Θεωρία Higgs. Μποζόνιο Χιγκς σε απλή γλώσσα

Στη φυσική μέχρι σήμερα υπάρχουν πολλές έννοιες και φαινόμενα που είναι ακατανόητα στη συνηθισμένη ανθρώπινη αντίληψη. Μία από αυτές τις αρχικές έννοιες μπορεί δικαίως να ονομαστεί μποζόνιο Higgs. Αξίζει να εξετάσουμε λεπτομερέστερα τι γνωρίζουμε για αυτό και πώς αυτό το φαινόμενο μπορεί να αποκαλυφθεί στους απλούς ανθρώπους.

Το μποζόνιο Higgs ονομάζεται στοιχειώδες σωματίδιο, το οποίο τείνει να εμφανίζεται στη διαδικασία του μηχανισμού Higgs της αυθόρμητης παραβίασης της ηλεκτροασθενούς συμμετρίας στο τυπικό μοντέλο της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων.

Μακρά αναζήτηση για ένα στοιχειώδες σωματίδιο

Το σωματίδιο υποβλήθηκε από τον Βρετανό φυσικό Peter Higgs σε θεμελιώδεις εργασίες που δημοσιεύθηκαν το 1964. Και μόνο μερικές δεκαετίες αργότερα, η θεωρητικά προβλεπόμενη έννοια ενοποιήθηκε από συγκεκριμένα αποτελέσματα αναζήτησης. Το 2012, ανακαλύφθηκε ένα νέο σωματίδιο, το οποίο έγινε ο πιο προφανής υποψήφιος για αυτόν τον ρόλο. Και ήδη τον Μάρτιο του 2013, οι πληροφορίες επιβεβαιώθηκαν από μεμονωμένους ερευνητές CERN, και το σωματίδιο που βρέθηκε αναγνωρίστηκε ως το μποζόνιο Higgs.

Για αυτού του είδους τη σοβαρή έρευνα, η δοκιμή και η ανάπτυξη συνεχίστηκαν για πολλά χρόνια. Αλλά ακόμη και τα αποτελέσματα που αποκαλύφθηκαν, οι ειδικοί δεν βιάζονται να δημοσιεύσουν ανοιχτά, προτιμώντας να ελέγξουν ξανά και να αποδείξουν τα πάντα πιο προσεκτικά.

Το μποζόνιο Χιγκς είναι το πιο πρόσφατο σωματίδιο που βρέθηκε στο Καθιερωμένο Μοντέλο. Ταυτόχρονα, στα μέσα ενημέρωσης, ο επίσημος φυσικός όρος ονομάζεται «καταραμένο σωματίδιο» - σύμφωνα με την εκδοχή που προτείνει ο Leon Lederman. Αν και στον τίτλο του βιβλίου του, ο νομπελίστας χρησιμοποίησε την έκφραση «σωματίδιο του Θεού», η οποία στη συνέχεια δεν ρίζωσε.

Μποζόνιο Χιγκς σε απλή γλώσσα

Τι είναι το μποζόνιο Χιγκς, πολλοί επιστήμονες προσπάθησαν να εξηγήσουν με τον πιο προσιτό τρόπο για τη μέση σκέψη. Το 1993, ο Βρετανός Υπουργός Επιστημών ανακοίνωσε μάλιστα διαγωνισμό για την απλούστερη εξήγηση αυτής της φυσικής έννοιας. Ταυτόχρονα, μια συγκριτική έκδοση με ένα κόμμα αναγνωρίστηκε ως πιο προσιτή. Η επιλογή μοιάζει με αυτό:

• Σε μια μεγάλη αίθουσα στην οποία αρχίζει το πάρτι, μια συγκεκριμένη στιγμή μπαίνει ένα διάσημο πρόσωπο.
• ένα διάσημο πρόσωπο ακολουθείται από επισκέπτες που θέλουν να επικοινωνήσουν με ένα άτομο, ενώ αυτό το άτομο κινείται με πιο αργή ταχύτητα από όλους τους άλλους.
• Στη συνέχεια, στη γενική μάζα, αρχίζουν να συγκεντρώνονται ξεχωριστές ομάδες (συστάδες ανθρώπων), συζητώντας για κάποιο είδος ειδήσεων, κουτσομπολιά.
• οι άνθρωποι μεταδίδουν τις ειδήσεις από ομάδα σε ομάδα, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται μικρές πυκνώσεις μεταξύ των ανθρώπων.
• με αποτέλεσμα, φαίνεται ότι ομάδες ανθρώπων συζητούν για κουτσομπολιά, γύρω από μια διάσημη, αλλά χωρίς τη συμμετοχή της.

Σε μια συγκριτική αναλογία, αποδεικνύεται ότι ο συνολικός αριθμός των ατόμων στο δωμάτιο είναι το πεδίο Higgs, οι ομάδες ανθρώπων είναι μια διαταραχή του πεδίου και το ίδιο το διάσημο πρόσωπο είναι ένα σωματίδιο που κινείται σε αυτό το πεδίο.

Η αναμφισβήτητη σημασία του μποζονίου Higgs

Η σημασία του στοιχειώδους σωματιδίου, όπως και να ονομάζεται τελικά, παραμένει αναμφισβήτητη. Πρώτα απ 'όλα, είναι απαραίτητο κατά την υλοποίηση των υπολογισμών που πραγματοποιούνται στη θεωρητική φυσική να μελετήσουμε τη δομή του Σύμπαντος.

Οι θεωρητικοί φυσικοί έχουν προτείνει ότι τα μποζόνια Higgs γεμίζουν όλο τον χώρο που μας περιβάλλει. Και όταν αλληλεπιδρούν με άλλους τύπους σωματιδίων, τα μποζόνια μεταδίδουν τη μάζα τους σε αυτά. Αποδεικνύεται ότι εάν είναι δυνατός ο υπολογισμός της μάζας των στοιχειωδών σωματιδίων, τότε ο υπολογισμός του ίδιου του μποζονίου Higgs μπορεί να θεωρηθεί τελειωμένη υπόθεση.

Για πολύ καιρό παραμένοντας άπιαστο, το λεγόμενο σωματίδιο του Θεού πιάνεται τελικά. Το μποζόνιο Χιγκς ήταν το κομμάτι που έλειπε στο παζλ που ονομάζεται Καθιερωμένο Μοντέλο. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτό το μποζόνιο είναι υπεύθυνο για τη μάζα των σωματιδίων. Συγκεκριμένα, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων κατασκευάστηκε ειδικά για την αναζήτηση του μποζονίου Higgs, το οποίο αντιμετώπισε το κύριο έργο του. Αλλά νέα μυστήρια έχουν προκύψει για τους επιστήμονες: υπάρχει πραγματικά μόνο ένα μποζόνιο Higgs; Επιπλέον, η ανακάλυψη αυτού του μποζονίου δεν εξηγούσε την παράδοξη ύπαρξη της σκοτεινής ύλης, που γοητεύει όλο και περισσότερο τους φυσικούς τελευταία.

Οι φυσικοί είδαν επιτέλους πώς ένα στοιχειώδες σωματίδιο, που εντοπίστηκε για πρώτη φορά στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, διασπάται σε δύο όμορφα κουάρκ, εξωτικά και βραχύβια σωματίδια που εμφανίζονται συχνά μετά από συγκρούσεις σωματιδίων υψηλής ενέργειας. Μόλις τώρα μπορέσαμε να παρατηρήσουμε αυτήν την άπιαστη διαδικασία, για πρώτη φορά μετά από έξι χρόνια από την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs. Επιστήμονες από δύο πειράματα LHC, ATLAS και CMS, ανέφεραν τα αποτελέσματά τους ταυτόχρονα σε ένα εργαστήριο που πραγματοποιήθηκε στο CERN στις 28 Αυγούστου.

Πρόσφατα, οι φανφάρες ξέσπασαν με αφορμή ένα σημαντικό επιστημονικό γεγονός - την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs. Μοίρασαν βραβεία, χάρηκαν μαζί με επιστήμονες, αλλά... Μέχρι τώρα, ένα πράγμα παραμένει ασαφές: γιατί χρειαζόμαστε αυτό το ίδιο μποζόνιο; Γιατί οι φυσικοί το έψαξαν τόσο πολύ και σκληρά; Με αυτές τις ερωτήσεις, απευθυνθήκαμε στον Sergey Pavlovich Baranov, κορυφαίο ερευνητή στο Εργαστήριο Ηλεκτρονίων Υψηλής Ενέργειας του Φυσικού Ινστιτούτου Lebedev.

Έχει περάσει πολύς καιρός από την ημέρα που ανακοινώθηκε η ανακάλυψη ενός νέου σωματιδίου σε σεμινάριο στο CERN (4 Ιουλίου 2012). Τα στοιχεία για την ανακάλυψη του διάσημου μποζονίου έγιναν από τότε ισχυρότερα και πληρέστερα.

Φυσικά, υπάρχουν ακόμα δύο ανεξάρτητες πειραματικές εγκαταστάσεις (ATLAS και CMS), λόγω της μοναδικότητας και των δύο, καθώς και ολόκληρου του επιταχυντή LHC, αλλά μέσα σε κάθε μία από τις συνεργασίες, η συσσώρευση νέων και η επεξεργασία προηγούμενων συσσωρευμένων δεδομένων συνέχισε όλο αυτό το διάστημα. Μέχρι σήμερα, τα αποτελέσματα αυτής της εργασίας έχουν ως αποτέλεσμα τα ακόλουθα.

Το νέο σωματίδιο Η παρατηρείται σε έξι κανάλια διάσπασης: σε δύο Ζ-μποζόνια, εκ των οποίων το ένα είναι εικονικό (H → ZZ*). σε δύο W-μποζόνια, εκ των οποίων το ένα είναι εικονικό (H → WW*). σε δύο φωτόνια (H → γγ). στα όμορφα (είναι και όμορφα) κουάρκ (H → ); σε ταυ λεπτόνια (H → τ+τ –); σε μποζόνιο Ζ και φωτόνιο(Η→Ζγ).

Η αναλογία μεταξύ των πιθανοτήτων διάφορων φθορών είναι σε καλή συμφωνία με τις θεωρητικές προσδοκίες. Το μποζόνιο στο επίπεδο εμπιστοσύνης 97,8% έχει τους σωστούς κβαντικούς αριθμούς: μηδενικό σπιν και θετική ισοτιμία. Η παρουσία διάσπασης σε δύο φωτόνια αποκλείει την πιθανότητα ενός σπιν ίσου με μονάδα, και οι γωνιακές κατανομές των προϊόντων διάσπασης σε άλλους τρόπους αποκλείουν επίσης ένα σπιν ίσο με δύο.

Σε γενικές γραμμές, δεν υπάρχει τίποτα για να παραπονεθούμε και μένει μόνο να καταλάβουμε τι σημαίνει αυτό το μποζόνιο στη ζωή μας. Για να καταλάβετε - αυτό ισχύει για εσάς και εμένα, οι φυσικοί έχουν ήδη καταλάβει.

Ζώνη σύγκρουσης δέσμης στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων και τον ανιχνευτή ATLAS που βρίσκεται σε αυτόν ()

– Σεργκέι Πάβλοβιτς, έχει κανείς την εντύπωση ότι το μποζόνιο Χιγκς είναι ένα πολύ «σημαντικό πρόσωπο», το οποίο οι φυσικοί κυνηγούσαν τόσο καιρό και πολύ επίμονα. Αλλά γιατί ήταν τόσο απαραίτητος;

– Πράγματι, η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs πήρε πολύ χρόνο. Έχοντας εξαντλήσει την υπομονή του, ο Leon Lederman ονόμασε ακόμη και το μποζόνιο σε ένα από τα άρθρα του " καταραμένο σωματίδιο», δηλ. "καταραμένο σωματίδιο" - αναφερόμενος στο άπιαστο του μποζονίου. Ο εκδότης του περιοδικού έπεσε «ματωμένος», αφήνοντας τον «Θεό» - αποδείχθηκε «ένα κομμάτι Θεού». Το πιασάρικο επίθετο πήραν οι δημοσιογράφοι και το έπιασαν. Αλλά αυτό που μου φαίνεται πιο εκπληκτικό σε αυτή την ιστορία είναι ότι το μποζόνιο Higgs δεν χρειάζεται από τη φύση, αλλά από τους μαθηματικούς. Πρώτα όμως πρώτα.

προκατάληψη

Υπάρχει η άποψη ότι η ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς ξεκαθάρισε κάτι στην πρώιμη ιστορία του σύμπαντος και μάλιστα έριξε φως στην προέλευσή του. Αυτό δεν είναι απολύτως αληθές. Σύμφωνα με τις σύγχρονες αντιλήψεις, το μποζόνιο (ή πεδίο) Χιγκς είναι πράγματι υπεύθυνο για την ταχεία διαστολή του Σύμπαντος στην εποχή πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη (το λεγόμενο «πληθωρισμός» ή «πληθωρισμός»), αλλά δεν προκύπτει από πουθενά ότι το μποζόνιο που ανακαλύφθηκε πρόσφατα στο CERN είναι το ένα μποζόνιο. Θα μπορούσε κάλλιστα να είναι άλλο ένα μποζόνιο. Το όνομα μποζόνια Higgs είναι ένα συλλογικό όνομα για μια ολόκληρη κατηγορία σωματιδίων (πεδία) με ορισμένες ιδιότητες, ενώ ο ρόλος διαφορετικών μποζονίων στη φύση μπορεί να είναι εντελώς διαφορετικός. Σε κάθε περίπτωση, οι απαιτήσεις που θέτουμε σε αυτό το «κοσμολογικό» μποζόνιο και στο σημερινό μποζόνιο «CERN» έχουν ελάχιστα κοινά μεταξύ τους.

Διάγραμμα συγκρούσεων δέσμης στη σήραγγα του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων,
που οδήγησε στην ανακάλυψη του μποζονίου Higgs

Υπάρχει μια άλλη δημοφιλής πεποίθηση ότι το μποζόνιο Higgs εξήγησε από πού προέρχονται οι μάζες των σωματιδίων και ότι αυτή είναι η κύρια αξία του για τη θεωρία. Πρέπει επίσης να διευκρινιστεί. Εξήγησε κάτι, αλλά ο αριθμός των ανεξήγητων ποσοτήτων στη θεωρία δεν μειώθηκε από αυτό. Υπήρχε κάτι σαν επανακόλληση ετικετών. Προηγουμένως, στην προ-Χιγκς εποχή, γνωρίζαμε ότι τα στοιχειώδη σωματίδια έχουν μια μάζα (κάθε είδος σωματιδίων έχει τη δική του), αλλά δεν ξέραμε γιατί το μέγεθος αυτής της μάζας είναι ακριβώς αυτό που είναι. Στην τρέχουσα ορολογία "Higgs", λέμε ότι οι παρατηρούμενες μάζες σωματιδίων είναι το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασής τους με το πεδίο Higgs. η ισχύς αυτής της αλληλεπίδρασης καθορίζεται από την τιμή της αντίστοιχης σταθεράς σύζευξης (η σταθερά είναι αυστηρά ανάλογη με τη μάζα), αλλά γιατί αυτές οι σταθερές είναι ακριβώς έτσι, δεν γνωρίζουμε ακόμα. Πόσες μάζες - τόσες σταθερές.

Επιπλέον, για καθημερινά σωματίδια όπως το πρωτόνιο και το νετρόνιο που συνθέτουν τα άτομα -και επομένως όλα όσα ονομάζουμε ύλη- η μάζα οφείλεται κατά 99% στο λεγόμενο συμπύκνωμα κουάρκ-γλουονίου και όχι στο μποζόνιο Higgs καθόλου. Από αυτή την άποψη, η άποψη της επιστήμης δεν έχει αλλάξει: έτσι ήταν πριν από την ανακάλυψη του μποζονίου, και έτσι παραμένει τώρα. Αυστηρά μιλώντας, ο μηχανισμός Higgs είναι υπεύθυνος μόνο για τις μάζες των σωματιδίων που είναι κβάντα της ασθενής αλληλεπίδρασης (μποζόνια W + , W – και Z 0), για τις μάζες των λεπτονίων (συμπεριλαμβανομένου του ηλεκτρονίου) και για το λεγόμενο ρεύμα συστατικό της μάζας κουάρκ. Το μερίδιο αυτής της τρέχουσας μάζας στη συνολική μάζα (που ονομάζεται "συστατικό") είναι διαφορετικό για διαφορετικά κουάρκ. Άλλα σωματίδια, τα αδρόνια, αποτελούνται ήδη από κουάρκ. υπάρχουν πάρα πολλά από αυτά (συμπεριλαμβανομένου του πρωτονίου και του νετρονίου), αλλά η αντιμετώπιση της συσκευής των σύνθετων σωματιδίων είναι μια ξεχωριστή ιστορία, δεν θα έχουμε χρόνο να κάνουμε τα πάντα σε ένα άρθρο.

Ας επιστρέψουμε στα «πραγματικά στοιχειώδη» σωματίδια - μποζόνια W ± και Z, λεπτόνια, κουάρκ. Όλοι τους, μετά την εφεύρεση του μηχανισμού Higgs, άρχισαν να συμπεριφέρονται διαφορετικά από ό,τι νομίζαμε πριν, και αυτό μας επέτρεψε να οικοδομήσουμε μια μαθηματικά συνεπή θεωρία αδύναμων αλληλεπιδράσεων. Εδώ βρίσκεται η αξία του Higgs.

Προβλήματα της προ-Χιγκς εποχής

Αλλά για να καταλάβουμε ποια προβλήματα αντιμετώπισε η θεωρία και πώς το μποζόνιο Higgs βοήθησε να τα ξεπεράσει, ας μιλήσουμε πρώτα για τη θεωρία όπου αυτά τα προβλήματα επιλύθηκαν χωρίς τη βοήθεια του μποζονίου Higgs - για την λίγο πολύ γνωστή θεωρία του ηλεκτρισμού (ηλεκτροδυναμική ). Όσοι σπούδασαν στο σχολείο ίσως θυμούνται τον νόμο του Κουλόμπ: η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται από ένα σημειακό φορτίο συμπεριφέρεται σαν το αντίστροφο τετράγωνο της απόστασης από το φορτίο (E ~ r -2). Ένα ηλεκτρικό πεδίο είναι ένα υλικό αντικείμενο και συνδέεται με αυτό μια ογκομετρική ενεργειακή πυκνότητα, η οποία είναι ανάλογη με το τετράγωνο της έντασης του πεδίου. Αν θέλουμε να υπολογίσουμε τη συνολική ενέργεια του πεδίου, τότε αυτή η ενεργειακή πυκνότητα πρέπει να ενσωματωθεί σε ολόκληρο το χώρο - σε όλες τις αποστάσεις από το μηδέν έως το άπειρο - και τότε θα δούμε ότι το ολοκλήρωμα αποκλίνει (εξάλλου, σε μικρές αποστάσεις, που είναι συνώνυμο των μεγάλων ενεργειών). Αυτό σημαίνει ότι η συνολική ενέργεια του πεδίου που δημιουργείται από ένα σημειακό φορτίο μετατρέπεται στο άπειρο και, σύμφωνα με τη σχέση Αϊνστάιν, όπου υπάρχει ενέργεια, υπάρχει και μάζα, που σημαίνει ότι η μάζα οποιουδήποτε φορτισμένου σημειακού σωματιδίου (για παράδειγμα, ηλεκτρόνιο) πρέπει να είναι άπειρο - σε αντίθεση με τα γεγονότα! Αυστηρά μιλώντας, δεν μπορούμε να εγγυηθούμε ότι το ηλεκτρόνιο είναι πραγματικά ένα σημείο, αλλά, σε κάθε περίπτωση, η ακτίνα του (αν υπάρχει) σύμφωνα με γνωστές μετρήσεις είναι πολλές τάξεις μεγέθους μικρότερη από την τιμή που θα έπρεπε να είχε αν ολόκληρη η μάζα του ηλεκτρονίου οφείλονταν στην ενέργεια του πεδίου που δημιουργεί.

