибровки таким образом, чтобы конденсат имел везде одинаковую фазу, также приводит к тому, что электромагнитное поле приобретает дополнительный член. Этот дополнительный член приводит к тому, что электромагнитное поле становится короткодействующим.
Как только внимание к этой теории было привлечено в физике элементарных частиц, параллели стали очевидны. Изменение обычно дальнодействующего электромагнитного поля на короткодействующее в рамках калибровочно-инвариантной теории было именно тем необходимым эффектом, который искали для бозонов слабого взаимодействия (потому что дальнодействующее взаимодействие имеет безмассовые калибровочные бозоны, а короткодействующее взаимодействие подразумевает массивные калибровочные бозоны, предполагая, что результатом этого взаимодействия является то, что калибровочные бозоны поля приобретают массу, или аналогичный и эквивалентный эффект). Характеристики поля, необходимые для этого, также были довольно хорошо определены — это должно было быть заряженное скалярное поле, по крайней мере с двумя компонентами, и комплексное, чтобы поддерживать симметрию, способную вращать их друг в друга. [u]
Минимальная стандартная модель, как описано выше, является простейшей известной моделью для механизма Хиггса с одним полем Хиггса. Однако также возможен расширенный сектор Хиггса с дополнительными дублетами или триплетами частиц Хиггса, и многие расширения Стандартной модели обладают этой особенностью. Неминимальный сектор Хиггса, предпочитаемый теорией, — это модели с двумя дублетами Хиггса (2HDM), которые предсказывают существование квинтета скалярных частиц: двух CP-четных нейтральных бозонов Хиггса h 0 и H 0 , CP-нечетного нейтрального бозона Хиггса A 0 и двух заряженных частиц Хиггса H ± . Суперсимметрия («SUSY») также предсказывает соотношения между массами бозонов Хиггса и массами калибровочных бозонов и может вместить125 ГэВ/ c 2 нейтральный бозон Хиггса.
Ключевой метод различения этих различных моделей включает изучение взаимодействий частиц («связь») и точных процессов распада («коэффициенты ветвления»), которые можно измерить и экспериментально проверить при столкновениях частиц. В модели 2HDM типа I один дублет Хиггса связывается с верхними и нижними кварками, в то время как второй дублет не связывается с кварками. Эта модель имеет два интересных предела, в которых самый легкий Хиггс связывается только с фермионами («калибровочно- фобный ») или только с калибровочными бозонами («фермиофобный»), но не с обоими. В модели 2HDM типа II один дублет Хиггса связывается только с верхними кварками, другой связывается только с нижними кварками. [154] Тщательно исследованная Минимальная суперсимметричная стандартная модель (MSSM) включает сектор Хиггса типа II 2HDM, поэтому ее можно опровергнуть доказательствами существования Хиггса типа I 2HDM. [ требуется ссылка ]
В других моделях скаляр Хиггса является составной частицей. Например, в technicolour роль поля Хиггса играют сильно связанные пары фермионов, называемые techniquarks . В других моделях присутствуют пары топ-кварков (см. top quark condensate ). В других моделях вообще нет поля Хиггса , а электрослабая симметрия нарушается с помощью дополнительных измерений. [155] [156]
Стандартная модель оставляет массу бозона Хиггса параметром для измерения, а не значением для расчета. Это считается теоретически неудовлетворительным, особенно потому, что квантовые поправки (связанные с взаимодействием с виртуальными частицами ) должны, по-видимому, приводить к тому, что частица Хиггса имеет массу, значительно превышающую наблюдаемую, но в то же время Стандартная модель требует массы порядка 100–1000 ГэВ/ c2 для обеспечения унитарности (в данном случае для унитаризации продольного векторного рассеяния бозонов). [157] Согласование этих точек зрения, по-видимому, требует объяснения того , почему существует почти идеальное погашение, приводящее к видимой массе ~ 125 ГэВ/ c2 , и неясно, как это сделать. Поскольку слабое взаимодействие примерно в 1032 раз сильнее гравитации, и (в связи с этим) масса бозона Хиггса намного меньше массы Планка или энергии великого объединения, кажется, что либо существует некая базовая связь или причина для этих наблюдений, которая неизвестна и не описывается Стандартной моделью, либо какая-то необъяснимая и чрезвычайно точная тонкая настройка параметров — однако в настоящее время ни одно из этих объяснений не доказано. Это известно как проблема иерархии . [ 158] 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 неоправданно деликатных сокращений и должна позволять вычислять массы частиц, таких как бозон Хиггса. Проблема в некотором смысле уникальна для частиц со спином 0 (таких как бозон Хиггса), что может привести к проблемам, связанным с квантовыми поправками, которые не влияют на частицы со спином. [157] Было предложено несколько решений , включая суперсимметрию , конформные решения и решения через дополнительные измерения, такие как модели бранного мира .