Αυτό το πρόβλημα επιλύεται χρησιμοποιώντας μια μαθηματική τεχνική που ονομάζεται επανακανονικοποίηση. Η ουσία της τεχνικής είναι ότι αποδίδουμε μια απείρως μεγάλη αρνητική μάζα «σπόρων» στο ηλεκτρόνιο και υποθέτουμε ότι η άπειρη αρνητική συμβολή σπόρων, όταν συνδυάζεται με την άπειρη θετική συνεισφορά από το πεδίο Coulomb, δίνει ακριβώς την παρατηρούμενη μάζα του σωματιδίου. Όμορφα ή όχι, με αυτόν τον τρόπο καθιερώνουμε τους κανόνες του παιχνιδιού για τη μείωση των απείρων και από εδώ και πέρα ​​μπορούμε να κάνουμε ξεκάθαρα υπολογισμούς χωρίς να τρέχουμε σε αντιφάσεις. Και μετά συγκρίνετε τα αποτελέσματα υπολογισμού με τα αποτελέσματα των μετρήσεων. Και μέχρι στιγμής, η συμφωνία σε όλες τις περιπτώσεις ήταν εκπληκτική. Και το γεγονός ότι η μάζα των «σπόρων» είναι αρνητική δεν είναι πρόβλημα. Άλλωστε, ούτε ο «σπόρος» ούτε η μάζα του «πεδίου» μπορούν να μετρηθούν χωριστά, αφού καταρχήν δεν μπορούμε ποτέ να διαχωρίσουμε ένα φορτισμένο σωματίδιο από το πεδίο που δημιουργεί. Αυτό σημαίνει ότι καμία από αυτές τις «μάζες» δεν είναι από μόνη της φυσική ποσότητα και μόνο το άθροισμά τους έχει φυσική σημασία.

Εκτός από τη μάζα στην ηλεκτροδυναμική, υπάρχουν δύο ακόμη τύποι αποκλίσεων, έτσι ώστε η επανακανονικοποίηση πρέπει επίσης να υπόκειται στη σταθερά αλληλεπίδρασης με το φωτόνιο (φορτίο ηλεκτρονίου) και στην κυματική συνάρτηση του φωτονίου. Αλλά από την άλλη πλευρά, έχοντας κάνει μια «συμφωνία με τη συνείδηση» τρεις φορές, έχουμε ένα πλήρες σύνολο κανόνων παιχνιδιού για όλες τις περιπτώσεις. Υπάρχει ένα θαυμάσιο θεώρημα στην ηλεκτροδυναμική: ανεξάρτητα από το πόσο περίπλοκοι είναι οι υπολογισμοί, δεν θα προκύψουν ποτέ νέοι τύποι αποκλίσεων, όλα βασίζονται απαραίτητα σε αυτά τα τρία, με τα οποία έχουμε ήδη συμφωνήσει πώς να χειριστούμε. Οι θεωρίες στις οποίες όλες οι αποκλίσεις εξαλείφονται από έναν πεπερασμένο αριθμό συμβάσεων ονομάζονται επανακανονικοποιήσιμες.

Η θεωρία των ασθενών αλληλεπιδράσεων είναι γενικά κατασκευασμένη σύμφωνα με τις γραμμές της ηλεκτροδυναμικής, αλλά με ορισμένες σημαντικές διαφορές. Για κάποιο λόγο, η φύση χρειαζόταν σωματίδια παρόμοια με ένα φωτόνιο και υπεύθυνα για τη μεταφορά ασθενών αλληλεπιδράσεων (δηλ. τα μποζόνια W +, W – και Z) για να είναι, σε αντίθεση με ένα φωτόνιο, μαζικά. Αυτό είναι ένα πειραματικό γεγονός - αφού όλα τα αναφερόμενα μποζόνια έχουν ανακαλυφθεί και οι μάζες τους έχουν μετρηθεί - και έχει τις πιο θλιβερές συνέπειες για την επανακανονικοποίηση. Δηλαδή, καθώς οι υπολογισμοί γίνονται πιο περίπλοκοι, μπορεί να προκύψει ένας άπειρος αριθμός νέων τύπων αποκλίσεων, που απαιτούν, κατά συνέπεια, την εισαγωγή ενός άπειρου αριθμού νέων κανόνων για τον χειρισμό τους. Είναι σαφές ότι αυτό δεν μπορεί πλέον να ονομαστεί θεωρία, και τίποτα δεν απομένει από την προγνωστική του δύναμη. Το μποζόνιο Χιγκς βοήθησε να επαναφέρουμε αυτή την επανακανονικοποιήσιμη χάρη που απολαμβάναμε στην ηλεκτροδυναμική. Ας δούμε πώς τα κατάφερε - και για αυτό πρέπει να κάνουμε δύο ακόμη παρεκκλίσεις.

Τι είναι το κενό

Μιλώντας για τις ιδιότητες του μποζονίου Higgs, πρέπει να εγκαταλείψουμε πολλές από τις συνηθισμένες ιδέες. Ειδικότερα, από απόψεις για το κενό ως κενό χώρο (Το ίδιο το όνομα του κενού, το οποίο στα ρωσικά έχει κοινή ρίζα με το «εκκένωση» και το «κενό»), θυμίζει επίσης το «κενό» του κενού. Στον σύγχρονο ορισμό, το κενό δεν ονομάζεται κενό, αλλά η κατάσταση με τη μικρότερη δυνατή ενέργεια. Σε αυτή την περίπτωση, το κενό μπορεί να γεμίσει με φυσικά πεδία της πιο διαφορετικής φύσης. Οι ιδέες για το κενό ως υλικό περιβάλλον άρχισαν να διαμορφώνονται στο πρώτο μισό του εικοστού αιώνα. Και σήμερα, το κενό δεν γεμίζει με τίποτα - εδώ είναι η θάλασσα ηλεκτρονίων Dirac (τρύπες στις οποίες ονομάζονται ποζιτρόνια) και οι αναπόφευκτες κβαντικές διακυμάνσεις όλων των πεδίων που υπάρχουν στη φύση και το ήδη αναφερθέν συμπύκνωμα γλουονίου ... και, τέλος , το μποζόνιο Χιγκς. Ρωτάτε, πώς θα μπορούσαμε να ζούμε πριν και να μην μαντεύουμε για την υλική πλήρωση του κενού; Και περίπου το ίδιο όπως θα μπορούσαμε να ζήσουμε και να μην μαντέψουμε για την ατμοσφαιρική πίεση. Προσπαθήστε να βάλετε τόσους πολλούς κουβάδες νερό στον εαυτό σας ώστε να φτάσουν σε ύψος δέκα μέτρων - αυτό είναι απλώς μια πίεση μιας ατμόσφαιρας. Δεν το νιώθουμε όμως, γιατί η πίεση μας ασκεί από όλες τις πλευρές και οι δυνάμεις αλληλοεξουδετερώνονται. Δεν παρατηρούμε την ίδια την πίεση, αλλά μόνο τη διαφορά της, για παράδειγμα, όταν φυσάει ο άνεμος. Ομοίως, δεν παρατηρούμε την «ατμόσφαιρα» του συμπυκνώματος Higgs όσο είναι ήσυχο. Αλλά όταν τα κύματα περιφέρονται σε αυτό, καταγράφουμε τη διέγερση και την ονομάζουμε σωματίδια - μποζόνια Higgs, όπως ονομάζουμε ηλεκτρομαγνητικά κύματα φωτόνια.

Όταν υποθέτουμε (ή υποθέτουμε) την ύπαρξη του πεδίου Higgs, του αποδίδουμε επίσης ορισμένες ιδιότητες. Δηλαδή, ότι αυτό το πεδίο αλληλεπιδρά με τον εαυτό του, και με τέτοιο τρόπο ώστε η εξάρτηση της ενεργειακής πυκνότητας από την ένταση του πεδίου να φαίνεται όπως στο σχήμα 1. Αυτός ο τύπος δυναμικής ενέργειας δεν προκύπτει από πουθενά, αυτό είναι ακριβώς το αξίωμα ή το αρχική θέση της θεωρίας: ας υποθέσουμε ότι οι ιδιότητες των πεδίων είναι τέτοιες, και ας δούμε τι αξιοσημείωτες συνέπειες προκύπτουν από αυτό.

Σχήμα 1. Εξάρτηση της ενεργειακής πυκνότητας U από το μέγεθος του πεδίου H (πεδίο Higgs)

Το σχήμα με έναν μονοδιάστατο άξονα για το μέγεθος του πεδίου είναι, φυσικά, πολύ απλοποιημένο: το πεδίο Higgs μπορεί να λάβει όχι μόνο πραγματικές, αλλά και σύνθετες τιμές. Επιπλέον, έχει αδύναμο ισοτοπικό σπιν, δηλαδή μπορεί να πάρει διαφορετικές κατευθύνσεις σε έναν αδύναμο ισοτοπικό χώρο. Αλλά για την ποιοτική μας συλλογιστική, αυτές οι επιπλοκές δεν είναι τόσο σημαντικές τώρα. Είναι σημαντικό ότι η κατάσταση με μηδενική πυκνότητα του πεδίου Higgs δεν είναι ενεργειακό ελάχιστο και επομένως είναι ασταθής. Οποιοδήποτε από τα ελάχιστα προς τα δεξιά ή προς τα αριστερά μπορεί εξίσου να είναι ένα κενό, και η φύση αναπόφευκτα θα γλιστρήσει σε ένα από αυτά. ποιο είναι θέμα τύχης (αυθόρμητη επιλογή της φύσης), αλλά ό,τι ελάχιστο επιλέξει η φύση, η τιμή του πεδίου Higgs σε αυτή την κατάσταση θα είναι μη μηδενική. Ολόκληρο το γράφημα στο σύνολό του είναι εντελώς συμμετρικό, όπως και οι εξισώσεις που το περιγράφουν. αλλά οποιαδήποτε λύση αυτών των εξισώσεων, που αντιστοιχεί στη φυσική απαίτηση ελάχιστης ενέργειας, είναι άθελά μας ασύμμετρη. Έχει συμβεί το λεγόμενο αυθόρμητο σπάσιμο της συμμετρίας. Αυτή είναι μια βασική στιγμή στον μηχανισμό Higgs.

Εδώ, παρεμπιπτόντως, υπάρχει μια πλήρης αναλογία με την αυθόρμητη μαγνήτιση των σιδηρομαγνητών: η χαμηλότερη ενεργειακή τους κατάσταση αντιστοιχεί επίσης σε ένα μη μηδενικό μακροσκοπικό μαγνητικό πεδίο. Η κατεύθυνση του πεδίου μπορεί να είναι οποιαδήποτε, αλλά η απόλυτη τιμή του δεν είναι ίση με το μηδέν, αλλά με μια καλά καθορισμένη τιμή. Και επίσης: όλες οι κατευθύνσεις στο διάστημα ήταν ίσες στις αρχικές εξισώσεις του μαγνητισμού, αλλά η ισότητά τους στο φυσικά υλοποιημένο σύστημα χάθηκε - το ίδιο το σύστημα επέλεξε μία από τις ίσες δυνατότητες. Ταυτόχρονα, οι θεμελιώδεις εξισώσεις δεν έχουν πάψει να είναι συμμετρικές - και αυτό το γεγονός θα μας φανεί χρήσιμο σύντομα. Ας προσπαθήσουμε να μην τον ξεχάσουμε.

Τι είναι μάζα

Η αλληλεπίδραση των σωματιδίων με το πεδίο Higgs που γεμίζει ολόκληρο τον χώρο οδηγεί στην εμφάνιση μάζας στα σωματίδια. Τα σωματίδια, σχετικά, σε αυτό το συμπύκνωμα «κολλάνε» και αποκτούν αδράνεια. Στις δημοφιλείς αφηγήσεις, συνήθως αναφέρουν έναν παγοπώλη περιτριγυρισμένο από παιδιά ή μια βασίλισσα περιτριγυρισμένη από υποκείμενα - το νόημα είναι ότι η κινητικότητα ενός παγωτατζή ή βασίλισσας που κρεμιέται με πλήθος μειώνεται σημαντικά και φαίνεται ότι «γίνονται μαζικοί ." Πιο αυστηρά επιστημονικάαναλογίες μπορούν να βρεθούν στη φυσική στερεάς κατάστασης. Έτσι, ένα ηλεκτρόνιο αγωγιμότητας κινείται σε έναν κρύσταλλο ως σωματίδιο με κάποια «αποτελεσματική» μάζα, ισχυράδιαφορετικό από το πραγματικό του βάρος. Αυτή η αποτελεσματική μάζα είναι σε δράσηΗ βιωσιμότητα είναι το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης ενός ηλεκτρονίου με το περιβάλλον. Για τον υπολογισμό της αγωγιμότητας, είναι πολύ πιο βολικό να χρησιμοποιήσετε την "αποτελεσματική μάζα" παρά να ασχοληθείτε με μια πλήρη περιγραφή του μέσου. Είναι επίσης βολικό και αρκετά αποδεκτό να εξετάσουμε ένα σωματίδιο και μια τρύπα σε έναν ημιαγωγότύπου p. Καταλαβαίνουμε ότι μια τρύπα δεν είναι αληθινό σωματίδιο και ότι ένα ηλεκτρόνιο έχει πολύ διαφορετική πραγματική μάζα, αλλά μόνο επειδή μπορούμε να βγάλουμε το ηλεκτρόνιο από τον κρύσταλλο και να το εξετάσουμε μεμονωμένα. Ωστόσο, δεν μπορούμε ποτέ να βγάλουμε ένα στοιχειώδες σωματίδιο από το κενό, δηλαδή από το διάστημα, και επομένως η μάζα που έχει αποκτήσει το σωματίδιο από την αλληλεπίδραση με το κενό Higgs είναι η πραγματική του μάζα.

Πως δουλεύει

Έτσι, υποθέσαμε την έκφραση για τη δυναμική ενέργεια του πεδίου Higgs με τέτοιο τρόπο ώστε στη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση (στο κενό) η πυκνότητα του πεδίου να είναι μη μηδενική, κοιτάμε ξανά το Σχήμα 1. Η φύση μπορούσε να επιλέξει το σωστό ελάχιστο, ή θα μπορούσε να επιλέξει το αριστερό, αλλά σε κάθε περίπτωση, η εικόνα είναι λοξή – οι μικρές διεγέρσεις στο κενό είναι ακούσια ασύμμετρες, συνδέονται πάντα με την ελάχιστη δυναμική ενέργεια.
Στη συνέχεια, υποθέσαμε την αλληλεπίδραση στοιχειωδών σωματιδίων με το πεδίο Higgs, λόγω της οποίας τα σωματίδια απέκτησαν μάζα ανάλογη με τη μέση τιμή κενού του πεδίου Higgs. Η διαφορά από την κατάσταση όταν η μάζα ρυθμίζεται αρχικά από "χέρια" (η λεγόμενη είσοδος σκληρής μάζας) είναι ότι η μάζα που εισάγεται μέσω του πεδίου Higgs (η λεγόμενη μαλακή είσοδος) δεν είναι σταθερή τιμή. Αλλάζει εάν αλλάξει το πεδίο Higgs.

Και τώρα ας δούμε το πάνω μέρος του σχήματος, την περιοχή των υψηλών ενεργειών. Από αυτό το ύψος, μικρές λεπτομέρειες του ανάγλυφου κοντά στον πυθμένα του δυναμικού φρέατος δεν είναι πλέον σημαντικές και ολόκληρη η συμπεριφορά του συστήματός μας γίνεται συμμετρική, όπως ήταν χαρακτηριστικό των βασικών μας εξισώσεων. Το πεδίο Higgs κυλά ελεύθερα από το ένα pit στο άλλο και η μέση τιμή του τείνει στο μηδέν. Δηλαδή, η συμπεριφορά που θα είχαν τα σωματίδια χωρίς μάζα αποκαθίσταται (σαν να είχε μόνο ένα ελάχιστο το πηγάδι δυναμικού). Η αυθόρμητα σπασμένη συμμετρία μας αποκαθίσταται και σε αυτή την περίπτωση το θεώρημα της επανακανονικοποίησης αρχίζει να λειτουργεί ξανά. Με μια συμμετρική δομή του συστήματος, μειώνονται οι πιο επιβλαβείς αποκλίσεις και παραμένουν μόνο εκείνες με τις οποίες μπορούμε να αντιμετωπίσουμε τη διαδικασία επανακανονικοποίησης.

Σε εκείνες τις επιστήμες όπου οι φορείς των αλληλεπιδράσεων ήταν ήδη αρχικά χωρίς μάζα, όπως τα φωτόνια στην ηλεκτροδυναμική και τα γκλουόνια στη χρωμοδυναμική, όλα ήταν άμεσα επανακανονικοποιήσιμα και βολικά για υπολογισμούς. Αλλά οι φορείς αδύναμων αλληλεπιδράσεων - τα μποζόνια W και Z - αποδείχθηκαν τεράστιοι για κάποιο λόγο. Και έπρεπε να το αντιμετωπίσουμε. Και μετά καταλήξαμε στο μποζόνιο Higgs και τον μηχανισμό της αυθόρμητης διάρρηξης της συμμετρίας, που μας παρείχε τη μετάβαση από τα μαζικά μποζόνια W και Z σε χαμηλές ενέργειες (ουσιαστικά κοντά στο κενό, στην περιοχή που είναι προσβάσιμη στην παρατήρησή μας) σε μποζόνια χωρίς μάζα σε υψηλή ενέργειες (όπου αποκλίνουν δύσμοιρα ολοκληρώματα). Τα αποτελέσματα μπορούν να εκφραστούν με τη μορφή σχεδόν ενός αφορισμού - ο μηχανισμός Higgs όχι μόνο εξήγησε την προέλευση της μάζας, αλλά βοήθησε να απαλλαγούμε από αυτήν τη μάζα.

Ο πάνω κόσμος και ο κάτω κόσμος (πριν και μετά το αυθόρμητο σπάσιμο της συμμετρίας)

Έτσι, το νόημα της ύπαρξης του μποζονίου Higgs για εμάς είναι ότι μας επέτρεψε να συνδέσουμε φαινομενικά ασύμβατα πράγματα: την περιοχή των υψηλών ενεργειών, όπου τα μποζόνια W και Z δεν πρέπει να έχουν μάζες (ώστε να μην προκύψουν αμετάκλητες αποκλίσεις ) με την περιοχή των χαμηλών ενεργειών, όπου τα μποζόνια W και Z έχουν μάζα ως πειραματικό γεγονός. Η φύση πήγε να συναντήσει τους μαθηματικούς και εκεί, στα «ορεινά ύψη», δεν έδωσε μάζα στα μποζόνια. Τα σωματίδια αποκτούν μάζα μόνο για τη ζωή στον πυθμένα. Η μάζα προκύπτει ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης με διάφορα συμπυκνώματα κενού.

Η φύση το έχει κάνει αυτό περισσότερες από μία φορές. Θυμάστε, είπαμε ότι η μάζα του πρωτονίου οφείλεται στο συμπύκνωμα γκλουονίου; Έτσι, με την αύξηση της ενέργειας, το συμπύκνωμα γκλουονίου εξαφανίζεται και μαζί με αυτό εξαφανίζεται και η μάζα των κουάρκ που σχηματίζουν το πρωτόνιο. Σε αυτή την περίπτωση, το πρωτόνιο παύει να υπάρχει ως κάτι ολόκληρο και διασπάται σε αδέσμευτα κουάρκ. Αυτό που παίρνετε ονομάζεται πλάσμα κουάρκ-γλουονίου. Αλλά θα το συζητήσουμε κάποια στιγμή την επόμενη φορά. Οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις ευθύνονται για τις ιδιότητές του, ενώ εμείς είμαστε ακόμα απασχολημένοι με αδύναμες. Αλλά υπάρχει ένα μάθημα που μπορούμε να αντλήσουμε από την αναλογία. Αν αποτύγχαμε να ανακαλύψουμε το μποζόνιο Χιγκς ως ανεξάρτητο θεμελιώδες σωματίδιο, θα υπήρχε ακόμα ελπίδα να σώσουμε τη θεωρία των ασθενών αλληλεπιδράσεων οργανώνοντας το μποζόνιο Χιγκς ως σύνθετο αντικείμενο.