Существуют также проблемы квантовой тривиальности , которые предполагают, что может быть невозможно создать последовательную квантовую теорию поля, включающую элементарные скалярные частицы. [159] Ограничения тривиальности могут быть использованы для ограничения или предсказания параметров, таких как масса бозона Хиггса. Это также может привести к предсказуемой массе Хиггса в асимптотических сценариях безопасности .
В Стандартной модели поле Хиггса является скалярным тахионным полем — скалярное означает, что оно не преобразуется при преобразованиях Лоренца , а тахионное означает, что поле (но не частица) имеет мнимую массу , и в определенных конфигурациях должно претерпевать нарушение симметрии . Оно состоит из четырех компонентов: двух нейтральных и двух заряженных компонентных 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. [160] Этот компонент может взаимодействовать с фермионами через связь Юкавы, также придавая им массу.
Математически поле Хиггса имеет мнимую массу и, следовательно, является тахионным полем. [v] В то время как тахионы ( частицы , движущиеся быстрее света ) являются чисто гипотетическим понятием, поля с мнимой массой стали играть важную роль в современной физике. [162] [163] Ни при каких обстоятельствах никакие возбуждения не распространяются быстрее света в таких теориях — наличие или отсутствие тахионной массы никак не влияет на максимальную скорость сигналов (нет нарушения причинности ) . [164] Вместо частиц, движущихся быстрее света, мнимая 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 конденсация тахионов , и в настоящее время считается объяснением того, как сам механизм Хиггса возникает в природе, и, следовательно, причиной нарушения электрослабой симметрии.
Хотя понятие мнимой массы может показаться тревожным, квантуется только поле, а не сама масса. Следовательно, операторы поля в пространственно -подобных разделенных точках все еще коммутируют (или антикоммутируют) , а информация и частицы все еще не распространяются быстрее света. [165] Конденсация тахионов переводит физическую систему, которая достигла локального предела — и от которой можно было бы наивно ожидать создания физических тахионов — в альтернативное стабильное состояние, в котором не существует никаких физических тахионов. Как только тахионное поле, такое как поле Хиггса, достигает минимума потенциала, его кванты больше не являются тахионами, а скорее являются обычными частицами, такими как бозон Хиггса. [166]
Поскольку поле Хиггса скалярно , бозон Хиггса не имеет спина . Бозон Хиггса также является своей собственной античастицей , CP-четным и имеет нулевой электрический и цветовой заряд . [167]
Стандартная модель не предсказывает массу бозона Хиггса. [168] Если эта масса находится между115 и 180 ГэВ/ c2 (согласуется с эмпирическими наблюдениями125 ГэВ/ c2 ), то Стандартная модель может быть справедливой в энергетических масштабах вплоть до масштаба Планка (10 19 ГэВ/ c 2 ). [169] Это должна быть единственная частица в Стандартной модели, которая остается массивной даже при высоких энергиях. Многие теоретики ожидают, что новая физика за пределами Стандартной модели появится на ТэВ-масштабе, основываясь на неудовлетворительных свойствах Стандартной модели. [170] Максимально возможный масштаб массы, допустимый для бозона Хиггса (или какого-либо другого механизма нарушения электрослабой симметрии), составляет 1,4 ТэВ; за этой точкой Стандартная модель становится непоследовательной без такого механизма, поскольку унитарность нарушается в определенных процессах рассеяния. [171]
Также возможно, хотя экспериментально это и сложно, оценить массу бозона Хиггса косвенно: в Стандартной модели бозон Хиггса имеет ряд косвенных эффектов; наиболее заметным из которых является то, что петли Хиггса приводят к крошечным поправкам к массам W- и Z-бозонов. Точные измерения электрослабых параметров, таких как константа Ферми и массы W- и Z-бозонов, могут быть использованы для расчета ограничений на массу Хиггса. По состоянию на июль 2011 года точные электрослабые измерения говорят нам, что масса бозона Хиггса, вероятно, меньше примерно161 ГэВ/ c 2 на уровне достоверности 95% . [w] Эти косвенные ограничения основаны на предположении, что Стандартная модель верна. Возможно, все еще возможно обнаружить бозон Хиггса с массой выше этих масс, если он сопровождается другими частицами, выходящими за рамки тех, которые предусмотрены Стандартной моделью. [173]