Αν και αν κοιτάξετε ευρύτερα, πέρα ​​από το πεδίο της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων, αποδεικνύεται ότι έχουμε ήδη περάσει αυτό το μάθημα. Έχουμε δει το τέλειο ισοδύναμο του μηχανισμού Higgs με ένα σύνθετο συμπύκνωμα στη φυσική στερεάς κατάστασης, στη θεωρία της υπεραγωγιμότητας. Εκεί ήταν ένα συμπύκνωμα ζευγών ηλεκτρονίων Cooper. Δεν υπάρχει τίποτα νέο κάτω από τον ήλιο.

Περί ομορφιάς

Ο μηχανισμός Higgs όχι μόνο έχει λύσει τα τεχνικά μας προβλήματα, αλλά έχει κάνει και τη ζωή όμορφη. Γιατί είναι όμορφο όταν είναι δυνατό να περιγράψουμε όλες αυτές τις φαινομενικά διαφορετικές αλληλεπιδράσεις από μια ενοποιημένη σκοπιά και να αντλήσουμε τις βασικές εξισώσεις για αυτές από μια ενιαία γενική αρχή. Αυτή η αρχή ονομάζεται τοπική αμετάβλητη μετρητή. Όλες οι αλληλεπιδράσεις είναι διατεταγμένες σύμφωνα με το ίδιο μοτίβο και διαφέρουν μόνο στη συσκευή της αντίστοιχης φόρτισης. Το ηλεκτρικό φορτίο είναι απλώς ένας αριθμός. Θετικό ή αρνητικό, αλλά μόνο ένας αριθμός, και το φορτίο ενός σύνθετου συστήματος προκύπτει με απλή αριθμητική πρόσθεση των φορτίων των μερών του.

Ένα ασθενές φορτίο είναι μαθηματικά παρόμοιο με ένα σπιν, μόνο που περιστρέφεται σε διαφορετικές κατευθύνσεις όχι στον συνηθισμένο μας χώρο, αλλά στο μετρητή του (ασθενές ισότοπο). Η κατάσταση του συστήματος δεν δίνεται πλέον από έναν αριθμό, αλλά από δύο: το συνολικό αδύναμο σπιν και την προβολή του σε κάποιον άξονα στο χώρο του μετρητή. Ο κανόνας "ακαθάριστης" προσθήκης για ένα πλήρες γύρισμα δεν είναι κατάλληλος, αλλά υπάρχουν αυστηροί κανόνες, όπως και για ένα κανονικό γύρισμα.

Ένα ισχυρό φορτίο ονομάζεται χρώμα. Σε κάποιο βαθμό, είναι επίσης παρόμοιο με το γύρισμα, μόνο πιο περίπλοκο. Ο χώρος του μετρητή του δεν είναι τρισδιάστατος, αλλά οκταδιάστατος, και η κατάσταση του συστήματος περιγράφεται με τρεις αριθμούς: «πλήρες χρώμα» και οι προβολές του σε δύο περίπου άξονες στο χώρο του μετρητή. Οι επαγγελματίες αντί για τις λέξεις «full color» λένε «η διάσταση της μη αναγώγιμης αναπαράστασης».

Και τώρα ας προχωρήσουμε σε αυτή τη ζωντανή ενσάρκωση των δημοκρατικών ελευθεριών και της καθολικής ανεκτικότητας - την αρχή της τοπικής αναλλοίωσης του μετρητή. Η ουσία του είναι ότι οι παρατηρητές που βρίσκονται σε διαφορετικά σημεία του χώρου έχουν το δικαίωμα να ορίσουν τον προσανατολισμό των αξόνων στο χώρο του μετρητή, ο καθένας με τον δικό του τρόπο, όπως τους αρέσει, και κανείς δεν έχει το δικαίωμα να τους στερήσει αυτήν την ελευθερία (με ο μόνος περιορισμός ότι η αλλαγή στο σύστημα συντεταγμένων του μετρητή συμβαίνει συνεχώς από σημείο σε σημείο). Αλλά ταυτόχρονα, υποθέτουμε ότι οι εξισώσεις κίνησης των σωματιδίων πρέπει να φαίνονται ίδιες για οποιαδήποτε επιλογή.

Πώς να ικανοποιηθεί αυτή η απαίτηση; Οι εξισώσεις κίνησης των ελεύθερων σωματιδίων (για παράδειγμα, κουάρκ ή ηλεκτρονίων ή άλλα λεπτόνια) περιέχουν μια παράγωγο και τώρα συγχέει τόσο την «αληθινή» αλλαγή στην κυματική συνάρτηση του σωματιδίου όσο και τη «φαινομενική» που σχετίζεται με μια αλλαγή στο σύστημα συντεταγμένων. Μπορείτε να απαλλαγείτε από τον επιπλέον όρο στην παράγωγο με τη βοήθεια πρόσθετων "αντισταθμιστικών" πεδίων. Δηλαδή, εκτός από τα αρχικά πεδία για ένα λεπτόνιο ή ένα κουάρκ, εισάγουμε και άλλα πεδία στο σύστημα εξισώσεων, τα οποία επίσης αλλάζουν όταν οι άξονες περιστρέφονται στο χώρο του μετρητή, αλλά με τέτοιο τρόπο ώστε αυτή η αλλαγή να αντισταθμίζει ακριβώς το τους «έξτρα» όρους. Είναι σαφές ότι οι εξισώσεις για αυτά τα αντισταθμιστικά πεδία καθορίζονται αρκετά ξεκάθαρα, επειδή είναι γνωστό ακριβώς τι πρέπει να αντισταθμιστεί. Αποδεικνύεται λοιπόν ότι για ένα ηλεκτρικό φορτίο, ένα τέτοιο αντισταθμιστικό πεδίο είναι ηλεκτρομαγνητικό - μαζί με τις εξισώσεις του Maxwell που απορρέουν απευθείας από την αρχή του μετρητή. Για ένα ασθενές φορτίο, αυτά είναι τα πεδία των μποζονίων W ± και Z, και για ένα ισχυρό φορτίο, αυτά είναι τα πεδία των γκλουονίων. Τα ανάλογα των εξισώσεων του Maxwell στις δύο τελευταίες περιπτώσεις ονομάζονται εξισώσεις Yang-Mills. (Αυτός ο τρικέφαλος ισχυρός-αδύναμος-ηλεκτρομαγνητικός δράκος στην πραγματικότητα ονομάζεται Καθιερωμένο Μοντέλο. Φυσικά, σε συνδυασμό με μια λίστα με όλα τα θεμελιώδη σωματίδια και την ταξινόμησή τους ανά τύπο φορτίου.)

Και όλα θα ήταν υπέροχα, αν όχι για ένα ενοχλητικό μικρό πράγμα. Τα φερμιόνια (ηλεκτρόνια ή άλλα λεπτόνια, καθώς και τα κουάρκ) συμμετέχουν σε ασθενείς αλληλεπιδράσεις με διαφορετικούς τρόπους ανάλογα με την ελικότητά τους. πειραματικό γεγονός. Οι αδύναμες αλληλεπιδράσεις είναι οι μόνες γνωστές σε εμάς που κάνουν διάκριση μεταξύ αριστερής και δεξιάς ελικοειδής κατάστασης. Αυτό δεν είναι κακό από μόνο του, αλλά επειδή η έννοια της ελικοειδούς για τεράστια σωματίδια αποδεικνύεται διφορούμενη. Θυμηθείτε ότι η ελικότητα είναι η προβολή της περιστροφής ενός σωματιδίου στην ορμή του. Και αν ένα σωματίδιο έχει μη μηδενική μάζα, τότε κινείται πάντα πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός, και επομένως το σωματίδιο μπορεί πάντα να «ξεπεραστεί», δηλαδή να μεταφερθεί σε ένα πλαίσιο αναφοράς που κινείται προς την ίδια κατεύθυνση, μόνο σε μεγαλύτερη ταχύτητα. Και σε ένα τέτοιο πλαίσιο αναφοράς, η ορμή του σωματιδίου θα έχει ήδη την αντίθετη κατεύθυνση και μαζί της θα αλλάξει πρόσημο και ελικότητα. Αλλά εάν η δύναμη της αλληλεπίδρασης, που χαρακτηρίζεται από ένα υπό όρους "φόρτιση", εξαρτάται από το πλαίσιο αναφοράς, τότε αυτό σημαίνει ότι ένα τέτοιο αμετάβλητο φορτίο απλά δεν μπορεί να προσδιοριστεί. Μάλλον, δεν μπορεί να οριστεί με τέτοιο τρόπο ώστε να διατηρηθεί. Και τότε όλο αυτό το όμορφο σχήμα καταρρέει με την εξαγωγή όλων των εξισώσεων από μια ενιαία αρχή. Διότι η τήρηση της αμετάβλητης του μετρητή και η ύπαρξη αντίστοιχου διατηρημένου φορτίου είναι, από μαθηματική άποψη, το ίδιο πράγμα. Το θεώρημα του Noether. Κάποιος θα μπορούσε, φυσικά, να μην εξάγει εξισώσεις, αλλά απλώς να τις υποθέσει ως έχουν, αυτό δεν επηρεάζει την προγνωστική ισχύ. Αλλά είναι κρίμα. Υπάρχει η αίσθηση ότι έχουμε αντιληφθεί κάποια σημαντική κανονικότητα στη φύση.

Η υπόθεση της αυθόρμητης διάρρηξης της συμμετρίας μας δίνει μια διαφορετική εικόνα. Σε αυτήν την εικόνα, υπάρχει ένα μέρος για έναν κόσμο αρχικά αδιάσπαστης συμμετρίας, όπου οι εξισώσεις είναι όλες αμετάβλητες, τα σωματίδια δεν έχουν μάζες, η έννοια της ελικοειδούς ορίζεται μοναδικά και τα φορτία διατηρούνται. Τίποτα δεν εμποδίζει την εξαγωγή των εξισώσεων Yang-Mills από την αρχή του μετρητή. Και μετά κατέβα στον κάτω κόσμο. Τα σωματίδια θα αποκτήσουν τότε μάζα, και ταυτόχρονα, ένα ασθενές φορτίο θα πάψει να διατηρείται. Αλλά τώρα δεν το φοβόμαστε αυτό, γιατί ο μηχανισμός Higgs δείχνει ξεκάθαρα από πού προέρχεται το φορτίο που λείπει και πού πηγαίνει το πλεόνασμα. Απάντηση: συγχωνεύεται σε κενό. Σε ένα κενό, όπου τα ανεξάντλητα αποθέματά του συσσωρεύονται στο συμπύκνωμα Higgs. Δηλαδή, εξακολουθεί να υπάρχει μια ασθενής φόρτιση, αλλά τι είδους διατήρηση μπορεί να υπάρξει εάν το σύστημα δεν είναι κλειστό; Ανταλλάσσουμε συνεχώς ένα αδύναμο φορτίο με το κενό. Έτσι συνδέονται ξανά τα ασύνδετα πράγματα - υπάρχει μια χρέωση ως συνώνυμο του νόμου της διατήρησης, αλλά δεν υπάρχει η ίδια η διατήρηση. Μαθηματικά!

Για την πληρότητα της ευχαρίστησης, μένει να αποσαφηνιστούν οι βαθμοί ελευθερίας.

Γνωρίζουμε ότι τα συστήματα με σπιν ίσο με μονάδα έχουν τρεις κβαντικές καταστάσεις. Κάποιος θα θυμάται τα επίπεδα τριπλέτας στην ατομική φυσική, αλλά στην περίπτωσή μας θα μιλήσουμε για την πόλωση των διανυσματικών σωματιδίων, τα οποία είναι όλα μποζόνια μετρητή. Εάν το σωματίδιο έχει μάζα, τότε έχει τρεις καταστάσεις πόλωσης (δύο εγκάρσιες και μία διαμήκη) και αν είναι χωρίς μάζα, όπως ένα φωτόνιο, τότε μόνο δύο, εγκάρσια. Ας θυμηθούμε τώρα την εγκάρσια πόλωση των φωτονίων, μας είπαν στο σχολείο. Τώρα είναι η ώρα να αρχίσουμε να ανησυχούμε, γιατί στον κόσμο της αδιάσπαστης συμμετρίας, οι άνευ μάζας πρόγονοι των μποζονίων W ± και Z 0 είχαν δύο καταστάσεις πόλωσης, ενώ οι τεράστιοι πρόγονοι έχουν τώρα τρεις.

Από πού προήλθαν αυτοί οι επιπλέον βαθμοί ελευθερίας; Και να που: στον κόσμο της αδιάσπαστης συμμετρίας, το πεδίο Higgs δεν είχε έναν βαθμό ελευθερίας, αλλά τέσσερις. Έχω ήδη πει ότι το πεδίο Higgs παίρνει μιγαδικές τιμές (και κάθε μιγαδικός αριθμός ισοδυναμεί με δύο πραγματικούς αριθμούς) και ότι έχει ένα αδύναμο σπιν (το οποίο μπορεί να είναι "πάνω" ή "κάτω" στον ασθενή ισοτοπικό του χώρο). Και δεν είναι τυχαίο ότι τώρα ονόμασα πεδία χωρίς μάζα στον κόσμο της αδιάσπαστης συμμετρίας τους προγονούς των μποζονίων μετρητή, και όχι τα ίδια τα μποζόνια, επειδή μετατράπηκαν στα φωτόνια, W + , W - και Z 0 μποζόνια γνωστά σε εμάς όχι άμεσα , αλλά σχηματίζοντας μεταξύ τους κάποια κβαντική υπέρθεση . Τα πεδία Χιγκς συμμετείχαν επίσης σε αυτήν την κβαντική υπέρθεση. Και ως αποτέλεσμα, τρία από τα τέσσερα πεδία Χιγκς άλλαξαν την καταχώρισή τους και έπιασαν δουλειά ως τα τρίτα (διαμήκη) συστατικά στην πόλωση μεγάλων μποζονίων. Μόνο ένα πεδίο παρέμεινε με την προηγούμενη ονομασία του και το ανακαλύψαμε στο CERN. Η ανακατανομή των βαθμών ελευθερίας είναι ένας από τους ουσιαστικούς κόμβους της γενικής θεωρίας των ηλεκτροασθενών αλληλεπιδράσεων.

Ανακάλυψη ιδέας; - Ναί; συνίσταται στην εικασία ότι οι αρχικοί νόμοι, σύμφωνα με το σχέδιο του Θεού, είναι τέλειοι και συμμετρικοί (και έτσι μας παρέχουν τόσο δυνατότητα επανακανονικοποίησης όσο και διατήρηση των φορτίων) και η «λοξή» των νόμων που βλέπουμε στον κόσμο της κοιλάδας είναι μόνο φαινομενικό, είναι το αποτέλεσμα της λοξής διάταξης του κενού, που έγινε τέτοιο λόγω της παρέμβασης του μποζονίου Higgs. Εδώ βρήκαμε τον ένοχο. Και γιατί το μποζόνιο Χιγκς να μην ονομάζεται σωματίδιο του διαβόλου; Αλλά στον θεϊκό τέλειο κόσμο, υπάρχει θέση για τον άνθρωπο;

Για να βρούμε την απάντηση σε αυτό, θα πρέπει να μιλήσουμε για δύο άλλες, παιδικές, ερωτήσεις.

Τι θα γινόταν αν...

Και τι θα συνέβαινε αν δεν υπήρχαν καθόλου αδύναμες αλληλεπιδράσεις στη φύση; Θα το παρατηρούσαμε αυτό με γυμνό μάτι;

Ναι, θα το προσέξατε! Τότε ο ήλιος δεν θα έλαμπε. Επειδή δύο πρωτόνια που συγκρούονται δεν μπορούσαν να μετατραπούν σε πυρήνα δευτερίου - και αυτό είναι το πρώτο βήμα σε μια αλυσίδα αντιδράσεων που μετατρέπουν το υδρογόνο σε ήλιο και χρησιμεύουν ως η κύρια πηγή ηλιακής ενέργειας.

Και τι θα συνέβαινε αν τα αδύναμα μποζόνια ήταν χωρίς μάζα;

Τότε, πιθανότατα, ο Ήλιος θα είχε άλλες διαστάσεις. θα ήταν πιθανώς μεγαλύτερο από την τρέχουσα τροχιά της Γης και ακόμη και από την τροχιά οποιουδήποτε από τους πλανήτες. Το μέγεθος οποιουδήποτε άστρου καθορίζεται από την ισορροπία μεταξύ των βαρυτικών δυνάμεων, που εξαρτώνται από τη μάζα του αστέρα, και της θερμικής πίεσης, η οποία εξαρτάται από την ένταση της απελευθέρωσης ενέργειας στις πυρηνικές αντιδράσεις. Με τα μποζόνια W χωρίς μάζα, η μετατροπή του υδρογόνου σε ήλιο θα ήταν πολύ ευκολότερη και ταχύτερη (πολλές τρισεκατομμύρια φορές) και η θερμική πίεση δεν θα επέτρεπε στον Ήλιο να συρρικνωθεί στο σημερινό του μέγεθος.

Και στις δύο περιπτώσεις, η ζωή με τη μορφή που γνωρίζουμε θα ήταν αδύνατη.

– Σεργκέι Πάβλοβιτς, επιτρέψτε μου να σας κάνω μια ακόμη παιδική ερώτηση: πόσο «τείνει» η ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς προς το μεγάλο; Ή, πιο σοβαρά, αυτή η ανακάλυψη θα φέρει κάτι νέο στην ήδη υπάρχουσα εικόνα του κόσμου;

Υπάρχει μια άποψη, και τη συμμερίζομαι, ότι δεν ήταν απαραίτητο να δοθεί το βραβείο Νόμπελ. Λοιπόν, στην πραγματικότητα - σε ποιον; Ο μηχανισμός Higgs είναι γνωστός στη φυσική στερεάς κατάστασης εδώ και πολύ καιρό, από το 1965, οπότε μάλλον δεν υπάρχει μεγάλη καινοτομία σε αυτόν ως τέτοιο. Η θεμελιώδης καινοτομία ήταν όταν ήταν δυνατό να προσαρμοστεί στις ανάγκες της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων και να οικοδομηθεί με τη βοήθειά της μια γενική θεωρία ηλεκτροασθενών αλληλεπιδράσεων. Αλλά οι θεωρητικοί Sheldon Glashow, Steven Weinberg και Abdus Salam έλαβαν ήδη το βραβείο Νόμπελ για αυτή τη θεωρία το 1979, καθώς και με μεγάλη καθυστέρηση ο Yochiro Nambu το 2008 για τον μηχανισμό της αυθόρμητης διάρρηξης της συμμετρίας στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων.

Η πειραματική επαλήθευση της θεωρίας απαιτούσε την ανακάλυψη των μποζονίων W και Z που είχαν προβλεφθεί από αυτήν - κβαντικοί φορείς ασθενών αλληλεπιδράσεων, και οι πειραματιστές Carlo Rubbia και Van der Meer έλαβαν ήδη το βραβείο Νόμπελ για την ανακάλυψή τους το 1984. Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι συνεργασίες αριθμούσαν αρκετές εκατοντάδες συν-συγγραφείς, η αξία διατυπώθηκε ως «μια αποφασιστική συμβολή σε ένα μεγάλο έργο».

Κατά την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, δύο συνεργασίες λειτούργησαν για περισσότερους από τρεις χιλιάδες ανθρώπους η καθεμία, CMS και ATLAS. Σε ποιον πρέπει να δοθεί το βραβείο; Πάλι ηγέτες; Αλλά η αρχή της εναλλαγής λειτουργεί στις συνεργασίες - οι ηγέτες αλλάζουν κάθε δύο χρόνια - και οι ίδιες οι συνεργασίες υπάρχουν εδώ και 20 χρόνια, και μπορεί να ειπωθεί ότι μόνο μια ευκαιρία βρήκε τους σημερινούς ηγέτες στην εξουσία όταν συνέβη η ανακάλυψη. Ή μάλλον, όταν συγκεντρώθηκαν στατιστικά στοιχεία που ήταν επαρκή για επιφυλακτικά συμπεράσματα.

Αλλά από την άλλη, ήταν επίσης αδύνατο να μην δοθεί βραβείο. Το LHC, σε γενικές γραμμές, κατασκευάστηκε ειδικά για χάρη του μποζονίου Higgs. Το μποζόνιο Χιγκς δικαιολογήθηκε ενώπιον των χρηματοπιστωτικών ιδρυμάτων.