LHC не может напрямую измерить время жизни бозона Хиггса из-за его чрезвычайной краткости. Оно предсказывается как1,56 × 10−22 с на основе предсказанной ширины распада4,07 × 10−3 ГэВ . [2] Однако его можно измерить косвенно, на основе сравнения масс, измеренных из квантовых явлений, происходящих в путях образования на оболочке и в, гораздо более редких, путях образования вне оболочки , полученных из распада Далица через виртуальный фотон (H → γ*γ → ℓℓγ) . Используя эту технику, время жизни бозона Хиггса было предварительно измерено в 2021 году как 1,2 –4,6 × 10−22 с , при сигме 3,2 (1 из 1000) значимости. [ 3] [4]
Если теории частиц Хиггса верны, то частица Хиггса может быть получена так же, как и другие изучаемые частицы, в коллайдере частиц . Это включает в себя ускорение большого количества частиц до чрезвычайно высоких энергий и чрезвычайно близких к скорости света , а затем их столкновение. Протоны и ионы свинца (голые ядра атомов свинца ) используются в LHC. При экстремальных энергиях этих столкновений время от времени будут производиться желаемые эзотерические частицы, и это можно обнаружить и изучить; любое отсутствие или отличие от теоретических ожиданий также можно использовать для улучшения теории. Соответствующая теория частиц (в данном случае Стандартная модель) определит необходимые виды столкновений и детекторов. Стандартная модель предсказывает, что бозоны Хиггса могут быть образованы несколькими способами, [94] [174] [175], хотя вероятность образования бозона Хиггса при любом столкновении всегда ожидается очень малой — например, только один бозон Хиггса на 10 миллиардов столкновений в Большом адронном 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 это произойдет. [176] Это также верно для бозона Хиггса. Вероятность, с которой это произойдет, зависит от множества факторов, включая: разницу в массе, силу взаимодействий и т. д. Большинство этих факторов фиксируются Стандартной моделью, за исключением массы самого бозона Хиггса. Для бозона Хиггса с массой125 ГэВ/ c2 СМ предсказывает среднее время жизни около1,6 × 10−22 с . [ б]
Поскольку он взаимодействует со всеми массивными элементарными частицами СМ, бозон Хиггса имеет много различных процессов, посредством которых он может распадаться. Каждый из этих возможных процессов имеет свою собственную вероятность, выраженную как отношение ветвления ; доля от общего числа распадается, которая следует за этим процессом. СМ предсказывает эти отношения ветвления как функцию массы Хиггса (см. график).
Один из способов, которым Хиггс может распасться, — это расщепление на пару фермион-антифермион. Как правило, Хиггс с большей вероятностью распадется на тяжелые фермионы, чем на легкие фермионы, поскольку масса фермиона пропорциональна силе его взаимодействия с Хиггсом. [126] По этой логике наиболее распространенным распадом должен быть распад на пару топ -антитоп-кварк. Однако такой распад был бы возможен только в том случае, если бы Хиггс был тяжелее, чем ~346 ГэВ/ c 2 , что вдвое больше массы топ-кварка. Для массы Хиггса125 ГэВ/ c2 СМ предсказывает, что наиболее распространенным распадом является распад на пару кварков нижний – антинижний, что происходит в 57,7% случаев. [2] Вторым наиболее распространенным распадом фермиона при этой массе является распад на пару тау – антитау, что происходит только в 6,3% случаев. [2]
Другая возможность — это распад Хиггса на пару массивных калибровочных бозонов. Наиболее вероятная возможность — это распад Хиггса на пару W-бозонов (голубая линия на графике), что происходит примерно в 21,5% случаев для бозона Хиггса с массой125 ГэВ/ c2 . [2] W-бозоны могут впоследствии 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 не могут быть полностью реконструированы (потому что 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/ c2 ), [2] если каждый из бозонов впоследствии распадается на пару легко обнаруживаемых заряженных лептонов ( электронов или мюонов ).
Распад на безмассовые калибровочные бозоны (т. е. глюоны или фотоны ) также возможен, но требует промежуточной петли виртуальных тяжелых кварков (верхних или нижних) или массивных калибровочных бозонов. [126] Наиболее распространенным таким процессом является распад на пару глюонов через петлю виртуальных тяжелых кварков. Этот процесс, который является обратным процессу слияния глюонов, упомянутому выше, происходит примерно в 8,6% случаев для бозона Хиггса с массой125 ГэВ/ c2 . [2] Гораздо реже происходит распад на пару фотонов, опосредованный петлей W-бозонов или тяжелых кварков, который происходит только дважды на каждую тысячу распадов. [2] Однако этот процесс очень важен для экспериментальных поисков бозона Хиггса , поскольку энергию и импульс фотонов можно измерить очень точно, что дает точную реконструкцию массы распадающейся частицы. [126]
В 2021 году был предварительно обнаружен чрезвычайно редкий распад Далитца [ требуется ссылка ] на два лептона (электрона или мюона) и фотон (ℓℓγ) через распад виртуального фотона . Это может произойти тремя способами: Хиггс в виртуальный фотон в ℓℓγ, в котором виртуальный фотон (γ*) имеет очень малую, но ненулевую массу, Хиггс в Z-бозон в ℓℓγ или Хиггс в два лептона, один из которых испускает фотон конечного состояния, приводящий к ℓℓγ. ATLAS искал доказательства первого из них (H → γ*γ → ℓℓγ) при низкой массе дилептона (≤30 ГэВ/ c 2 ) , где этот процесс должен доминировать. Наблюдение находится на уровне значимости сигма 3,2 (1 из 1000). [3] [4] Этот путь распада важен, поскольку он облегчает измерение массы бозона Хиггса на полке и вне ее (позволяя косвенно измерить время распада), а распад на две заряженные частицы позволяет исследовать сопряжение зарядов и нарушение четности зарядов (CP) . [4]
Название, наиболее тесно связанное с частицей и полем, — бозон Хиггса [92] : 168 и поле Хиггса. Некоторое время частица была известна по комбинации имен ее авторов PRL (включая иногда Андерсона), например, частица Браута–Энглерта–Хиггса, частица Андерсона–Хиггса или механизм Энглерта–Броута–Хиггса–Гуральника–Хагена–Киббла, [x] и они все еще иногда используются. [64] [179] Частично подпитываемый вопросом признания и потенциальной совместной Нобелевской премии, [179] [180] наиболее подходящее название все еще иногда было темой дебатов до 2013 года. [179] Сам Хиггс предпочитал называть частицу либо аббревиатурой всех участников, либо «скалярным бозоном», либо «так называемой частицей Хиггса». [180]
Значительное количество было написано о том, как имя Хиггса стало использоваться исключительно. Предлагаются два основных объяснения. Первое заключается в том, что Хиггс предпринял шаг, который был либо уникальным, либо более ясным, либо более явным в своей статье, формально предсказывая и исследуя частицу. Из авторов статей PRL только статья Хиггса явно предлагала в качестве предсказания существование массивной частицы и вычисляла некоторые ее свойства; [181] [92] : 167 поэтому он был «первым, кто постулировал существование массивной частицы» согласно Nature . [179] Физик и писатель Фрэнк Клоуз и физик-блогер Питер Войт оба комментируют, что статья GHK была также завершена после того, как Хиггс и Браут-Энглерт были отправлены в Physical Review Letters , [182] [92] : 167 и что Хиггс один привлек внимание к предсказанному массивному скалярному бозону, в то время как все остальные сосредоточились на массивных векторных бозонах. [182] [92] : 154,166,175 Таким образом, вклад Хиггса также предоставил экспериментаторам важную «конкретную цель», необходимую для проверки теории. [183]
Однако, по мнению Хиггса, Браут и Энглерт явно не упоминали бозон, поскольку его существование совершенно очевидно в их работе, [69] : 6 в то время как, по словам Гуральника, статья GHK была полным анализом всего механизма нарушения симметрии, математическая строгость которого отсутствует в двух других статьях, и массивная частица может существовать в некоторых решениях. [93] : 9 Статья Хиггса также содержала «особенно резкое» изложение проблемы и ее решения, по словам историка науки Дэвида Кайзера. [180]
Альтернативное объяснение заключается в том, что название стало популярным в 1970-х годах из-за его использования в качестве удобного сокращения или из-за ошибки в цитировании. Многие источники ( включая самого Хиггса [69] : 7 ) приписывают название «Хиггс» физику Бенджамину Ли . [y] Ли был значительным популяризатором теории в ее ранние дни и обычно прикреплял имя «Хиггс» в качестве «удобного сокращения» к ее компонентам с 1972 года, [17] [179] [184] [185] [186] и по крайней мере в одном случае еще с 1966 года. [187] Хотя Ли пояснил в своих сносках, что «„Хиггс“ — это сокращение от Хиггс, Киббл, Гуральник, Хаген, Браут, Энглерт», [184] его использование этого термина (а возможно, также ошибочная ссылка Стивена Вайнберга на статью Хиггса как на первую в его основополагающей статье 1967 года [92] [188] [187] ) означало, что примерно к 1975–1976 годам другие также начали использовать имя «Хиггс» исключительно в качестве сокращения. [z] В 2012 году физик Фрэнк Вильчек , которому приписывают название элементарной частицы аксион (в отличие от альтернативного предложения Вайнберга «Хигглет»), поддержал название «бозон Хиггса», заявив: «История сложна, и где бы вы ни провели черту, сразу за ней кто-то обязательно окажется». [180]