Ίσως δεν υπάρχει αμφιβολία ότι ένα νέο σωματίδιο έχει ανακαλυφθεί και ότι ανακαλύφθηκε ακριβώς το σωματίδιο που χρειαζόταν το Καθιερωμένο Μοντέλο. Αλλά το ερώτημα παραμένει, τελείωσαν οι ανακαλύψεις; Ήταν το τελευταίο από τα σωματίδια που δεν έχουν ανακαλυφθεί ακόμη ή μόνο το ελαφρύτερο της νέας οικογένειας; Μερικά από τα προβλήματα της παλιάς θεωρίας επιλύθηκαν θριαμβευτικά, αλλά πολλά παρέμειναν ανεξήγητα, συμπεριλαμβανομένου του προβλήματος της ιεραρχίας των μαζών των σωματιδίων και του προβλήματος των διορθώσεων ακτινοβολίας στη μάζα του ίδιου του μποζονίου Χιγκς. Για να τα εξηγήσουμε, είναι πιο φυσικό να υποθέσουμε την ύπαρξη μερικών νέων αντικειμένων σε κλίμακα της τάξης του TeV. Διαφορετικά, πρέπει να υποτεθεί η τυχαία ρύθμιση των παραμέτρων.

Θα συμφωνήσω μάλλον με τον V.A. Rubakov, ο οποίος πιστεύει ότι μπαίνουμε σε μια νέα εποχή και ότι το μποζόνιό μας είναι απλώς η κορυφή ενός νήματος. Γιατί, ακόμη και στον κόσμο των συνηθισμένων σωματιδίων, οι ανακαλύψεις έπεσαν βροχή: για πρώτη φορά, και επιπλέον, ταυτόχρονα σε ένα πλήθος, ανακαλύφθηκαν νέοι τύποι μεσονίων που ξεπερνούν το κλασικό σχήμα κουάρκ-αντικουάρκ. Όχι, όχι, εγώ - για την άκρη του νήματος!

- Κατά τη γνώμη σας, είναι δίκαιες οι μομφές κατά της σύγχρονης επιστήμης και των επιστημόνων -η επιστήμη είναι εξευτελιστική, δεν υπάρχουν πραγματικά σπουδαίοι επιστήμονες- είναι δίκαιες; Ή είναι όλα τελείως διαφορετικά;

Καρέ από την ταινία Άνοιξη (Mosfilm, 1947).
Ο ήρωας του R. Plyatt εξηγεί τις ιδιαιτερότητες του έργου των επιστημόνων:
«Πώς λειτουργούν; Κάθισα λοιπόν, σκέφτηκα… το άνοιξα!
Το πιο σημαντικό είναι να σκέφτεσαι… Κάπως έτσι. Και πλήρης παραγγελία!

Ο επιστήμονας είναι ένα παράδοξο επάγγελμα, η μοίρα του είναι να κάνει ό,τι δεν μπορεί να κάνει κανείς, συμπεριλαμβανομένου του εαυτού του, γιατί όταν βρεθεί μια λύση, το πρόβλημα περνά από την κατηγορία των επιστημονικών στην κατηγορία της μηχανικής και μετά ασχολούνται άλλοι άνθρωποι. και ο επιστήμονας μένει πάλι μόνος ένας με το άγνωστο.

Με την επιστήμη, όλα είναι κάπως διαφορετικά από ό,τι φαίνεται στον απλό παρατηρητή. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τη θεμελιώδη επιστήμη, από την οποία υπάρχει τόσο άμεσο αποτέλεσμα όσο και έμμεσο. Οι περισσότερες σύγχρονες τεχνικές καινοτομίες και «ευκολίες του πολιτισμού» είναι, στην πραγματικότητα, υποπροϊόν της θεμελιώδης επιστήμης. Για παράδειγμα, το ίδιο Διαδίκτυο, χωρίς το οποίο σήμερα δεν γίνεται νοητή. Η χρήση ανακαλύψεων «για τον σκοπό τους» συμβαίνει επίσης, αλλά όχι πάντα και όχι γρήγορα. Η επιστήμη μοιάζει με μια αποστολή που εξοπλίζουμε, χωρίς να ξέρουμε τι μας περιμένει: βουνά, πεδιάδες, έρημοι, βάλτους... Και στην πραγματικότητα, ξεκινήσαμε ένα ταξίδι στα τυφλά, μόνο η συσσωρευμένη γνώση και εμπειρία έρχονται σε βοήθειά μας (αν βρίσκονται σε αυτούς τους τομείς) και διαίσθηση του επιστήμονα.

Η ζωή είναι οργανωμένη με τέτοιο τρόπο ώστε να βάζουμε στον εαυτό μας εντελώς «παιχνίδι», φαίνεται, καθήκοντα που κανείς δεν χρειάζεται. Αναζητούμε αυτό το ακατανόητο μποζόνιο Χιγκς, ελέγχοντας το Καθιερωμένο Μοντέλο για «δύναμη», προσπαθώντας να προσομοιώσουμε τη γέννηση του Σύμπαντος. Αλλά με το πρόσχημα αυτών των τεχνητών εργασιών για ένα άτομο μακριά από την επιστήμη, αναπτύσσουμε τις πιο προηγμένες τεχνολογίες, οι οποίες στη συνέχεια μπαίνουν στη ζωή μας και την αλλάζουν ριζικά.

Μετά τη θεωρία του Νεύτωνα, σχεδόν τίποτα δεν άλλαξε για 200 χρόνια. Και ήταν μια εποχή συσσώρευσης γνώσεων, επαλήθευσης του τι και πόσο ταιριάζει στο πλαίσιο αυτής της φυσικής. Και τότε υπήρχαν προβλήματα που δεν μπορούσαν να χωρέσουν σε αυτό: ο ορισμός της ταχύτητας του φωτός, η εξήγηση του φάσματος ακτινοβολίας ενός στερεού σώματος (ως αποτέλεσμα, η σταθερά Planck "ξεπήδησε") και πολλά άλλα. Μας ενδιέφερε το χάος, συνειδητοποιώντας ξαφνικά ότι η Νευτώνεια μηχανική είναι η εξαίρεση και όχι ο κανόνας της ζωής. Η κβαντομηχανική, οι γενικές και ειδικές θεωρίες της σχετικότητας άρχισαν να αναπτύσσονται. Παρεμπιπτόντως, μια πολύ παιχνιδιάρικη ερώτηση - " Γιατί είναι σκοτεινά τη νύχτα; (τα λεγόμενα Το φωτομετρικό παράδοξο του Olbers - Περίπου. εκδόσεις ) - οδήγησε στην ανάπτυξη μιας ολόκληρης αστροφυσικής κατεύθυνσης. Και αυτό το ερώτημα λύθηκε τελικά μόλις τον 20ό αιώνα: για περίπου εκατό χρόνια αναζητούσαν μια απάντηση!

Νομίζω ότι ακόμα και τώρα βρισκόμαστε στο στάδιο του προβληματισμού, της συσσώρευσης εμπειρίας στη βάση ήδη αποκτημένων γνώσεων και ανακαλύψεων. Ειδικότερα, επιστρέφοντας στο μποζόνιο Higgs, εδώ μία από τις εργασίες είναι να επιβεβαιώσουμε το Καθιερωμένο Μοντέλο, να αναζητήσουμε αυτό που μπορεί να είναι πέρα ​​από το πεδίο εφαρμογής του. Και κάποια στιγμή σε αυτή τη γνωστική διαδικασία θα εμφανιστεί ένα άλλο παιδικό ερώτημα, που θα δώσει ώθηση σε μια νέα φυσική που δεν είναι ορατή τώρα.

Συνέντευξη από τον E. Lyubchenko, API "FIAN-inform"

___________________________________________

Lederman Leon Max- Αμερικανός φυσικός, νικητής του βραβείου Νόμπελ Φυσικής το 1988 για την ανακάλυψη του νετρίνου μιονίου («For the neutrino beam method and the demonstration of the doublet structure of the leptons through the discovery of the muon neutrino»).

Ρουμπάκοφ Βαλέρι Ανατόλιεβιτς- Ρώσος θεωρητικός φυσικός, ένας από τους κορυφαίους επιστήμονες στον κόσμο στον τομέα της κβαντικής θεωρίας πεδίου, της στοιχειώδους σωματιδιακής φυσικής και της κοσμολογίας, ακαδημαϊκός της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών, Διδάκτωρ Φυσικών και Μαθηματικών Επιστημών. Επί του παρόντος, κατέχει τη θέση του Αναπληρωτή Διευθυντή του Ινστιτούτου Πυρηνικής Έρευνας (INR) της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών.

Εμείς στην Quantuz (προσπαθούμε να γίνουμε μέλος της κοινότητας GT) προσφέρουμε τη μετάφραση του τμήματος μποζονίων Higgs του particleadventure.org. Σε αυτό το κείμενο, έχουμε εξαιρέσει τις μη ενημερωτικές εικόνες (δείτε την πλήρη έκδοση στο πρωτότυπο). Το υλικό θα ενδιαφέρει όποιον ενδιαφέρεται για τα τελευταία επιτεύγματα στην εφαρμοσμένη φυσική.

Ο ρόλος του μποζονίου Higgs

Το μποζόνιο Higgs ήταν το τελευταίο σωματίδιο που ανακαλύφθηκε στο Καθιερωμένο Μοντέλο. Αυτό είναι ένα κρίσιμο συστατικό της θεωρίας. Η ανακάλυψή του βοήθησε στην επιβεβαίωση του μηχανισμού με τον οποίο τα θεμελιώδη σωματίδια αποκτούν μάζα. Αυτά τα θεμελιώδη σωματίδια στο Καθιερωμένο Μοντέλο είναι τα κουάρκ, τα λεπτόνια και τα σωματίδια που φέρουν δύναμη.

1964 θεωρία

Το 1964, έξι θεωρητικοί φυσικοί υπέθεσαν την ύπαρξη ενός νέου πεδίου (παρόμοιου με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο) που γεμίζει όλο το διάστημα και λύνει ένα κρίσιμο πρόβλημα στην κατανόησή μας για το σύμπαν.

Ανεξάρτητα από αυτό, άλλοι φυσικοί ανέπτυξαν μια θεωρία των θεμελιωδών σωματιδίων, που τελικά ονομάστηκε «Τυπικό μοντέλο», η οποία παρείχε εκπληκτική ακρίβεια (η πειραματική ακρίβεια ορισμένων τμημάτων του Καθιερωμένου Μοντέλου φτάνει το 1 στα 10 δισεκατομμύρια. Αυτό ισοδυναμεί με την πρόβλεψη της απόστασης μεταξύ Νέα Υόρκη και Σαν Φρανσίσκο με ακρίβεια περίπου 0,4 mm). Αυτές οι προσπάθειες συνδέονται στενά. Το Καθιερωμένο Μοντέλο χρειαζόταν έναν μηχανισμό για να αποκτήσουν μάζα τα σωματίδια. Η θεωρία πεδίου αναπτύχθηκε από τους Peter Higgs, Robert Braut, François Engler, Gerald Guralnik, Carl Hagen και Thomas Kibble.

μποζόνιο

Ο Peter Higgs συνειδητοποίησε ότι, κατ' αναλογία με άλλα κβαντικά πεδία, πρέπει να υπάρχει ένα σωματίδιο που σχετίζεται με αυτό το νέο πεδίο. Πρέπει να έχει σπιν ίσο με μηδέν και, επομένως, να είναι ένα μποζόνιο - ένα σωματίδιο με ακέραιο σπιν (σε αντίθεση με τα φερμιόνια, τα οποία έχουν σπιν μισού ακέραιου αριθμού: 1/2, 3/2, κ.λπ.). Πράγματι, σύντομα έγινε γνωστό ως μποζόνιο Higgs. Το μόνο του μειονέκτημα ήταν ότι δεν τον είδε κανείς.

Ποια είναι η μάζα ενός μποζονίου;

Δυστυχώς, η θεωρία που προβλέπει το μποζόνιο δεν καθόρισε τη μάζα του. Πέρασαν χρόνια πριν γίνει σαφές ότι το μποζόνιο Higgs πρέπει να είναι εξαιρετικά βαρύ και πιθανότατα απρόσιτο για εγκαταστάσεις που κατασκευάστηκαν πριν από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC).

Να θυμάστε ότι σύμφωνα με το E=mc 2 , όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα ενός σωματιδίου, τόσο περισσότερη ενέργεια χρειάζεται για να δημιουργηθεί.

Την εποχή που ο LHC άρχισε να συλλέγει δεδομένα το 2010, πειράματα σε άλλους επιταχυντές έδειξαν ότι η μάζα του μποζονίου Higgs πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 115 GeV/c2. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων στο LHC, σχεδιάστηκε να αναζητηθούν στοιχεία για ένα μποζόνιο στο εύρος μάζας 115-600 GeV/c2 ή ακόμα και υψηλότερο από 1000 GeV/c2.

Κάθε χρόνο ήταν δυνατό να αποκλειστούν πειραματικά μποζόνια με μεγαλύτερες μάζες. Το 1990 ήταν γνωστό ότι η επιθυμητή μάζα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 25 GeV/c2 και το 2003 αποδείχθηκε ότι ήταν μεγαλύτερη από 115 GeV/c2

Οι συγκρούσεις στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων μπορούν να δημιουργήσουν πολλά ενδιαφέροντα πράγματα

Ο Dennis Overbye στους New York Times μιλά για την αναδημιουργία συνθηκών του τρισεκατομμυρίου του δευτερολέπτου μετά το Big Bang και λέει:

« …απομεινάρια [έκρηξης] σε αυτό το μέρος του διαστήματος δεν έχουν δει από τότε που το σύμπαν ψύχθηκε πριν από 14 δισεκατομμύρια χρόνια – η άνοιξη της ζωής είναι φευγαλέα, ξανά και ξανά σε όλες τις πιθανές παραλλαγές της, σαν να συμμετείχε το σύμπαν δική εκδοχή της ταινίας "Groundhog Day"»

Ένα από αυτά τα «υπολείμματα» θα μπορούσε να είναι το μποζόνιο Χιγκς. Η μάζα του πρέπει να είναι πολύ μεγάλη και πρέπει να διασπάται σε λιγότερο από ένα νανοδευτερόλεπτο.

Ανακοίνωση

Μετά από μισό αιώνα αναμονής, το δράμα έχει γίνει τεταμένο. Οι φυσικοί κοιμήθηκαν στην είσοδο του αμφιθέατρου για να λάβουν θέση σε ένα σεμινάριο στο εργαστήριο CERN στη Γενεύη.

Δέκα χιλιάδες μίλια μακριά, στην άλλη άκρη του πλανήτη, στο διάσημο διεθνές συνέδριο για τη σωματιδιακή φυσική στη Μελβούρνη, εκατοντάδες επιστήμονες από όλο τον κόσμο συγκεντρώθηκαν για να ακούσουν το σεμινάριο που μεταδόθηκε από τη Γενεύη.

Αλλά πρώτα, ας δούμε τα προαπαιτούμενα.

Πυροτεχνήματα 4 Ιουλίου

Στις 4 Ιουλίου 2012 οι ηγέτες των πειραμάτων ATLAS και CMS στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων παρουσίασαν τα τελευταία τους αποτελέσματα από την αναζήτησή τους για το μποζόνιο Higgs. Υπήρχαν φήμες ότι επρόκειτο να δημοσιεύσουν κάτι περισσότερο από μια απλή αναφορά για τα αποτελέσματα, αλλά τι;

Φυσικά, όταν παρουσιάστηκαν τα αποτελέσματα, και οι δύο συνεργασίες που πραγματοποίησαν τα πειράματα ανέφεραν ότι βρήκαν στοιχεία για την ύπαρξη ενός σωματιδίου «σαν μποζόνιο Higgs» με μάζα περίπου 125 GeV. Ήταν σίγουρα ένα σωματίδιο, και αν δεν είναι μποζόνιο Higgs, τότε είναι μια πολύ καλή απομίμηση.

Τα στοιχεία δεν ήταν αμφισβητήσιμα, οι επιστήμονες είχαν αποτελέσματα πέντε σίγμα, που σημαίνει ότι υπήρχαν λιγότερες από μία πιθανότητες σε ένα εκατομμύριο ότι τα δεδομένα ήταν απλώς ένα στατιστικό λάθος.

Το μποζόνιο Χιγκς διασπάται σε άλλα σωματίδια

Το μποζόνιο Higgs διασπάται σε άλλα σωματίδια σχεδόν αμέσως μετά την παραγωγή του, επομένως μπορούμε να παρατηρήσουμε μόνο τα προϊόντα διάσπασής του. Οι πιο συνηθισμένες φθορές (μεταξύ αυτών που μπορούμε να δούμε) φαίνονται στο σχήμα:

Κάθε τρόπος διάσπασης του μποζονίου Higgs είναι γνωστός ως "κανάλι διάσπασης" ή "τρόπος διάσπασης". Αν και η λειτουργία bb είναι κοινή, πολλές άλλες διεργασίες παράγουν παρόμοια σωματίδια, οπότε αν παρατηρήσετε τη διάσπαση bb, είναι πολύ δύσκολο να πούμε αν τα σωματίδια προήλθαν από το μποζόνιο Higgs ή κάτι άλλο. Λέμε ότι το bb decay mode έχει «ευρύ φόντο».

Τα καλύτερα κανάλια διάσπασης για να αναζητήσετε το μποζόνιο Higgs είναι τα κανάλια δύο φωτονίων και δύο μποζονίων Ζ.*

*(Τεχνικά για ένα μποζόνιο Higgs μάζας 125 GeV, η διάσπαση σε δύο μποζόνια Ζ δεν είναι δυνατή, αφού το μποζόνιο Z έχει μάζα 91 GeV, επομένως το ζεύγος έχει μάζα 182 GeV, μεγαλύτερη από 125 GeV. Ωστόσο, αυτό Παρατηρήστε είναι μια διάσπαση σε ένα μποζόνιο Ζ και ένα εικονικό μποζόνιο Ζ (Z*), των οποίων η μάζα είναι πολύ μικρότερη.)

Διάσπαση του μποζονίου Higgs σε Z + Z

Τα μποζόνια Ζ έχουν επίσης αρκετούς τρόπους διάσπασης, συμπεριλαμβανομένων των Z → e+ + e- και Z → μ+ + µ-.

Ο τρόπος διάσπασης Z + Z ήταν αρκετά απλός για τα πειράματα ATLAS και CMS, όταν και τα δύο μποζόνια Ζ διασπάστηκαν σε έναν από τους δύο τρόπους (Z → e+ e- ή Z → μ+ μ-). Στο σχήμα, υπάρχουν τέσσερις παρατηρούμενοι τρόποι διάσπασης του μποζονίου Higgs:

Το τελικό αποτέλεσμα είναι ότι μερικές φορές ο παρατηρητής θα δει (εκτός από ορισμένα αδέσμευτα σωματίδια) τέσσερα μιόνια, ή τέσσερα ηλεκτρόνια, ή δύο μιόνια και δύο ηλεκτρόνια.

Πώς θα ήταν το μποζόνιο Higgs στον ανιχνευτή ATLAS;

Σε αυτό το γεγονός, ο «τζετ» (jet) εμφανίστηκε να κατεβαίνει και το μποζόνιο Higgs - προς τα πάνω, αλλά σχεδόν αμέσως διασπάστηκε. Κάθε εικόνα σύγκρουσης ονομάζεται "γεγονός".

Ένα παράδειγμα γεγονότος με την πιθανή διάσπαση του μποζονίου Higgsμε τη μορφή μιας όμορφης κινούμενης εικόνας της σύγκρουσης δύο πρωτονίων στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων μπορείτε να προβάλετε στον ιστότοπο πηγής σε αυτόν τον σύνδεσμο.

Σε αυτή την περίπτωση, ένα μποζόνιο Higgs μπορεί να παραχθεί και στη συνέχεια να διασπαστεί αμέσως σε δύο μποζόνια Ζ, τα οποία με τη σειρά τους θα διασπαστούν αμέσως (αφήνοντας δύο μιόνια και δύο ηλεκτρόνια).