В популярных СМИ за пределами научного сообщества бозон Хиггса часто называют «частицей Бога». [189] [190] [191] [192] [193] Это прозвище происходит от названия книги 1993 года о бозоне Хиггса и физике элементарных частиц « Частица Бога: если Вселенная — это ответ, то в чем вопрос?», написанной лауреатом Нобелевской премии по физике и директором Фермилаб Леоном Ледерманом . [28] Ледерман написал ее в контексте неудачной поддержки правительством США Сверхпроводящего Суперколлайдера , [ 194] частично построенного титанического [195] [196] конкурента Большого Адронного Коллайдера с запланированной энергией столкновения 2 × 20 ТэВ , который Ледерман отстаивал с момента его создания в 1983 году [194] [aa] [197] [198] и был закрыт в 1993 году. Книга отчасти была направлена на повышение осведомленности о значимости и необходимости такого проекта перед лицом возможной потери финансирования. [199] Ледерман, ведущий исследователь в этой области, пишет, что он хотел назвать свою книгу «Проклятая частица: Если Вселенная — это ответ, в чем вопрос?». Редактор Ледермана решил, что название слишком спорное, и убедил его изменить название на «Частица Бога: Если Вселенная — это ответ, в чем вопрос? » [200]
Хотя использование этого термина в СМИ, возможно, способствовало более широкой осведомленности и интересу, [201] многие ученые считают это название неуместным [17] [18] [202] , поскольку это сенсационная гипербола и вводит читателей в заблуждение; [203] частица также не имеет ничего общего с каким-либо Богом, оставляет открытыми многочисленные вопросы в фундаментальной физике и не объясняет окончательное происхождение Вселенной . Сообщалось, что Хиггс , атеист , был недоволен и заявил в интервью 2008 года, что он нашел это «смущающим», потому что это было «своего рода неправильное использование [...], которое, как я думаю, может оскорбить некоторых людей». [203] [204] [205] Прозвище также высмеивалось в основных средствах массовой информации. [206] Научный писатель Ян Сэмпл в своей книге 2010 года о поиске заявил, что это прозвище «всеми ненавистно» физикам и, возможно, «наиболее высмеиваемо» в истории физики , но что (по словам Ледермана) издатель отклонил все названия, упоминающие «Хиггс», как невообразимые и слишком неизвестные. [207]
Ледерман начинает с обзора длительного человеческого поиска знаний и объясняет, что его ироничное название проводит аналогию между воздействием поля Хиггса на фундаментальные симметрии при Большом взрыве и очевидным хаосом структур, частиц, сил и взаимодействий, которые привели к возникновению и формированию нашей нынешней Вселенной, с библейской историей Вавилона , в которой изначальный единый язык раннего Бытия был раздроблен на множество разрозненных языков и культур. [208]
Сегодня [...] у нас есть стандартная модель, которая сводит всю реальность к дюжине или около того частиц и четырем силам [...] Это с трудом завоеванная простота [и] удивительно точная. Но она также неполна и, по сути, внутренне противоречива [...] Этот бозон настолько важен для состояния физики сегодня, настолько важен для нашего окончательного понимания структуры материи, но настолько неуловим, что я дал ему прозвище: Частица Бога. Почему Частица Бога? Две причины. Во-первых, издатель не позволил нам назвать его Проклятой Частицой, хотя это могло бы быть более подходящим названием, учитывая его злодейскую природу и расходы, которые он вызывает. И, во-вторых, есть своего рода связь с другой книгой , гораздо более старой...
- Ледерман и Терези [28] : 22
Ледерман задается вопросом, был ли бозон Хиггса добавлен только для того, чтобы сбить с толку и запутать тех, кто ищет знания о Вселенной, и будут ли физики сбиты с толку им, как это изложено в этой истории, или в конечном итоге преодолеют этот вызов и поймут, «насколько прекрасна Вселенная, созданная [Богом]» [209] .
Конкурс на переименование, организованный британской газетой The Guardian в 2009 году, привел к тому, что их научный корреспондент выбрал название « бозон из бутылки шампанского » в качестве лучшего предложения: «Дно бутылки шампанского имеет форму потенциала Хиггса и часто используется в качестве иллюстрации на лекциях по физике. Так что это не смущающе напыщенное название, оно запоминающееся и [оно] также имеет некоторую связь с физикой». [210] Название Хиггсон также было предложено в статье-мнении в онлайн-издании Института физики physicsworld.com . [211]
Было проведено значительное публичное обсуждение аналогий и объяснений частицы Хиггса и того, как поле создает массу, [212] [213], включая освещение попыток объяснения как таковых и конкурс в 1993 году на лучшее популярное объяснение, проведенный тогдашним министром науки Великобритании сэром Уильямом Уолдегрейвом [214], а также статьи в газетах по всему миру.