Ο μηχανισμός που δίνει μάζα στα σωματίδια

Η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs είναι μια απίστευτη ένδειξη για τον μηχανισμό με τον οποίο τα θεμελιώδη σωματίδια αποκτούν μάζα, όπως υποστήριξαν οι Higgs, Brout, Engler, Gerald, Carl και Kibble. Τι είναι αυτός ο μηχανισμός; Αυτή είναι μια πολύ περίπλοκη μαθηματική θεωρία, αλλά η κύρια ιδέα της μπορεί να γίνει κατανοητή με τη μορφή μιας απλής αναλογίας.

Φανταστείτε έναν χώρο γεμάτο με το πεδίο Higgs σαν ένα πάρτι φυσικών που μιλούν ήρεμα μεταξύ τους με κοκτέιλ…
Κάποια στιγμή μπαίνει ο Πίτερ Χιγκς, δημιουργώντας ταραχή καθώς κινείται στην αίθουσα και συμπαρασύρει μια ομάδα θαυμαστών σε κάθε βήμα...

Πριν μπει στο δωμάτιο, ο καθηγητής Χιγκς μπορούσε να κινηθεί ελεύθερα. Αλλά αφού μπήκε στο δωμάτιο γεμάτο με φυσικούς, η ταχύτητά του μειώθηκε. Μια ομάδα θαυμαστών τον επιβράδυνε στο δωμάτιο. με άλλα λόγια έχει αποκτήσει μάζα. Αυτό είναι ανάλογο με ένα σωματίδιο χωρίς μάζα που αποκτά μάζα όταν αλληλεπιδρά με το πεδίο Higgs.

Όμως το μόνο που ήθελε ήταν να φτάσει στο μπαρ!

(Η ιδέα της αναλογίας ανήκει στον καθηγητή David J. Miller του University College του Λονδίνου, ο οποίος κέρδισε το βραβείο για μια προσιτή εξήγηση του μποζονίου Higgs - © CERN)

Πώς το μποζόνιο Χιγκς αποκτά τη δική του μάζα;

Από την άλλη, ενώ τα νέα διαδίδονται στην αίθουσα, σχηματίζουν και ομάδες ανθρώπων, αλλά αυτή τη φορά αποκλειστικά από φυσικούς. Μια τέτοια ομάδα μπορεί σιγά-σιγά να κινείται στο δωμάτιο. Όπως και άλλα σωματίδια, το μποζόνιο Higgs αποκτά μάζα απλά αλληλεπιδρώντας με το πεδίο Higgs.

Εύρεση της μάζας του μποζονίου Higgs

Πώς βρίσκετε τη μάζα του μποζονίου Higgs εάν διασπαστεί σε άλλα σωματίδια πριν το βρούμε;

Εάν αποφασίσετε να συναρμολογήσετε ένα ποδήλατο και θέλετε να μάθετε τη μάζα του, θα πρέπει να προσθέσετε τις μάζες των μερών του ποδηλάτου: δύο τροχούς, πλαίσιο, τιμόνι, σέλα κ.λπ.

Αλλά αν θέλετε να υπολογίσετε τη μάζα του μποζονίου Higgs από τα σωματίδια στα οποία διασπάστηκε, δεν μπορείτε απλώς να προσθέσετε τις μάζες. Γιατί όχι?

Η προσθήκη των μαζών των σωματιδίων διάσπασης του μποζονίου Higgs δεν λειτουργεί, αφού αυτά τα σωματίδια έχουν τεράστια κινητική ενέργεια σε σύγκριση με την ενέργεια ηρεμίας (θυμηθείτε ότι για ένα σωματίδιο σε ηρεμία E = mc 2). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η μάζα του μποζονίου Higgs είναι πολύ μεγαλύτερη από τις μάζες των τελικών προϊόντων της διάσπασής του, επομένως η εναπομένουσα ενέργεια πηγαίνει κάπου, δηλαδή, στην κινητική ενέργεια των σωματιδίων που εμφανίστηκαν μετά τη διάσπαση. Η θεωρία της σχετικότητας μας λέει να χρησιμοποιήσουμε την παρακάτω εξίσωση για να υπολογίσουμε την «αμετάβλητη μάζα» ενός συνόλου σωματιδίων μετά τη διάσπαση, η οποία θα μας δώσει τη μάζα του «γονέα», του μποζονίου Higgs:

E 2 \u003d p 2 c 2 + m 2 c 4

Εύρεση της μάζας του μποζονίου Higgs από τα προϊόντα διάσπασής του

Σημείωση Quantuz: δεν είμαστε λίγο σίγουροι για τη μετάφραση εδώ, καθώς υπάρχουν ειδικοί όροι. Προτείνουμε να συγκρίνετε τη μετάφραση με την πηγή για παν ενδεχόμενο.

Όταν μιλάμε για μια διάσπαση όπως H → Z + Z* → e+ + μι- + µ+ + μ-, τότε οι τέσσερις πιθανοί συνδυασμοί που φαίνονται παραπάνω θα μπορούσαν να προέλθουν τόσο από τη διάσπαση του μποζονίου Higgs όσο και από διεργασίες υποβάθρου, επομένως πρέπει να δούμε το ιστόγραμμα της συνολικής μάζας των τεσσάρων σωματιδίων σε αυτούς τους συνδυασμούς.

Το ιστόγραμμα μάζας υπονοεί ότι παρατηρούμε έναν τεράστιο αριθμό γεγονότων και σημειώνουμε τον αριθμό αυτών των γεγονότων όταν λαμβάνεται η τελική αμετάβλητη μάζα. Μοιάζει με ιστόγραμμα επειδή οι αμετάβλητες τιμές μάζας χωρίζονται σε στήλες. Το ύψος κάθε στήλης υποδεικνύει τον αριθμό των γεγονότων στα οποία η αμετάβλητη μάζα εμπίπτει στο αντίστοιχο εύρος.

Μπορούμε να φανταστούμε ότι αυτά είναι τα αποτελέσματα της διάσπασης του μποζονίου Higgs, αλλά δεν είναι.

Δεδομένα μποζονίου Χιγκς από το φόντο

Οι κόκκινες και μωβ περιοχές του ιστογράμματος δείχνουν το «φόντο» στο οποίο αναμένεται να συμβεί ο αριθμός των γεγονότων των τεσσάρων λεπτονίων χωρίς τη συμμετοχή του μποζονίου Higgs.

Η μπλε περιοχή (βλ. κινούμενη εικόνα) αντιπροσωπεύει την πρόβλεψη «σήματος», στην οποία ο αριθμός των γεγονότων τεσσάρων λεπτονίων υποδηλώνει το αποτέλεσμα της διάσπασης του μποζονίου Higgs. Το σήμα βρίσκεται στην κορυφή του φόντου, επειδή για να λάβετε τον συνολικό προβλεπόμενο αριθμό γεγονότων, απλώς προσθέτετε όλα τα πιθανά αποτελέσματα των γεγονότων που θα μπορούσαν να συμβούν.

Οι μαύρες κουκκίδες δείχνουν τον αριθμό των γεγονότων που παρατηρήθηκαν, ενώ οι μαύρες γραμμές μέσα από τις τελείες αντιπροσωπεύουν τη στατιστική αβεβαιότητα σε αυτούς τους αριθμούς. Η αύξηση των δεδομένων (βλ. επόμενη διαφάνεια) στα 125 GeV είναι σημάδι ενός νέου σωματιδίου 125 GeV (το μποζόνιο Higgs).

Μια κινούμενη εικόνα της εξέλιξης των δεδομένων για το μποζόνιο Higgs καθώς συσσωρεύεται βρίσκεται στην αρχική τοποθεσία.

Το σήμα μποζονίου Higgs ανεβαίνει αργά πάνω από το φόντο.

Δεδομένα από το μποζόνιο Higgs που διασπάστηκε σε δύο φωτόνια

Διασπάται σε δύο φωτόνια (H → γ + γ) έχει ακόμη ευρύτερο φόντο, αλλά παρόλα αυτά το σήμα διακρίνεται ξεκάθαρα.

Αυτό είναι το ιστόγραμμα της αμετάβλητης μάζας για τη διάσπαση του μποζονίου Higgs σε δύο φωτόνια. Όπως μπορείτε να δείτε, το φόντο είναι πολύ ευρύ σε σύγκριση με την προηγούμενη πλοκή. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι υπάρχουν πολύ περισσότερες διεργασίες που παράγουν δύο φωτόνια από τις διεργασίες που παράγουν τέσσερα λεπτόνια.

Η διακεκομμένη κόκκινη γραμμή δείχνει το φόντο και η παχιά κόκκινη γραμμή δείχνει το άθροισμα του φόντου και του σήματος. Βλέπουμε ότι τα δεδομένα είναι σε καλή συμφωνία με το νέο σωματίδιο γύρω στα 125 GeV.

Μειονεκτήματα των πρώτων δεδομένων

Τα δεδομένα ήταν πειστικά, αλλά όχι τέλεια και είχαν σημαντικά ελαττώματα. Μέχρι τις 4 Ιουλίου 2012, δεν υπήρχαν αρκετά διαθέσιμα στατιστικά στοιχεία για τον προσδιορισμό του ρυθμού με τον οποίο ένα σωματίδιο (το μποζόνιο Higgs) διασπάται στα διάφορα σύνολα σωματιδίων μικρότερης μάζας (οι λεγόμενες «αναλογίες διακλάδωσης») που προβλέπονται από το Καθιερωμένο Μοντέλο.

Η "αναλογία διακλάδωσης" είναι απλώς η πιθανότητα ότι ένα σωματίδιο θα διασπαστεί μέσω ενός δεδομένου καναλιού διάσπασης. Αυτές οι αναλογίες προβλέπονται από το Καθιερωμένο Μοντέλο και μετρώνται παρατηρώντας επανειλημμένα τις διασπάσεις των ίδιων σωματιδίων.

Το παρακάτω γράφημα δείχνει τις καλύτερες μετρήσεις αναλογίας διακλάδωσης που μπορούμε να κάνουμε από το 2013. Εφόσον πρόκειται για αναλογίες που προβλέπονται από το Καθιερωμένο Μοντέλο, η προσδοκία είναι 1,0. Τα σημεία είναι οι τρέχουσες μετρήσεις. Προφανώς, οι ράβδοι σφάλματος (κόκκινες γραμμές) εξακολουθούν να είναι ως επί το πλείστον πολύ μεγάλες για να εξαχθούν σοβαρά συμπεράσματα. Αυτά τα τμήματα μειώνονται καθώς λαμβάνονται νέα δεδομένα και τα σημεία ενδέχεται να μετακινηθούν.

Πώς ξέρετε ότι ένα άτομο παρατηρεί ένα υποψήφιο συμβάν μποζονίου Χιγκς; Υπάρχουν μοναδικές παράμετροι που κάνουν τέτοιες εκδηλώσεις να ξεχωρίζουν.

Είναι το σωματίδιο μποζόνιο Higgs;

Ενώ ανιχνεύτηκε η διάσπαση του νέου σωματιδίου, ο ρυθμός με τον οποίο αυτό συνέβαινε δεν ήταν ακόμη σαφής μέχρι τις 4 Ιουλίου. Δεν ήταν καν γνωστό αν το σωματίδιο που ανακαλύφθηκε είχε τους σωστούς κβαντικούς αριθμούς - δηλαδή, αν είχε το σπιν και την ισοτιμία που απαιτούνται για το μποζόνιο Higgs.

Με άλλα λόγια, στις 4 Ιουλίου, το σωματίδιο έμοιαζε με πάπια, αλλά έπρεπε να βεβαιωθούμε ότι κολυμπάει σαν πάπια και σαν πάπια.

Όλα τα αποτελέσματα από τα πειράματα ATLAS και CMS στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (καθώς και στον Επιταχυντή Tevatron του Εργαστηρίου Fermi) μετά τις 4 Ιουλίου 2012 έδειξαν αξιοσημείωτη συμφωνία με τις αναμενόμενες αναλογίες διακλάδωσης για τους πέντε τρόπους διάσπασης που συζητήθηκαν παραπάνω και συμφωνία με την αναμενόμενη περιστροφή (ίσο με μηδέν) και ισοτιμία (ίση με +1), που είναι οι βασικοί κβαντικοί αριθμοί.

Αυτές οι παράμετροι είναι απαραίτητες για τον προσδιορισμό του εάν ένα νέο σωματίδιο είναι πραγματικά ένα μποζόνιο Higgs ή κάποιο άλλο απροσδόκητο σωματίδιο. Έτσι, όλα τα διαθέσιμα στοιχεία δείχνουν το μποζόνιο Higgs από το Καθιερωμένο Μοντέλο.

Κάποιοι φυσικοί το θεώρησαν απογοήτευση! Εάν το νέο σωματίδιο είναι το μποζόνιο Higgs από το Καθιερωμένο Μοντέλο, τότε το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι ουσιαστικά πλήρες. Το μόνο που μπορεί να γίνει τώρα είναι να γίνονται μετρήσεις με αυξανόμενη ακρίβεια όσων έχουν ήδη ανακαλυφθεί.

Αλλά αν το νέο σωματίδιο αποδειχθεί ότι είναι κάτι που δεν έχει προβλεφθεί από το Καθιερωμένο Μοντέλο, τότε θα ανοίξει την πόρτα σε πολλές νέες θεωρίες και ιδέες προς δοκιμή. Τα απροσδόκητα αποτελέσματα απαιτούν πάντα νέες εξηγήσεις και βοηθούν στην προώθηση της θεωρητικής φυσικής.

Από πού προήλθε η μάζα στο σύμπαν;

Στη συνηθισμένη ύλη, το μεγαλύτερο μέρος της μάζας περιέχεται σε άτομα ή, για να είμαστε πιο ακριβείς, περιέχεται στον πυρήνα, που αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια.

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται από τρία κουάρκ που αποκτούν τη μάζα τους αλληλεπιδρώντας με το πεδίο Higgs.

ΑΛΛΑ… οι μάζες των κουάρκ συμβάλλουν περίπου 10 MeV, που είναι περίπου το 1% της μάζας του πρωτονίου και του νετρονίου. Από πού λοιπόν προέρχεται η υπόλοιπη μάζα;

Αποδεικνύεται ότι η μάζα ενός πρωτονίου προκύπτει λόγω της κινητικής ενέργειας των κουάρκ που το αποτελούν. Όπως σίγουρα γνωρίζετε, η μάζα και η ενέργεια σχετίζονται με E=mc 2 .

Έτσι μόνο ένα μικρό μέρος της μάζας της συνηθισμένης ύλης στο σύμπαν ανήκει στον μηχανισμό Higgs. Ωστόσο, όπως θα δούμε στην επόμενη ενότητα, το σύμπαν θα ήταν εντελώς ακατοίκητο χωρίς τη μάζα Higgs και δεν θα υπήρχε κανείς που να ανακαλύψει τον μηχανισμό Higgs!

Αν δεν υπήρχε πεδίο Higgs;

Αν δεν υπήρχε το πεδίο Higgs, πώς θα ήταν το σύμπαν;

Δεν είναι τόσο προφανές.

Σίγουρα, τίποτα δεν θα δέσμευε τα ηλεκτρόνια στα άτομα. Θα πετούσαν με την ταχύτητα του φωτός.

Αλλά τα κουάρκ δεσμεύονται από μια ισχυρή αλληλεπίδραση και δεν μπορούν να υπάρχουν σε ελεύθερη μορφή. Κάποιες δεσμευμένες καταστάσεις κουάρκ μπορεί να έχουν επιβιώσει, αλλά δεν είναι ξεκάθαρο για τα πρωτόνια και τα νετρόνια.

Μάλλον όλα θα ήταν πυρηνική ύλη. Και ίσως όλα κατέρρευσαν ως αποτέλεσμα της βαρύτητας.

Γεγονός για το οποίο είμαστε απολύτως βέβαιοι: το Σύμπαν θα ήταν κρύο, σκοτεινό και άψυχο.
Έτσι το μποζόνιο Higgs μας σώζει από ένα κρύο, σκοτεινό, άψυχο σύμπαν όπου δεν υπάρχουν άνθρωποι για να ανακαλύψουν το μποζόνιο Higgs.

Είναι το μποζόνιο Χιγκς ένα μποζόνιο τυπικού μοντέλου;

Γνωρίζουμε με βεβαιότητα ότι το σωματίδιο που ανακαλύψαμε είναι το μποζόνιο Higgs. Γνωρίζουμε επίσης ότι μοιάζει πολύ με το μποζόνιο Higgs από το Καθιερωμένο Μοντέλο. Υπάρχουν όμως δύο σημεία που δεν έχουν ακόμη αποδειχθεί:

1. Παρά το γεγονός ότι το μποζόνιο Χιγκς προέρχεται από το Καθιερωμένο Μοντέλο, υπάρχουν μικρές αποκλίσεις που υποδηλώνουν την ύπαρξη μιας νέας φυσικής (τώρα άγνωστης).
2. Υπάρχουν περισσότερα από ένα μποζόνια Higgs, με διαφορετικές μάζες. Υποδηλώνει επίσης ότι θα υπάρξουν νέες θεωρίες προς διερεύνηση.

Μόνο ο χρόνος και τα νέα δεδομένα θα αποκαλύψουν είτε την καθαρότητα του Καθιερωμένου Μοντέλου και του μποζονίου του, είτε συναρπαστικές νέες φυσικές θεωρίες.

Ακαδημαϊκός Valery Rubakov, Ινστιτούτο Πυρηνικής Έρευνας της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών και Κρατικό Πανεπιστήμιο της Μόσχας.

Στις 4 Ιουλίου 2012 έλαβε χώρα ένα γεγονός εξαιρετικής σημασίας για τη φυσική: σε σεμινάριο στο CERN (Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικής Έρευνας), ανακοινώθηκε η ανακάλυψη ενός νέου σωματιδίου, το οποίο, όπως δηλώνουν προσεκτικά οι συντάκτες της ανακάλυψης, αντιστοιχεί στις ιδιότητές του στο θεωρητικά προβλεπόμενο στοιχειώδες μποζόνιο του Καθιερωμένου Μοντέλου των στοιχειωδών σωματιδίων της φυσικής. Συνήθως ονομάζεται μποζόνιο Higgs, αν και αυτό το όνομα δεν είναι αρκετά επαρκές. Όπως και να έχει, μιλάμε για την ανακάλυψη ενός από τα κύρια αντικείμενα της θεμελιώδους φυσικής, το οποίο δεν έχει ανάλογα μεταξύ των γνωστών στοιχειωδών σωματιδίων και κατέχει μια μοναδική θέση στη φυσική εικόνα του κόσμου (βλ. "Επιστήμη και Ζωή" Αρ. 1, 1996, άρθρο "Το Boson Higgs είναι απαραίτητο!").

Ο ανιχνευτής LHC-B έχει σχεδιαστεί για να μελετά τις ιδιότητες των Β-μεσονίων - αδρονίων που περιέχουν β-κουάρκ. Αυτά τα σωματίδια γρήγορα διασπώνται, έχοντας καταφέρει να πετάξουν μακριά από τη δέσμη των σωματιδίων μόνο κατά κλάσματα του χιλιοστού. Φωτογραφία: Maximilien Brice, CERN.

Στοιχειώδη σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου. Σχεδόν όλα έχουν τα δικά τους αντισωματίδια, τα οποία συμβολίζονται με ένα σύμβολο με μια περισπίδα στην κορυφή.

Αλληλεπιδράσεις στον μικρόκοσμο. Η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση συμβαίνει λόγω της εκπομπής και της απορρόφησης φωτονίων (α). Οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις είναι παρόμοιας φύσης: οφείλονται στην εκπομπή, απορρόφηση ή διάσπαση των μποζονίων Ζ (b) ή των μποζονίων W (c).

Το μποζόνιο Higgs H (σπιν 0) διασπάται σε δύο φωτόνια (σπιν 1) των οποίων τα σπιν είναι αντιπαράλληλα και το άθροισμα είναι 0.

Όταν ένα φωτόνιο εκπέμπεται ή ένα μποζόνιο Ζ εκπέμπεται από ένα γρήγορο ηλεκτρόνιο, η προβολή του σπιν του στην κατεύθυνση της κίνησης δεν αλλάζει. Το στρογγυλό βέλος δείχνει την εσωτερική περιστροφή του ηλεκτρονίου.