Образовательное сотрудничество с участием физика LHC и преподавателя средней школы в ЦЕРНе предполагает, что дисперсия света , ответственная за радугу и дисперсионную призму , является полезной аналогией для нарушения симметрии поля Хиггса и эффекта возникновения массы. [215]
Мэтт Штрасслер использует электрические поля в качестве аналогии: [216]
Некоторые частицы взаимодействуют с полем Хиггса, а другие нет. Те частицы, которые чувствуют поле Хиггса, ведут себя так, как будто у них есть масса. Нечто похожее происходит в электрическом поле — заряженные объекты притягиваются, а нейтральные объекты могут проплывать сквозь него, не подвергаясь воздействию. Так что вы можете думать о поиске Хиггса как о попытке создать волны в поле Хиггса [ создать бозоны Хиггса ], чтобы доказать, что оно действительно существует.
Похожее объяснение было предложено The Guardian : [217]
Бозон Хиггса по сути является всплеском в поле, которое, как говорят, возникло при рождении Вселенной и охватывает космос по сей день... Однако эта частица имеет решающее значение: это неопровержимое доказательство , необходимое для того, чтобы показать, что теория верна.
Эффект поля Хиггса на частицы был описан физиком Дэвидом Миллером как нечто похожее на комнату, полную членов политической партии, равномерно распределенных по комнате: Толпа притягивается к известным людям и замедляет их, но не замедляет других. [ab] Он также обратил внимание на известные эффекты в физике твердого тела , когда эффективная масса электрона может быть намного больше обычной в присутствии кристаллической решетки. [218]
Аналогии, основанные на эффектах сопротивления , включая аналогии с « сиропом » или « патокой », также хорошо известны, но могут быть несколько обманчивыми, поскольку их можно понять (неправильно) как утверждение, что поле Хиггса просто сопротивляется движению некоторых частиц, но не других – простой резистивный эффект также может противоречить третьему закону Ньютона . [220]
Бозон Хиггса часто ошибочно считают ответственным за массу, а не за поле Хиггса, и связанным с большей частью массы во Вселенной. [221] [222] [223]
До конца 2013 года велось значительное обсуждение того, как распределить заслуги, если бозон Хиггса будет доказан, что стало более очевидным, поскольку ожидалась Нобелевская премия , и очень широкая база 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 теорию электрослабого взаимодействия и саму Стандартную модель, а также экспериментаторы в ЦЕРНе и других институтах, которые сделали возможным доказательство поля Хиггса и бозона в реальности. Нобелевская премия имеет ограничение в три человека, чтобы разделить награду, и некоторые возможные победители уже являются обладателями премии за другие работы или умерли (премия вручается только лицам при жизни). Существующие премии за работы, связанные с полем Хиггса, бозоном или механизмом, включают:
Соавтор Энглерта Роберт Браут умер в 2011 году, а Нобелевская премия обычно не вручается посмертно . [228]
Кроме того, 50-летний обзор Physical Review Letters (2008) признал работы 1964 года о нарушении симметрии PRL и статью Вайнберга 1967 года «Модель лептонов » (самая цитируемая работа по физике элементарных частиц по состоянию на 2012 год) «вехами» в истории. [87]
После сообщения о наблюдении частицы, подобной Хиггсу, в июле 2012 года несколько индийских СМИ сообщили о предполагаемом пренебрежении заслугами индийского физика Сатьендры Натха Бозе , в честь работы которого в 1920-х годах был назван класс частиц « бозоны » [229] [230] (хотя физики описали связь Бозе с этим открытием как незначительную). [231]
В Стандартной модели поле Хиггса представляет собой четырехкомпонентное скалярное поле, образующее сложный дублет слабой изоспиновой симметрии SU(2):
в то время как поле имеет заряд + 1/2 при слабой гиперзарядной симметрии U(1). [232]
Примечание: В этой статье используется соглашение о масштабировании, в котором электрический заряд Q , слабый изоспин T 3 и слабый гиперзаряд Y W связаны соотношением Q = T 3 + Y W . Другое соглашение, используемое в большинстве других статей Википедии , — Q = T 3 + 1/2 Y W. [233] [234] [235 ]
Хиггсовская часть Лагранжиана равна [232]
где и — калибровочные бозоны симметрий SU(2) и U(1), а их соответствующие константы связи — матрицы Паули (полный набор генераторов симметрии SU(2)), а и , так что основное состояние нарушает симметрию SU(2) (см. рисунок).
Основное состояние поля Хиггса (дно потенциала) вырождено с различными основными состояниями, связанными друг с другом калибровочным преобразованием SU(2). Всегда можно выбрать калибровку так, что в основном состоянии . Тогда ожидаемое значение в основном состоянии ( вакуумное ожидание или VEV) равно , где . Измеренное значение этого параметра равно ~246 ГэВ/ c 2 . [126] 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: [232]
с их отношением, определяющим угол Вайнберга , , и оставляют безмассовый фотон U(1) , . Масса самого бозона Хиггса определяется выражением
Кварки и лептоны взаимодействуют с полем Хиггса посредством взаимодействия Юкавы :
где - лево- и правосторонние кварки и лептоны i -го поколения , - матрицы констант Юкавы, где hc обозначает эрмитово сопряжение всех предыдущих членов. В состоянии нарушения симметрии остаются только члены, содержащие , что приводит к массовым членам для фермионов. Вращая поля кварков и лептонов к базису, где матрицы констант Юкавы диагональны, получаем
где массы фермионов равны , а обозначают собственные значения матриц Юкавы. [232]
Бернстайн (1974) содержит доступную и полную справочную информацию и обзор этой области, см. внешние ссылки.условие «калибровки излучения» ∇⋅A( x ) = 0 явно не ковариантно, что означает, что если мы хотим сохранить поперечность фотона во всех системах Лоренца, то фотонное поле A μ ( x ) не может преобразовываться как четырехвектор . Это не катастрофа, поскольку фотонное поле не является наблюдаемым , и можно легко показать, что элементы S-матрицы, которые являются наблюдаемыми, имеют ковариантные структуры. ... в калибровочных теориях можно было бы организовать вещи так, чтобы из-за неинвариантности вакуума нарушалась симметрия; но поскольку доказательство Голдстоуна и др. не работает, мезоны Голдстоуна с нулевой массой не должны появляться. [ выделено в оригинале ]
[В] Почему физики-теоретики так заботятся о частице Хиггса?
[A] Ну, на самом деле, они этого не делают. Что их действительно волнует, так это поле Хиггса , потому что оно очень важно. [выделено в оригинале]
Поле Хиггса: настолько важно, что заслуживает целой экспериментальной установки — Большого адронного коллайдера, — посвященной его изучению.
В терминах, обычно используемых для описания спортивных достижений, новостные репортажи описали открытие как монументальную веху в истории науки.
Даже в самых специализированных кругах новая частица, открытая в июле, пока не называется "бозоном Хиггса". Физики все еще не решаются назвать ее так, пока не установят, что ее свойства соответствуют тем, которые теория Хиггса предсказывает для бозона Хиггса.
«Мы никогда не видели элементарную частицу со спином ноль», — сказал Тони Вайдберг, физик-теоретик из Оксфордского университета, который также участвует в экспериментах ЦЕРНа.
Земля, скорее всего, исчезнет задолго до того, как какие-либо частицы бозона Хиггса начнут апокалиптическую атаку на вселенную
[П]лохая новость в том, что ее масса предполагает, что вселенная закончится в быстро распространяющемся пузыре гибели. Хорошая новость? Вероятно, это займет десятки миллиардов лет.В статье цитируется Джозеф Ликкен из Фермилаб : «Параметры нашей Вселенной, включая массы Хиггса [и топ-кварка], предполагают, что мы находимся на грани стабильности, в «метастабильном» состоянии. Физики размышляют о такой возможности уже более 30 лет. Еще в 1982 году физики Майкл Тернер и Фрэнк Вильчек написали в журнале Nature , что «без предупреждения где-то во Вселенной может зародиться пузырь истинного вакуума и вырваться наружу...»
Хиггса (или влияние чего-то подобного) может простираться гораздо дальше. Например, что-то вроде Хиггса — если не совсем сам Хиггс — может стоять за многими другими необъяснимыми «нарушенными симметриями» во Вселенной... Фактически, что-то очень похожее на Хиггса могло стоять за коллапсом симметрии, который привел к Большому взрыву, создавшему Вселенную. Когда силы впервые начали отделяться от своего изначального тождества — принимая те отличительные черты, которые они имеют сегодня, — они высвобождали энергию так же, как вода высвобождает энергию, когда превращается в лед. За исключением этого случая, замораживание содержало достаточно энергии, чтобы взорвать Вселенную. ... Как бы то ни было, мораль ясна: только когда совершенство разбивается вдребезги, может родиться все остальное.