Σε ένα ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο, ένα ηλεκτρόνιο κινείται σε ευθεία γραμμή κατά μήκος του πεδίου και σε μια σπείρα προς οποιαδήποτε άλλη κατεύθυνση.

Ένα φωτόνιο μεγάλου μήκους κύματος και, επομένως, χαμηλής ενέργειας δεν είναι σε θέση να επιλύσει τη δομή του π-μεσονίου - ενός ζεύγους κουάρκ-αντικουάρκ.

Σωματίδια που επιταχύνθηκαν στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων σε τεράστιες ενέργειες συγκρούονται, προκαλώντας πολλά δευτερεύοντα σωματίδια - προϊόντα αντίδρασης. Μεταξύ αυτών ήταν η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, το οποίο οι φυσικοί ήλπιζαν να βρουν για σχεδόν μισό αιώνα.

Ο Άγγλος φυσικός Peter V. Higgs απέδειξε στις αρχές της δεκαετίας του 1960 ότι το Καθιερωμένο Μοντέλο των στοιχειωδών σωματιδίων πρέπει να έχει ένα ακόμη μποζόνιο - ένα κβάντο πεδίου που δημιουργεί μάζα στην ύλη.

Τι συνέβη στο σεμινάριο και πριν από αυτό

Η ανακοίνωση του σεμιναρίου έγινε στα τέλη Ιουνίου και αμέσως φάνηκε ότι θα ήταν έκτακτο. Γεγονός είναι ότι οι πρώτες ενδείξεις για την ύπαρξη ενός νέου μποζονίου ελήφθησαν τον Δεκέμβριο του 2011 στα πειράματα ATLAS και CMS που πραγματοποιήθηκαν στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC - Large Hadron Collider) στο CERN. Επιπλέον, λίγο πριν το σεμινάριο, εμφανίστηκε ένα μήνυμα ότι τα πειραματικά δεδομένα στον επιταχυντή πρωτονίων-αντιπρωτονίων Tevatron (Fermilab, ΗΠΑ) υποδηλώνουν επίσης την ύπαρξη ενός νέου μποζονίου. Όλα αυτά δεν ήταν ακόμα αρκετά για να μιλήσουμε για την ανακάλυψη. Αλλά από τον Δεκέμβριο, ο όγκος των δεδομένων που συλλέγονται στο LHC έχει διπλασιαστεί και οι μέθοδοι επεξεργασίας τους έχουν γίνει πιο εξελιγμένες. Το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακό: σε κάθε ένα από τα πειράματα ATLAS και CMS ξεχωριστά, η στατιστική σημασία του σήματος έφτασε σε μια τιμή που θεωρείται το επίπεδο ανακάλυψης στη φυσική των σωματιδίων (πέντε τυπικές αποκλίσεις).

Το σεμινάριο διεξήχθη σε εορταστικό κλίμα. Εκτός από ερευνητές που εργάζονται στο CERN και φοιτητές που συμμετείχαν σε καλοκαιρινά προγράμματα εκεί, το «επισκέφτηκαν» μέσω Διαδικτύου συμμετέχοντες στο μεγαλύτερο συνέδριο για τη φυσική υψηλής ενέργειας, που άνοιξε την ίδια μέρα στη Μελβούρνη. Το σεμινάριο μεταδόθηκε μέσω Διαδικτύου σε ερευνητικά κέντρα και πανεπιστήμια σε όλο τον κόσμο, συμπεριλαμβανομένης, φυσικά, της Ρωσίας. Μετά από εντυπωσιακές ομιλίες από τους συνεργάτες του CMS Joe Incandela και τους συνεργάτες του ATLAS Fabiola Gianotti, ο Διευθύνων Σύμβουλος του CERN Rolf Heuer κατέληξε: "Νομίζω ότι το έχουμε!" («Νομίζω ότι το έχουμε στα χέρια μας!»).

Τι είναι λοιπόν «στα χέρια μας» και γιατί το σκέφτηκαν οι θεωρητικοί;

Τι είναι ένα νέο σωματίδιο

Η ελάχιστη εκδοχή της θεωρίας του μικροκόσμου φέρει το αδέξιο όνομα του Καθιερωμένου Μοντέλου. Περιλαμβάνει όλα τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια (τα παραθέτουμε παρακάτω) και όλες τις γνωστές αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους. Η βαρυτική αλληλεπίδραση ξεχωρίζει: δεν εξαρτάται από τους τύπους των στοιχειωδών σωματιδίων, αλλά περιγράφεται από τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Το μποζόνιο Higgs ήταν το μόνο στοιχείο του Καθιερωμένου Μοντέλου που δεν ανακαλύφθηκε μέχρι πρόσφατα.

Ονομάσαμε το Καθιερωμένο Μοντέλο ελάχιστο ακριβώς επειδή δεν υπάρχουν άλλα στοιχειώδη σωματίδια σε αυτό. Συγκεκριμένα, έχει ένα, και μόνο ένα, μποζόνιο Higgs, και είναι στοιχειώδες σωματίδιο, όχι σύνθετο (άλλες δυνατότητες θα συζητηθούν παρακάτω). Οι περισσότερες πτυχές του Καθιερωμένου Μοντέλου, με εξαίρεση τον νέο τομέα στον οποίο ανήκει το μποζόνιο Higgs, έχουν επαληθευτεί σε πολυάριθμα πειράματα και το κύριο καθήκον στο πρόγραμμα εργασίας LHC είναι να ανακαλύψει εάν η ελάχιστη εκδοχή της θεωρίας είναι πραγματικά πραγματοποιηθεί στη φύση και πόσο πλήρως περιγράφει τον μικρόκοσμο.

Κατά την εκτέλεση αυτού του προγράμματος, ανακαλύφθηκε ένα νέο σωματίδιο, το οποίο είναι αρκετά βαρύ για τα πρότυπα της φυσικής του μικροκόσμου. Σε αυτόν τον τομέα της επιστήμης, η μάζα μετριέται σε μονάδες ενέργειας, που σημαίνει τη σχέση E = mc 2 μεταξύ μάζας και ενέργειας ηρεμίας. Η μονάδα ενέργειας είναι το βολτ ηλεκτρονίων (eV) - η ενέργεια που αποκτά ένα ηλεκτρόνιο αφού περάσει μια διαφορά δυναμικού 1 βολτ και τα παράγωγά του - MeV (εκατομμύριο, 10 6 eV), GeV (δισεκατομμύρια, 10 9 eV), TeV (τρισεκατομμύρια, 10 12 eV) . Η μάζα ενός ηλεκτρονίου σε αυτές τις μονάδες είναι 0,5 MeV, ένα πρωτόνιο είναι περίπου 1 GeV και το βαρύτερο γνωστό στοιχειώδες σωματίδιο, το t-κουάρκ, είναι 173 GeV. Άρα, η μάζα του νέου σωματιδίου είναι 125-126 GeV (η αβεβαιότητα σχετίζεται με το σφάλμα μέτρησης). Ας ονομάσουμε αυτό το νέο σωματίδιο H.

Δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο, είναι ασταθές και μπορεί να αποσυντεθεί με διάφορους τρόπους. Ανακαλύφθηκε στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων του CERN μελετώντας τις διασπάσεις σε δύο φωτόνια, H → γγ, και σε δύο ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων ή/και μιονίων-αντιμιονίων, H → e + e - e + e - , H → e + e - μ + μ - , H → μ + μ - μ + μ-. Ο δεύτερος τύπος διεργασιών γράφεται ως H → 4ℓ, όπου το ℓ υποδηλώνει ένα από τα σωματίδια e + , e - , μ + ή μ - (ονομάζονται λεπτόνια). Τόσο το CMS όσο και το ATLAS αναφέρουν επίσης κάποια περίσσεια γεγονότων, η οποία μπορεί να εξηγηθεί από τις διασπάσεις H → 2ℓ2ν, όπου το ν είναι ένα νετρίνο. Αυτή η υπέρβαση, ωστόσο, δεν έχει ακόμη υψηλή στατιστική σημασία.

Γενικά, όλα όσα είναι πλέον γνωστά για το νέο σωματίδιο συνάδουν με την ερμηνεία του ως μποζόνιο Higgs, που προβλέπεται από την απλούστερη εκδοχή της θεωρίας των στοιχειωδών σωματιδίων - το Καθιερωμένο Μοντέλο. Στο πλαίσιο του Καθιερωμένου Μοντέλου, είναι δυνατό να υπολογιστεί τόσο η πιθανότητα παραγωγής του μποζονίου Higgs σε συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων όσο και οι πιθανότητες διάσπασής του και έτσι να προβλεφθεί ο αριθμός των αναμενόμενων γεγονότων. Οι προβλέψεις επιβεβαιώνονται καλά από πειράματα, αλλά, φυσικά, εντός των ορίων των σφαλμάτων. Τα πειραματικά σφάλματα εξακολουθούν να είναι μεγάλα και εξακολουθούν να υπάρχουν πολύ λίγες μετρημένες τιμές. Ωστόσο, είναι δύσκολο να αμφισβητηθεί ότι ήταν το μποζόνιο Higgs ή κάτι πολύ παρόμοιο με αυτό που ανακαλύφθηκε, ειδικά αν σκεφτεί κανείς ότι αυτές οι διασπάσεις πρέπει να είναι πολύ σπάνιες: 2 στα 1000 μποζόνια Higgs διασπώνται σε δύο φωτόνια και 1 στα 10.000 σε 4ℓ .

Σε περισσότερες από τις μισές περιπτώσεις, το μποζόνιο Higgs πρέπει να διασπαστεί σε ένα ζεύγος β-κουάρκ - β-αντικουάρκ: H → bb̃. Η γέννηση του ζεύγους bb̃ σε συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου (και πρωτονίου-αντιπρωτονίου) είναι ένα πολύ συχνό φαινόμενο και χωρίς κανένα μποζόνιο Higgs, και δεν έχει καταστεί ακόμη δυνατό να διαχωριστεί το σήμα από αυτό από αυτόν τον "θόρυβο" (οι φυσικοί λένε - υπόβαθρο) σε πειράματα στο LHC. Αυτό επιτεύχθηκε εν μέρει στον επιταχυντή Tevatron, και παρόλο που η στατιστική σημασία εκεί είναι αισθητά χαμηλότερη, αυτά τα δεδομένα είναι επίσης συνεπή με τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Μοντέλου.

Όλα τα στοιχειώδη σωματίδια έχουν σπιν - εσωτερική γωνιακή ορμή. Το σπιν ενός σωματιδίου μπορεί να είναι ακέραιος (συμπεριλαμβανομένου του μηδέν) ή μισός ακέραιος σε μονάδες της σταθεράς του Planck ћ. Τα σωματίδια με ακέραιο σπιν ονομάζονται μποζόνια, τα σωματίδια με μισό ακέραιο ονομάζονται φερμιόνια. Το σπιν ενός ηλεκτρονίου είναι 1/2, το σπιν ενός φωτονίου είναι 1. Από την ανάλυση των προϊόντων διάσπασης ενός νέου σωματιδίου προκύπτει ότι το σπιν του είναι ακέραιο, δηλαδή είναι μποζόνιο. Από τη διατήρηση της γωνιακής ορμής κατά τη διάσπαση ενός σωματιδίου σε ένα ζεύγος φωτονίων H → γγ προκύπτει ότι το σπιν κάθε φωτονίου είναι ακέραιο. η συνολική γωνιακή ορμή της τελικής κατάστασης (ζεύγος φωτονίων) παραμένει πάντα ανέπαφη. Αυτό σημαίνει ότι η αρχική κατάσταση έχει επίσης μια ακέραια τιμή.

Επιπλέον, δεν ισούται με την ενότητα: ένα σωματίδιο του σπιν 1 δεν μπορεί να διασπαστεί σε δύο φωτόνια με το σπιν 1. Το σπιν 0 παραμένει. 2 ή περισσότερα. Αν και το σπιν του νέου σωματιδίου δεν έχει ακόμη μετρηθεί, είναι εξαιρετικά απίθανο να έχουμε να κάνουμε με ένα σωματίδιο σπιν 2 ή περισσότερο. Είναι σχεδόν βέβαιο ότι το σπιν του Η είναι μηδέν, και όπως θα δούμε, αυτό ακριβώς θα έπρεπε να είναι το μποζόνιο Χιγκς.

Τελειώνοντας την περιγραφή των γνωστών ιδιοτήτων του νέου σωματιδίου, ας πούμε ότι ζει με τα πρότυπα της φυσικής του μικρόκοσμου για αρκετό καιρό. Με βάση πειραματικά δεδομένα, μια χαμηλότερη εκτίμηση της διάρκειας ζωής του δίνει Т H > 10 -24 s, κάτι που δεν έρχεται σε αντίθεση με την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Μοντέλου: Т H = 1,6·10 -22 s. Για σύγκριση: η διάρκεια ζωής του t-κουάρκ T t = 3·10 -25 s. Σημειώστε ότι η άμεση μέτρηση της διάρκειας ζωής ενός νέου σωματιδίου στον LHC είναι σχεδόν αδύνατη.

Γιατί άλλο μποζόνιο;

Στην κβαντική φυσική, κάθε στοιχειώδες σωματίδιο χρησιμεύει ως κβάντο κάποιου πεδίου και αντίστροφα: κάθε πεδίο έχει το δικό του σωματίδιο-κβάντο. το πιο γνωστό παράδειγμα είναι το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο και το κβάντο του, το φωτόνιο. Επομένως, το ερώτημα που τίθεται στον τίτλο μπορεί να αναδιατυπωθεί ως εξής:

Γιατί χρειάζεται το νέο πεδίο και ποιες είναι οι αναμενόμενες ιδιότητες του;

Η σύντομη απάντηση είναι ότι οι συμμετρίες της θεωρίας του μικροκόσμου -είτε είναι το Καθιερωμένο Μοντέλο είτε κάποια πιο περίπλοκη θεωρία- απαγορεύουν στα στοιχειώδη σωματίδια να έχουν μάζα και το νέο πεδίο σπάει αυτές τις συμμετρίες και διασφαλίζει την ύπαρξη μαζών σωματιδίων. Στο Καθιερωμένο Μοντέλο - την απλούστερη εκδοχή της θεωρίας (αλλά μόνο σε αυτό!) - όλες οι ιδιότητες του νέου πεδίου και, κατά συνέπεια, το νέο μποζόνιο, με εξαίρεση τη μάζα του, προβλέπονται αναμφίβολα και πάλι με βάση τη συμμετρία εκτιμήσεις. Όπως είπαμε, τα διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα είναι συνεπή με την απλούστερη εκδοχή της θεωρίας, αλλά αυτά τα δεδομένα εξακολουθούν να είναι αρκετά σπάνια και μένει να γίνει μακρά δουλειά για να διευκρινιστεί πώς ακριβώς είναι δομημένος ο νέος τομέας της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων.

Ας εξετάσουμε, τουλάχιστον σε γενικές γραμμές, τον ρόλο της συμμετρίας στη φυσική του μικροκόσμου.

Συμμετρίες, νόμοι διατήρησης και απαγορεύσεις

Μια κοινή ιδιότητα των φυσικών θεωριών, είτε είναι η Νευτώνεια μηχανική, η μηχανική της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας, η κβαντική μηχανική ή η θεωρία του μικροκόσμου, είναι ότι κάθε συμμετρία έχει τον δικό της νόμο διατήρησης. Για παράδειγμα, οι συμμετρίες ως προς τις μετατοπίσεις στο χρόνο (δηλαδή το γεγονός ότι οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι σε κάθε στιγμή του χρόνου) αντιστοιχούν στο νόμο της διατήρησης της ενέργειας, οι συμμετρίες ως προς τις μετατοπίσεις στο χώρο αντιστοιχούν στο νόμο της διατήρησης της ορμής και των συμμετριών ως προς τις περιστροφές σε αυτήν (όλες οι κατευθύνσεις στο χώρο είναι ίσες) είναι ο νόμος διατήρησης της γωνιακής ορμής. Οι νόμοι διατήρησης μπορούν επίσης να ερμηνευθούν ως απαγορεύσεις: οι αναφερόμενες συμμετρίες απαγορεύουν αλλαγές στην ενέργεια, την ορμή και τη γωνιακή ορμή ενός κλειστού συστήματος κατά την εξέλιξή του.

Και το αντίστροφο: κάθε νόμος διατήρησης έχει τη δική του συμμετρία. αυτή η δήλωση είναι απολύτως ακριβής και στην κβαντική θεωρία. Το ερώτημα είναι: ποια συμμετρία αντιστοιχεί στον νόμο της διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου; Είναι σαφές ότι οι συμμετρίες χώρου και χρόνου, που μόλις αναφέραμε, δεν έχουν καμία σχέση με αυτό. Ωστόσο, εκτός από τις προφανείς, χωροχρονικές συμμετρίες, υπάρχουν και μη εμφανείς, «εσωτερικές» συμμετρίες. Ένα από αυτά οδηγεί στη διατήρηση του ηλεκτρικού φορτίου. Είναι σημαντικό για εμάς ότι αυτή η ίδια εσωτερική συμμετρία (εννοείται μόνο με εκτεταμένη έννοια - οι φυσικοί χρησιμοποιούν τον όρο "αμετάβλητο μετρητή") εξηγεί γιατί το φωτόνιο δεν έχει μάζα. Η απουσία μάζας σε ένα φωτόνιο, με τη σειρά του, σχετίζεται στενά με το γεγονός ότι το φως έχει μόνο δύο τύπους πόλωσης - αριστερά και δεξιά.

Για να εξηγήσουμε τη σύνδεση μεταξύ της παρουσίας μόνο δύο τύπων πόλωσης φωτός και της απουσίας μάζας σε ένα φωτόνιο, ας ξεφύγουμε για λίγο από το να μιλήσουμε για συμμετρίες και ας θυμηθούμε ξανά ότι τα στοιχειώδη σωματίδια χαρακτηρίζονται από σπιν, μισό ακέραιο ή ακέραιο σε μονάδες της σταθεράς του Planck ћ. Τα στοιχειώδη φερμιόνια (σωματίδια σπιν μισού ακέραιου αριθμού) έχουν σπιν 1/2. Αυτά είναι το ηλεκτρόνιο e, το νετρίνο ηλεκτρονίου ν e, τα βαριά ανάλογα του ηλεκτρονίου - το μιόνιο μ και το ταυλεπτόνιο τ, τα νετρίνα τους ν μ και ν τ, τα κουάρκ έξι τύπων u, d, c, s, t, b και τα αντισωματίδια που αντιστοιχούν σε όλα αυτά (το ποζιτρόνιο e + , ηλεκτρονικό αντινετρίνο ν̃ e, αντικουάρκ ũ κ.λπ.). Τα κουάρκ u και d είναι ελαφριά και αποτελούν το πρωτόνιο (η σύνθεση κουάρκ uud) και το νετρόνιο (udd). Τα υπόλοιπα κουάρκ (c, t, s, b) είναι βαρύτερα. αποτελούν μέρος των βραχύβιων σωματιδίων, για παράδειγμα, Κ-μεσόνια.

Τα μποζόνια, σωματίδια ενός ολόκληρου σπιν, περιλαμβάνουν όχι μόνο το φωτόνιο, αλλά και τα απομακρυσμένα αντίστοιχα του - γκλουόνια (σπιν 1). Τα γλουόνια είναι υπεύθυνα για τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κουάρκ και τα δεσμεύουν σε πρωτόνιο, νετρόνιο και άλλα σωματίδια ένωσης. Επιπλέον, υπάρχουν τρία ακόμη σωματίδια σπιν 1 - ηλεκτρικά φορτισμένα μποζόνια W+, W- και ένα ουδέτερο μποζόνιο Ζ, τα οποία θα συζητηθούν παρακάτω. Λοιπόν, το μποζόνιο Higgs, όπως ήδη αναφέρθηκε, πρέπει να έχει μηδενικό σπιν. Τώρα έχουμε παραθέσει όλα τα στοιχειώδη σωματίδια που είναι διαθέσιμα στο Τυπικό μοντέλο.