Гилберт ... написал ответ на [статью Клейна и Ли], заявив: «Нет, вы не можете сделать это в релятивистской теории. У вас не может быть предпочтительного единичного времениподобного вектора, как этот». Вот тут-то я и появился, потому что в следующем месяце я ответил на статью Гилберта, сказав: «Да, вы можете иметь такую вещь», но только в калибровочной теории с калибровочным полем, связанным с током.
Сидни Коулман опубликовал в журнале Science в 1979 г. поиск цитат, который он провел, документируя, что по сути никто не обращал внимания на работу Вайнберга, за которую он получил Нобелевскую премию, до работы 'т Хоофта (как объяснил Бен Ли). В 1971 г. интерес к работе Вайнберга резко возрос. У меня был параллельный личный опыт: я прошел годичный курс по слабым взаимодействиям у Шелли Глэшоу в 1970 г., 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
он связывает тысячи компьютеров и систем хранения в более чем 170 центрах в 41 стране. ... WLCG — крупнейшая в мире вычислительная сеть
{{cite arXiv}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)значимость недостаточно велика, чтобы сказать что-либо окончательное. На сегодняшний день то, что мы видим, согласуется либо с фоновой флуктуацией, либо с присутствием бозона. Уточненные анализы и дополнительные данные, предоставленные в 2012 г. этой великолепной машиной, определенно дадут ответ
Впервые ученые смогли проанализировать динамику социальных сетей в глобальном масштабе до, во время и после объявления о крупном научном открытии.
Хойер, директор [ЦЕРНа], сказал, что он уверен, что «к середине года мы будем там».
– Интервью AP на Всемирном экономическом форуме, 26 января 2013 г.
«После перезапуска коллайдера потребуется еще несколько лет», чтобы окончательно подтвердить, что вновь обнаруженная частица — это бозон Хиггса.
цитируется презентация Ли на ICHEP 1972 г. в Фермилабе: "... которая известна как механизм Хиггса ..." и "речь Ли" – его сноска с пояснениями к этой стенографии.
Ли ... по-видимому, использовал термин "бозон Хиггса" еще в 1966 г. ... но то, что могло заставить этот термин прижиться, - это основополагающая статья Стивена Вайнберга ... опубликованная в 1967 г. ... Вайнберг признал путаницу в эссе в
New York Review of Books
в мае 2012 г.
(См. также оригинальную статью в
SSC, предложенный Министерством энергетики США в 1983 г., — это ошеломляющий проект... эта гигантская лаборатория... этот титанический проект
... этот титанический комплекс ...
Ледерман, считающий себя неофициальным пропагандистом суперколлайдера, сказал, что SSC может обратить вспять утечку мозгов в области физики, когда яркие молодые физики покидали Америку, чтобы работать в Европе и других местах.
Ледерман, один из главных представителей SSC, был опытным экспериментатором в области высоких энергий, который внес вклад, отмеченный Нобелевской премией, в разработку Стандартной модели в 1960-х годах (хотя сама премия была вручена только в 1988 году). Он был постоянным участником слушаний в Конгрессе по коллайдеру, необузданным защитником его достоинств.
Возможность того, что следующая большая машина создаст Хиггса, стала морковкой, которой можно было помахать перед финансирующими агентствами и политиками. Известный американский физик Леон Ледерман [так в оригинале] рекламировал Хиггса как Частицу Бога в названии книги, опубликованной в 1993 году [...] Ледерман участвовал в кампании по убеждению правительства США продолжить финансирование Сверхпроводящего Суперколлайдера [...] чернила еще не высохли на книге Ледермана, когда Конгресс США решил списать уже потраченные миллиарды долларов
раннюю вселенную — состояние чистого, совершенного ничто; бесформенный туман недифференцированного вещества
[...] «совершенная симметрия»
[...] Что разрушило это изначальное совершенство? Одним из вероятных виновников является так называемое поле Хиггса
[...] Физик Леон Ледерман сравнивает способ действия Хиггса с библейской историей о Вавилоне [граждане которого] все говорили на одном языке
[...] Подобно Богу, говорит Ледерман, Хиггс различал совершенное тождество, сбивая с толку всех (включая физиков)
[...] [Нобелевский лауреат Ричард]
Фейнман
задавался вопросом, почему вселенная, в которой мы живем, была столь очевидно перекошена
[...] Возможно, он предположил, что полное совершенство было бы неприемлемо для Бога. И так же, как Бог разрушил совершенство Вавилона, «Бог создал законы лишь почти симметричными».
{{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)