Ένα τεράστιο σωματίδιο spin s (σε μονάδες ћ) έχει 2s + 1 καταστάσεις με διαφορετικές προβολές σπιν σε έναν δεδομένο άξονα (το σπιν είναι μια εσωτερική γωνιακή ορμή είναι ένα διάνυσμα, επομένως η έννοια της προβολής του σε έναν δεδομένο άξονα έχει τη συνήθη έννοια ). Για παράδειγμα, το σπιν ενός ηλεκτρονίου (s = 1/2) στο πλαίσιο ηρεμίας του μπορεί να κατευθυνθεί, ας πούμε, προς τα πάνω (s 3 = +1/2) ή προς τα κάτω (s 3 = -1/2). Το μποζόνιο Ζ έχει μη μηδενική μάζα και σπιν s = 1, επομένως έχει τρεις καταστάσεις με διαφορετικές προβολές σπιν: s 3 = +1, 0 ή -1. Η κατάσταση είναι αρκετά διαφορετική με τα σωματίδια χωρίς μάζα. Δεδομένου ότι πετούν με την ταχύτητα του φωτός, είναι αδύνατο να πάμε σε ένα πλαίσιο αναφοράς όπου ένα τέτοιο σωματίδιο βρίσκεται σε ηρεμία. Ωστόσο, μπορούμε να μιλήσουμε για την ελίκότητά του - την προβολή του σπιν στην κατεύθυνση της κίνησης. Έτσι, αν και το σπιν ενός φωτονίου είναι ίσο με ένα, υπάρχουν μόνο δύο τέτοιες προβολές - προς την κατεύθυνση της κίνησης και ενάντια σε αυτήν. Αυτή είναι η δεξιά και η αριστερή πόλωση του φωτός (φωτόνια). Η τρίτη κατάσταση με προβολή μηδενικού σπιν, που θα έπρεπε να υπάρχει αν το φωτόνιο είχε μάζα, απαγορεύεται από μια βαθιά εσωτερική συμμετρία ηλεκτροδυναμικής, την ίδια τη συμμετρία που οδηγεί στη διατήρηση του ηλεκτρικού φορτίου. Έτσι, αυτή η εσωτερική συμμετρία απαγορεύει και την ύπαρξη μάζας φωτονίου!

Κάτι είναι λάθος

Μας ενδιαφέρουν, ωστόσο, δεν είναι φωτόνια, αλλά W ± - και Z-μποζόνια. Αυτά τα σωματίδια, που ανακαλύφθηκαν το 1983 στον επιταχυντή πρωτονίου-αντιπρωτονίου Spp̃S στο CERN και είχαν προβλεφθεί πολύ πριν από τους θεωρητικούς, έχουν μάλλον μεγάλη μάζα: τα W ± -μποζόνια έχουν μάζα 80 GeV (περίπου 80 φορές βαρύτερη από ένα πρωτόνιο) και το Ζ -μποζόνιο - 91 GeV. Οι ιδιότητες των μποζονίων W ± - και Z είναι γνωστές κυρίως λόγω των πειραμάτων στους επιταχυντές ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων LEP (CERN) και SLC (SLAC, ΗΠΑ) και στον επιταχυντή πρωτονίων-αντιπρωτονίων Tevatron (Fermilab, ΗΠΑ): η ακρίβεια μέτρησης ενός αριθμού ποσοτήτων που σχετίζονται με W ± - και Z-μποζόνια, καλύτερα από 0,1%. Οι ιδιότητές τους, καθώς και άλλα σωματίδια, περιγράφονται τέλεια από το Καθιερωμένο Μοντέλο. Αυτό ισχύει επίσης για τις αλληλεπιδράσεις των μποζονίων W ± - και Z με ηλεκτρόνια, νετρίνα, κουάρκ και άλλα σωματίδια. Τέτοιες αλληλεπιδράσεις, παρεμπιπτόντως, ονομάζονται αδύναμες. Έχουν μελετηθεί λεπτομερώς. ένα από τα γνωστά παραδείγματα της εκδήλωσής τους είναι η βήτα διάσπαση του μιονίου, του νετρονίου και των πυρήνων.

Όπως αναφέρθηκε ήδη, κάθε ένα από τα μποζόνια W ± - και Z μπορεί να βρίσκεται σε τρεις καταστάσεις σπιν, και όχι σε δύο, όπως ένα φωτόνιο. Ωστόσο, αλληλεπιδρούν με τα φερμιόνια (νετρίνα, κουάρκ, ηλεκτρόνια κ.λπ.) κατ' αρχήν με τον ίδιο τρόπο όπως τα φωτόνια. Για παράδειγμα, ένα φωτόνιο αλληλεπιδρά με το ηλεκτρικό φορτίο ενός ηλεκτρονίου και το ηλεκτρικό ρεύμα που δημιουργείται από το κινούμενο ηλεκτρόνιο. Με τον ίδιο τρόπο, το μποζόνιο Ζ αλληλεπιδρά με ένα ορισμένο φορτίο του ηλεκτρονίου και το ρεύμα που εμφανίζεται όταν το ηλεκτρόνιο κινείται, μόνο αυτό το φορτίο και το ρεύμα είναι μη ηλεκτρικού χαρακτήρα. Μέχρι ένα σημαντικό χαρακτηριστικό, που θα συζητηθεί σύντομα, η αναλογία θα είναι πλήρης εάν, εκτός από το ηλεκτρικό φορτίο, αποδοθεί και φορτίο Ζ στο ηλεκτρόνιο. Και τα κουάρκ και τα νετρίνα έχουν τα φορτία Ζ τους.

Η αναλογία με την ηλεκτροδυναμική επεκτείνεται ακόμη περισσότερο. Όπως η θεωρία των φωτονίων, η θεωρία των μποζονίων W ± - και Z έχει μια βαθιά εσωτερική συμμετρία, κοντά σε αυτήν που οδηγεί στο νόμο της διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου. Σε πλήρη αναλογία με το φωτόνιο, απαγορεύει στα μποζόνια W ± - και Z να έχουν τρίτη πόλωση, άρα και μάζα. Εδώ προκύπτει η απόκλιση: η απαγόρευση συμμετρίας στη μάζα ενός σωματιδίου του σπιν 1 λειτουργεί για ένα φωτόνιο, αλλά όχι για τα μποζόνια W ± - και Ζ!

Περαιτέρω περισσότερα. Ασθενείς αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίων, νετρίνων, κουάρκ και άλλων σωματιδίων με τα μποζόνια W ± - και Z συμβαίνουν σαν αυτά τα φερμιόνια να μην είχαν μάζα! Ο αριθμός των πόλωσης δεν έχει καμία σχέση με αυτό: τόσο τα μαζικά όσο και τα χωρίς μάζα φερμιόνια έχουν δύο πολώσεις (κατευθύνσεις σπιν). Το θέμα είναι ακριβώς πώς αλληλεπιδρούν τα φερμιόνια με τα W ± - και Z-μποζόνια.

Για να διευκρινίσουμε την ουσία του προβλήματος, απενεργοποιούμε πρώτα τη μάζα του ηλεκτρονίου (θεωρητικά αυτό επιτρέπεται) και θεωρούμε έναν φανταστικό κόσμο στον οποίο η μάζα του ηλεκτρονίου είναι μηδέν. Σε έναν τέτοιο κόσμο, ένα ηλεκτρόνιο πετά με την ταχύτητα του φωτός και μπορεί να έχει ένα σπιν στραμμένο είτε προς την κατεύθυνση της κίνησης είτε εναντίον του. Όσο για το φωτόνιο, στην πρώτη περίπτωση είναι λογικό να μιλάμε για ένα ηλεκτρόνιο με τη σωστή πόλωση ή, με λίγα λόγια, για το δεξί ηλεκτρόνιο, στη δεύτερη, για το αριστερό.

Εφόσον γνωρίζουμε καλά πώς είναι διατεταγμένες οι ηλεκτρομαγνητικές και οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις (και μόνο σε αυτές συμμετέχει το ηλεκτρόνιο), είμαστε αρκετά ικανοί να περιγράψουμε τις ιδιότητες του ηλεκτρονίου στον φανταστικό μας κόσμο. Και είναι.

Πρώτον, σε αυτόν τον κόσμο, το δεξί και το αριστερό ηλεκτρόνιο είναι δύο εντελώς διαφορετικά σωματίδια: το δεξί ηλεκτρόνιο δεν μετατρέπεται ποτέ σε αριστερό και το αντίστροφο. Αυτό απαγορεύεται από το νόμο της διατήρησης της γωνιακής ορμής (στην περίπτωση αυτή, σπιν) και οι αλληλεπιδράσεις ενός ηλεκτρονίου με ένα φωτόνιο και ένα μποζόνιο Ζ δεν αλλάζουν την πόλωσή του. Δεύτερον, μόνο το αριστερό ηλεκτρόνιο βιώνει την αλληλεπίδραση ενός ηλεκτρονίου με το W-μποζόνιο, ενώ το δεξί δεν συμμετέχει καθόλου σε αυτήν. Το τρίτο σημαντικό χαρακτηριστικό που αναφέραμε νωρίτερα σε αυτήν την εικόνα είναι ότι τα φορτία Ζ του αριστερού και του δεξιού ηλεκτρονίου είναι διαφορετικά και το αριστερό ηλεκτρόνιο αλληλεπιδρά με το μποζόνιο Ζ πιο έντονα από το δεξί. Το μιόνιο, το ταυλεπτόνιο και τα κουάρκ έχουν παρόμοιες ιδιότητες.

Τονίζουμε ότι σε έναν φανταστικό κόσμο με φερμιόνια χωρίς μάζα, δεν υπάρχει πρόβλημα με το γεγονός ότι το αριστερό και το δεξί ηλεκτρόνιο αλληλεπιδρούν με τα μποζόνια W και Z διαφορετικά και, ειδικότερα, ότι τα «αριστερά» και τα «δεξιά» φορτία Ζ είναι διαφορετικός. Σε αυτόν τον κόσμο, το αριστερό και το δεξί ηλεκτρόνιο είναι διαφορετικά σωματίδια, και αυτό είναι: δεν μας εκπλήσσει, για παράδειγμα, ότι ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο έχουν διαφορετικά ηλεκτρικά φορτία: -1 και 0.

Συμπεριλαμβανομένης της μάζας του ηλεκτρονίου, ερχόμαστε αμέσως σε μια αντίφαση. Ένα γρήγορο ηλεκτρόνιο, του οποίου η ταχύτητα είναι κοντά στην ταχύτητα του φωτός και του οποίου το σπιν στρέφεται ενάντια στην κατεύθυνση της κίνησης, μοιάζει σχεδόν το ίδιο με το αριστερό ηλεκτρόνιο από τον φανταστικό μας κόσμο. Και θα πρέπει να αλληλεπιδρά με τον ίδιο τρόπο. Αν η αλληλεπίδρασή του συνδέεται με το φορτίο Ζ, τότε η τιμή του φορτίου Ζ είναι «αριστερά», ίδια με αυτή του αριστερού ηλεκτρονίου από τον φανταστικό κόσμο. Ωστόσο, η ταχύτητα ενός μαζικού ηλεκτρονίου εξακολουθεί να είναι μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός και είναι πάντα δυνατό να μεταβείτε σε ένα πλαίσιο αναφοράς που κινείται ακόμη πιο γρήγορα. Στο νέο σύστημα, η κατεύθυνση της κίνησης του ηλεκτρονίου θα αλλάξει προς το αντίθετο και η κατεύθυνση του σπιν θα παραμείνει η ίδια.

Η προβολή του σπιν στην κατεύθυνση της κίνησης θα είναι τώρα θετική και ένα τέτοιο ηλεκτρόνιο θα μοιάζει με το δεξί, όχι με το αριστερό. Κατά συνέπεια, το φορτίο Ζ του θα πρέπει να είναι το ίδιο με αυτό του δεξιού ηλεκτρονίου από τον φανταστικό κόσμο. Αλλά αυτό δεν μπορεί να είναι: η τιμή της χρέωσης δεν πρέπει να εξαρτάται από το πλαίσιο αναφοράς. Υπάρχει μια αντίφαση. Τονίζουμε ότι φτάσαμε σε αυτό υποθέτοντας ότι το φορτίο Z διατηρείται. Διαφορετικά, δεν χρειάζεται να μιλήσουμε για τη σημασία του για ένα δεδομένο σωματίδιο.

Αυτή η αντίφαση δείχνει ότι οι συμμετρίες του Καθιερωμένου Μοντέλου (για βεβαιότητα, θα μιλήσουμε γι' αυτό, αν και όλα όσα αναφέρονται ισχύουν για οποιαδήποτε άλλη εκδοχή της θεωρίας) θα πρέπει να απαγορεύουν την ύπαρξη μαζών όχι μόνο για τα μποζόνια W ± - και Z, αλλά επίσης για φερμιόνια. Τι γίνεται όμως με τη συμμετρία;

Δεδομένου ότι θα έπρεπε να έχουν οδηγήσει στη διατήρηση του φορτίου Ζ. Μετρώντας το φορτίο Ζ ενός ηλεκτρονίου, θα μπορούσαμε να πούμε ξεκάθαρα αν αυτό το ηλεκτρόνιο είναι αριστερό ή δεξιό. Και αυτό είναι δυνατό μόνο όταν η μάζα του ηλεκτρονίου είναι μηδέν.

Έτσι, σε έναν κόσμο όπου όλες οι συμμετρίες του Καθιερωμένου Μοντέλου θα πραγματοποιούνταν με τον ίδιο τρόπο όπως στην ηλεκτροδυναμική, όλα τα στοιχειώδη σωματίδια θα είχαν μηδενικές μάζες. Αλλά στον πραγματικό κόσμο, έχουν μάζες, που σημαίνει ότι κάτι πρέπει να συμβεί με τις συμμετρίες του Καθιερωμένου Μοντέλου.

Σπάσιμο συμμετρίας

Μιλώντας για τη σύνδεση της συμμετρίας με τους νόμους και τις απαγορεύσεις διατήρησης, έχουμε χάσει από τα μάτια μας μια περίσταση. Βρίσκεται στο γεγονός ότι οι νόμοι διατήρησης και οι απαγορεύσεις συμμετρίας ικανοποιούνται μόνο όταν η συμμετρία είναι ρητά παρούσα. Ωστόσο, οι συμμετρίες μπορούν επίσης να σπάσουν. Για παράδειγμα, σε ένα ομοιογενές δείγμα σιδήρου σε θερμοκρασία δωματίου, μπορεί να υπάρχει μαγνητικό πεδίο κατευθυνόμενο προς μία κατεύθυνση. τότε το δείγμα είναι μαγνήτης. Εάν ζούσαν μικροσκοπικά όντα μέσα σε αυτό, θα διαπίστωναν ότι δεν είναι όλες οι κατευθύνσεις του χώρου ίσες. Ένα ηλεκτρόνιο που πετά πάνω από το μαγνητικό πεδίο επηρεάζεται από τη δύναμη Lorentz από το μαγνητικό πεδίο, ενώ ένα ηλεκτρόνιο που πετά κατά μήκος του δεν επηρεάζεται από τη δύναμη. Ένα ηλεκτρόνιο κινείται κατά μήκος ενός μαγνητικού πεδίου σε ευθεία γραμμή, κατά μήκος του πεδίου σε κύκλο και στη γενική περίπτωση - σε μια σπείρα. Επομένως, το μαγνητικό πεδίο μέσα στο δείγμα σπάει τη συμμετρία ως προς τις περιστροφές στο χώρο. Από αυτή την άποψη, ο νόμος της διατήρησης της γωνιακής ορμής δεν εκπληρώνεται επίσης μέσα στον μαγνήτη: όταν ένα ηλεκτρόνιο κινείται σε μια σπείρα, η προβολή της γωνιακής ορμής στον άξονα που είναι κάθετος στο μαγνητικό πεδίο αλλάζει με το χρόνο.

Εδώ έχουμε να κάνουμε με αυθόρμητο σπάσιμο συμμετρίας. Ελλείψει εξωτερικών επιρροών (για παράδειγμα, το μαγνητικό πεδίο της Γης), σε διαφορετικά δείγματα σιδήρου, το μαγνητικό πεδίο μπορεί να κατευθυνθεί σε διαφορετικές κατευθύνσεις και καμία από αυτές τις κατευθύνσεις δεν είναι προτιμότερη από την άλλη. Η αρχική συμμετρία σε σχέση με τις περιστροφές εξακολουθεί να υπάρχει και εκδηλώνεται στο γεγονός ότι το μαγνητικό πεδίο στο δείγμα μπορεί να κατευθυνθεί οπουδήποτε. Αλλά από τη στιγμή που εμφανίστηκε το μαγνητικό πεδίο, εμφανίστηκε μια προτιμώμενη κατεύθυνση και η συμμετρία μέσα στον μαγνήτη αποδείχθηκε ότι είχε σπάσει. Σε πιο επίσημο επίπεδο, οι εξισώσεις που διέπουν την αλληλεπίδραση των ατόμων σιδήρου μεταξύ τους και με ένα μαγνητικό πεδίο είναι συμμετρικές ως προς τις περιστροφές στο χώρο, αλλά η κατάσταση του συστήματος αυτών των ατόμων - ένα δείγμα σιδήρου - δεν είναι συμμετρική. Αυτό είναι το φαινόμενο της αυθόρμητης διάρρηξης της συμμετρίας. Σημειώστε ότι εδώ μιλάμε για την πιο ευνοϊκή κατάσταση, η οποία έχει τη χαμηλότερη ενέργεια. αυτή η κατάσταση ονομάζεται κύρια κατάσταση. Εδώ θα καταλήξει τελικά το δείγμα σιδήρου, ακόμα κι αν αρχικά δεν ήταν μαγνητισμένο.

Έτσι, η αυθόρμητη διακοπή κάποιας συμμετρίας λαμβάνει χώρα όταν οι εξισώσεις της θεωρίας είναι συμμετρικές, αλλά η θεμελιώδης κατάσταση δεν είναι. Η λέξη "αυθόρμητο" χρησιμοποιείται σε αυτή την περίπτωση λόγω του γεγονότος ότι το ίδιο το σύστημα, χωρίς τη συμμετοχή μας, επιλέγει μια ασύμμετρη κατάσταση, αφού αυτή η κατάσταση είναι που είναι ενεργειακά πιο ωφέλιμη. Από το παραπάνω παράδειγμα, είναι σαφές ότι εάν η συμμετρία σπάσει αυθόρμητα, τότε οι νόμοι διατήρησης και οι απαγορεύσεις που προκύπτουν από αυτήν δεν λειτουργούν. στο παράδειγμά μας, αυτό αναφέρεται στη διατήρηση της γωνιακής ορμής. Τονίζουμε ότι η πλήρης συμμετρία της θεωρίας μπορεί να σπάσει μόνο εν μέρει: στο παράδειγμά μας, από την πλήρη συμμετρία ως προς όλες τις περιστροφές στο χώρο, η συμμετρία ως προς τις περιστροφές γύρω από την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου παραμένει ρητή, αδιάσπαστη.

Τα μικροσκοπικά πλάσματα που ζουν μέσα σε έναν μαγνήτη μπορεί να αναρωτηθούν: "Στον κόσμο μας, δεν είναι όλες οι κατευθύνσεις ίσες, η γωνιακή ορμή δεν διατηρείται, αλλά είναι πραγματικά ασύμμετρος ο χώρος ως προς τις περιστροφές;" Έχοντας μελετήσει την κίνηση των ηλεκτρονίων και χτίσει την αντίστοιχη θεωρία (σε αυτήν την περίπτωση, ηλεκτροδυναμική), θα καταλάβαιναν ότι η απάντηση σε αυτό το ερώτημα είναι αρνητική: οι εξισώσεις της είναι συμμετρικές, αλλά αυτή η συμμετρία σπάει αυθόρμητα λόγω του μαγνητικού πεδίου που «χυθεί». παντού. Αναπτύσσοντας περαιτέρω τη θεωρία, θα πρόβλεψαν ότι το πεδίο που είναι υπεύθυνο για την αυθόρμητη διάρρηξη της συμμετρίας πρέπει να έχει τα δικά του κβάντα, φωτόνια. Και, έχοντας κατασκευάσει έναν μικρό επιταχυντή μέσα στον μαγνήτη, θα ήταν ευτυχείς να πειστούν ότι αυτά τα κβάντα υπάρχουν πραγματικά - γεννιούνται σε συγκρούσεις ηλεκτρονίων!

Σε γενικές γραμμές, η κατάσταση στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων είναι παρόμοια με αυτή που περιγράφεται. Υπάρχουν όμως και σημαντικές διαφορές. Πρώτον, δεν χρειάζεται να μιλήσουμε για οποιοδήποτε μέσο όπως ένα κρυσταλλικό πλέγμα ατόμων σιδήρου. Στη φύση, η χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση είναι το κενό (εξ ορισμού!). Αυτό δεν σημαίνει ότι σε ένα κενό, τη βασική κατάσταση της φύσης, δεν μπορούν να υπάρχουν ομοιόμορφα «διάχυτα» πεδία, όπως το μαγνητικό πεδίο στο παράδειγμά μας. Αντίθετα, οι ασυνέπειες για τις οποίες μιλήσαμε δείχνουν ότι οι συμμετρίες του Καθιερωμένου Μοντέλου (ακριβέστερα, μέρος τους) πρέπει να σπάσουν αυθόρμητα, και αυτό υποδηλώνει ότι υπάρχει κάποιο είδος πεδίου στο κενό που διασφαλίζει αυτή την παραβίαση. Δεύτερον, δεν μιλάμε για χωροχρόνο, όπως στο παράδειγμά μας, αλλά για εσωτερικές συμμετρίες. Οι χωροχρονικές συμμετρίες, αντίθετα, δεν πρέπει να παραβιάζονται λόγω της παρουσίας πεδίου στο κενό. Από αυτό προκύπτει ένα σημαντικό συμπέρασμα: σε αντίθεση με το μαγνητικό πεδίο, αυτό το πεδίο δεν πρέπει να ξεχωρίζει καμία κατεύθυνση στο χώρο (ακριβέστερα στον χωροχρόνο, αφού έχουμε να κάνουμε με σχετικιστική φυσική). Τα πεδία με αυτήν την ιδιότητα ονομάζονται βαθμωτές. αντιστοιχούν σε σωματίδια του σπιν 0. Επομένως, το πεδίο που «χυθεί» στο κενό και οδηγεί σε σπάσιμο της συμμετρίας πρέπει να είναι μέχρι στιγμής άγνωστο, νέο. Πράγματι, τα γνωστά πεδία που αναφέραμε ρητά ή σιωπηρά παραπάνω - το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, τα πεδία των μποζονίων W ± - και Z, γκλουόνια - αντιστοιχούν σε σωματίδια του σπιν 1. Τέτοια πεδία διακρίνουν τις κατευθύνσεις στο χωροχρόνο και ονομάζονται διανύσματα, και χρειαζόμαστε έναν βαθμωτό πεδίου. Τα πεδία που αντιστοιχούν σε φερμιόνια (σπιν 1/2) επίσης δεν είναι καλά. Τρίτον, το νέο πεδίο δεν πρέπει να σπάσει εντελώς τις συμμετρίες του Καθιερωμένου Μοντέλου, η εσωτερική συμμετρία της ηλεκτροδυναμικής πρέπει να παραμείνει αδιάσπαστη. Τέλος, και το πιο σημαντικό, η αλληλεπίδραση του νέου πεδίου, «χυμένου» στο κενό, με τα μποζόνια W ± - και Z, τα ηλεκτρόνια και άλλα φερμιόνια θα πρέπει να οδηγήσει στην εμφάνιση μαζών για αυτά τα σωματίδια.

Ο μηχανισμός για τη δημιουργία μαζών σωματιδίων με σπιν 1 (στη φύση, αυτά είναι W ± - και Z-μποζόνια) λόγω αυθόρμητης θραύσης συμμετρίας προτάθηκε στο πλαίσιο της φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων από τους θεωρητικούς από τις Βρυξέλλες Francois Engler και Robert Braut το 1964 και λίγο αργότερα από τον φυσικό από το Εδιμβούργο Peter Higgs .

Οι ερευνητές βασίστηκαν στην έννοια της αυθόρμητης διακοπής της συμμετρίας (αλλά σε θεωρίες χωρίς διανυσματικά πεδία, δηλαδή χωρίς σωματίδια του σπιν 1), η οποία εισήχθη το 1960-1961 στα έργα του Y. Nambu, αυτός, μαζί με τον J. Jona -Lasinio, V. G. Wax και A. I. Larkin, J. Goldstone (Ο Yoichiro Nambu έλαβε το βραβείο Νόμπελ το 2008 για αυτό το έργο). Σε αντίθεση με τους προηγούμενους συγγραφείς, οι Engler, Brout και Higgs θεώρησαν μια θεωρία (εκείνη την εποχή εικαστική) στην οποία υπάρχει και ένα βαθμωτό (spin 0) και ένα διανυσματικό πεδίο (spin 1). Αυτή η θεωρία έχει μια εσωτερική συμμετρία, αρκετά ανάλογη με τη συμμετρία της ηλεκτροδυναμικής, η οποία οδηγεί στη διατήρηση του ηλεκτρικού φορτίου και στην απαγόρευση της μάζας του φωτονίου. Αλλά σε αντίθεση με την ηλεκτροδυναμική, η εσωτερική συμμετρία σπάει αυθόρμητα από ένα ομοιόμορφο βαθμωτό πεδίο που υπάρχει στο κενό. Το αξιοσημείωτο αποτέλεσμα των Engler, Braut και Higgs ήταν η απόδειξη του γεγονότος ότι αυτό το σπάσιμο της συμμετρίας συνεπάγεται αυτόματα την εμφάνιση μάζας για ένα σωματίδιο του σπιν 1 - ένα κβάντο ενός διανυσματικού πεδίου!

Μια μάλλον απλή γενίκευση του μηχανισμού Engler-Braut-Higgs, που συνδέεται με τη συμπερίληψη φερμιονίων και την αλληλεπίδρασή τους με ένα βαθμωτό πεδίο που σπάει τη συμμετρία στη θεωρία, οδηγεί στην εμφάνιση μάζας και στα φερμιόνια. Όλα αρχίζουν να μπαίνουν στη θέση τους! Το Καθιερωμένο Μοντέλο λαμβάνεται ως περαιτέρω γενίκευση. Τώρα δεν έχει ένα, αλλά πολλά διανυσματικά πεδία - ένα φωτόνιο, W ± - και Ζ-μποζόνια (τα γκλουόνια είναι μια ξεχωριστή ιστορία, δεν έχουν καμία σχέση με τον μηχανισμό Engler-Braut-Higgs) και διαφορετικούς τύπους φερμιονίων. Το τελευταίο βήμα είναι στην πραγματικότητα αρκετά μη τετριμμένο. Ο Steven Weinberg, ο Sheldon Glashow και ο Abdus Salam έλαβαν το βραβείο Νόμπελ το 1979 για τη διατύπωση μιας ολοκληρωμένης θεωρίας των αδύναμων και ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων.

Ας πάμε πίσω στο 1964. Για να αναλύσουν τη θεωρία τους, οι Engler και Braut χρησιμοποίησαν μια μάλλον φανταστική προσέγγιση σύμφωνα με τα σημερινά πρότυπα. Ίσως αυτός είναι ο λόγος που δεν παρατήρησαν ότι, μαζί με το τεράστιο σωματίδιο του σπιν 1, η θεωρία προβλέπει την ύπαρξη ενός άλλου σωματιδίου - του μποζονίου με σπιν 0. Όμως ο Χιγκς παρατήρησε, και τώρα αυτό το νέο σωματίδιο χωρίς περιστροφή ονομάζεται συχνά μποζόνιο Χιγκς . Όπως αναφέρθηκε ήδη, αυτή η ορολογία δεν είναι απολύτως σωστή: οι Engler και Braut ήταν οι πρώτοι που πρότειναν τη χρήση ενός βαθμωτού πεδίου για αυθόρμητη διάρρηξη συμμετρίας και μαζική δημιουργία σωματιδίων του σπιν 1. Χωρίς να μπούμε σε περισσότερη ορολογία, τονίζουμε ότι το νέο μποζόνιο με μηδενικό σπιν χρησιμεύει ως ένα κβάντο του πολύ βαθμωτού πεδίου που σπάει τη συμμετρία. Και αυτή είναι η μοναδικότητά του.

Εδώ χρειάζεται να γίνει μια διευκρίνιση. Επαναλαμβάνουμε ότι αν δεν υπήρχε αυθόρμητο σπάσιμο της συμμετρίας, τότε τα μποζόνια W ± - και Z θα ήταν χωρίς μάζα. Καθένα από τα τρία μποζόνια W + , W - , Z θα είχε, σαν φωτόνιο, δύο πολώσεις. Συνολικά, θεωρώντας άνισα σωματίδια με διαφορετικές πολώσεις, θα είχαμε 2 × 3 = 6 τύπους W ± - και Z-μποζονίων. Στο Καθιερωμένο Μοντέλο, τα μποζόνια W ± - και Z είναι μαζικά, καθένα από αυτά έχει τρεις καταστάσεις σπιν, δηλαδή τρεις πολώσεις, συνολικά 3 × 3 = 9 τύποι σωματιδίων - κβάντα πεδίων W ± , Z. Η ερώτηση είναι, όπου οι τρεις "επιπλέον" τύποι κβάντα; Το γεγονός είναι ότι το Καθιερωμένο Μοντέλο πρέπει να έχει όχι ένα, αλλά τέσσερα βαθμωτά πεδία Engler-Braut-Higgs. Το κβάντο ενός από αυτά είναι το μποζόνιο Higgs. Και τα κβάντα των άλλων τριών, ως αποτέλεσμα της αυθόρμητης διακοπής της συμμετρίας, απλώς μετατρέπονται σε τρία «επιπλέον» κβάντα, τα οποία είναι διαθέσιμα για τεράστια W ± - και Z-μποζόνια. Έχουν βρεθεί εδώ και πολύ καιρό, εφόσον είναι γνωστό ότι τα μποζόνια W ± - και Z έχουν μάζα: τρεις "επιπλέον" καταστάσεις σπιν των μποζονίων W + -, W - και Z - αυτό είναι.

Αυτή η αριθμητική, παρεμπιπτόντως, συνάδει με το γεγονός ότι και τα τέσσερα πεδία Engler-Braut-Higgs είναι βαθμωτά, τα κβάντα τους έχουν μηδενικό σπιν. Τα χωρίς μάζα W ± - και Z-μποζόνια θα έχουν προβολές σπιν στην κατεύθυνση της κίνησης ίση με -1 και +1. Για τα ογκώδη W ± - και Z-μποζόνια, αυτές οι προβολές λαμβάνουν τις τιμές -1, 0 και +1, δηλαδή τα "επιπλέον" κβάντα έχουν μηδενική προβολή. Τα τρία πεδία Engler-Braut-Higgs από τα οποία προέρχονται αυτά τα «επιπλέον» κβάντα έχουν επίσης μηδενική προβολή σπιν στην κατεύθυνση της κίνησης, απλώς και μόνο επειδή το διάνυσμα σπιν τους είναι μηδέν. Όλα συγκλίνουν.

Έτσι, το μποζόνιο Higgs είναι ένα κβάντο ενός από τα τέσσερα βαθμωτά πεδία Engler-Brout-Higgs στο Καθιερωμένο Μοντέλο. Τα άλλα τρία τρώγονται (επιστημονικός όρος!) από τα μποζόνια W ± - και Z, μετατρέποντάς τους στην τρίτη, κατάσταση σπιν που λείπει.

Είναι πραγματικά απαραίτητο ένα νέο μποζόνιο;

Το πιο εκπληκτικό σε αυτήν την ιστορία είναι ότι σήμερα καταλαβαίνουμε ότι ο μηχανισμός Engler-Braut-Higgs δεν είναι σε καμία περίπτωση ο μόνος πιθανός μηχανισμός διάρρηξης συμμετρίας στη φυσική του μικροκόσμου και τη δημιουργία μαζών στοιχειωδών σωματιδίων και του μποζονίου Higgs μπορεί να μην υπάρχει. Για παράδειγμα, στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης (υγρά, στερεά) υπάρχουν πολλά παραδείγματα αυθόρμητης διακοπής συμμετρίας και ποικίλοι μηχανισμοί για αυτό το σπάσιμο. Και στις περισσότερες περιπτώσεις, δεν υπάρχει τίποτα σαν το μποζόνιο Higgs σε αυτά.

Το πλησιέστερο ανάλογο στερεάς κατάστασης της αυθόρμητης διακοπής συμμετρίας του Καθιερωμένου Μοντέλου στο κενό είναι το αυθόρμητο σπάσιμο της εσωτερικής συμμετρίας της ηλεκτροδυναμικής στον όγκο ενός υπεραγωγού. Οδηγεί στο γεγονός ότι σε έναν υπεραγωγό, ένα φωτόνιο με μια ορισμένη έννοια έχει μάζα (όπως W ± - και Z-μποζόνια στο κενό). Αυτό εκδηλώνεται στο φαινόμενο Meissner - ωθώντας το μαγνητικό πεδίο έξω από τον υπεραγωγό. Το φωτόνιο «δεν θέλει» να διεισδύσει μέσα στον υπεραγωγό, όπου γίνεται μαζικό: είναι «σκληρό» γι 'αυτό εκεί, ενεργειακά δυσμενές να είναι εκεί (θυμηθείτε: E = mc 2). Το μαγνητικό πεδίο, το οποίο μπορεί κάπως συμβατικά να θεωρηθεί ένα σύνολο φωτονίων, έχει την ίδια ιδιότητα: δεν διαπερνά τον υπεραγωγό. Αυτό είναι το φαινόμενο Meissner.

Η αποτελεσματική θεωρία Ginzburg-Landau της υπεραγωγιμότητας είναι εξαιρετικά παρόμοια με τη θεωρία Engler-Braut-Higgs (ακριβέστερα, αντίθετα: η θεωρία Ginzburg-Landau είναι 14 χρόνια παλαιότερη). Έχει επίσης ένα βαθμωτό πεδίο, το οποίο «χύνεται» ομοιόμορφα πάνω από τον υπεραγωγό και οδηγεί σε αυθόρμητο σπάσιμο της συμμετρίας. Ωστόσο, δεν είναι τυχαίο που η θεωρία Ginzburg-Landau ονομάζεται αποτελεσματική: συλλαμβάνει, μεταφορικά μιλώντας, την εξωτερική πλευρά του φαινομένου, αλλά είναι εντελώς ανεπαρκής για την κατανόηση των θεμελιωδών, μικροσκοπικών αιτιών της υπεραγωγιμότητας. Στην πραγματικότητα, δεν υπάρχει βαθμωτό πεδίο σε έναν υπεραγωγό, έχει ηλεκτρόνια και ένα κρυσταλλικό πλέγμα και η υπεραγωγιμότητα οφείλεται στις ειδικές ιδιότητες της θεμελιώδους κατάστασης του συστήματος ηλεκτρονίων που προκύπτουν λόγω της αλληλεπίδρασης μεταξύ τους (βλ. «Επιστήμη και Ζωή" Νο. 2, 2004, άρθρο " ". - Περίπου εκδ.).

Θα μπορούσε να συμβεί παρόμοια εικόνα και στον μικρόκοσμο; Δεν θα αποδεικνύεται ότι δεν υπάρχει κανένα θεμελιώδες βαθμωτό πεδίο «χυμένο» στο κενό, και ότι η αυθόρμητη διακοπή της συμμετρίας προκαλείται από εντελώς διαφορετικούς λόγους; Αν σκεφτούμε καθαρά θεωρητικά και αγνοήσουμε τα πειραματικά δεδομένα, τότε η απάντηση σε αυτό το ερώτημα είναι καταφατική. Ένα καλό παράδειγμα είναι το λεγόμενο μοντέλο technicolor που προτάθηκε το 1979 από τον ήδη αναφερόμενο Steven Weinberg και, ανεξάρτητα, από τον Leonard Susskind.

Δεν έχει ούτε θεμελιώδη βαθμωτά πεδία ούτε το μποζόνιο Χιγκς, αλλά αντί για αυτά υπάρχουν πολλά νέα στοιχειώδη σωματίδια, που μοιάζουν με κουάρκ στις ιδιότητές τους. Είναι η μεταξύ τους αλληλεπίδραση που οδηγεί σε αυθόρμητη διάρρηξη της συμμετρίας και στη δημιουργία μαζών W ± - και Z-μποζονίων. Με τις μάζες των γνωστών φερμιονίων, όπως το ηλεκτρόνιο, η κατάσταση είναι χειρότερη, αλλά αυτό το πρόβλημα μπορεί επίσης να λυθεί περιπλέκοντας τη θεωρία.

Ο προσεκτικός αναγνώστης μπορεί να κάνει την ερώτηση: «Τι γίνεται όμως με τα επιχειρήματα του προηγούμενου κεφαλαίου, τα οποία λένε ότι είναι το βαθμωτό πεδίο που πρέπει να σπάσει τη συμμετρία;» Το κενό εδώ είναι ότι αυτό το βαθμωτό πεδίο μπορεί να είναι σύνθετο, με την έννοια ότι τα σωματίδια-κβάντα που αντιστοιχούν σε αυτό δεν είναι στοιχειώδη, αλλά αποτελούνται από άλλα, «αληθινά» στοιχειώδη σωματίδια.

Ας θυμηθούμε σχετικά τη σχέση κβαντομηχανικής αβεβαιότητας Heisenberg Δх ×Δρ ≥ ћ, όπου Δх και Δρ είναι οι αβεβαιότητες θέσης και ορμής, αντίστοιχα. Μία από τις εκφάνσεις του είναι ότι η δομή σύνθετων αντικειμένων με χαρακτηριστικό εσωτερικό μέγεθος Δx εμφανίζεται μόνο σε διαδικασίες που περιλαμβάνουν σωματίδια με αρκετά υψηλή ροπή р ≥ћ/Δх, και ως εκ τούτου, με αρκετά υψηλές ενέργειες. Εδώ είναι σκόπιμο να θυμηθούμε τον Ράδερφορντ, ο οποίος βομβάρδισε τα άτομα με ηλεκτρόνια υψηλών ενεργειών εκείνη την εποχή και έτσι ανακάλυψε ότι τα άτομα αποτελούνται από πυρήνες και ηλεκτρόνια. Κοιτάζοντας τα άτομα μέσω μικροσκοπίου ακόμη και με την πιο προηγμένη οπτική (δηλαδή, χρησιμοποιώντας φωτόνια - χαμηλής ενέργειας φωτόνια), είναι αδύνατο να βρεθεί ότι τα άτομα είναι σύνθετα και όχι στοιχειώδη σημειακά σωματίδια: δεν υπάρχει αρκετή ανάλυση.

Έτσι, σε χαμηλές ενέργειες, το σύνθετο σωματίδιο μοιάζει με στοιχειώδες. Για να περιγράψουμε αποτελεσματικά τέτοια σωματίδια σε χαμηλές ενέργειες, μπορούν να θεωρηθούν ως κβάντα ενός συγκεκριμένου πεδίου. Εάν το σπιν του σύνθετου σωματιδίου είναι μηδέν, τότε αυτό το πεδίο είναι βαθμωτό.

Μια παρόμοια κατάσταση παρατηρείται, για παράδειγμα, στη φυσική των μεσονίων π, σωματιδίων με σπιν 0. Μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 1960, δεν ήταν γνωστό ότι αποτελούνται από κουάρκ και αντικουάρκ (η σύνθεση των κουάρκ των π + -, π - - και π 0 μεσόνια είναι αυτά είναι τα ud̃, dũ και ένας συνδυασμός uũ και dd̃ αντίστοιχα).

Στη συνέχεια, τα μεσόνια π περιγράφηκαν με στοιχειώδη βαθμωτά πεδία. Τώρα γνωρίζουμε ότι αυτά τα σωματίδια είναι σύνθετα, αλλά η «παλιά» θεωρία πεδίου των π-μεσονίων παραμένει έγκυρη, αφού εξετάζονται διεργασίες σε χαμηλές ενέργειες. Μόνο σε ενέργειες της τάξης του 1 GeV και άνω αρχίζει να εκδηλώνεται η δομή τους κουάρκ και η θεωρία παύει να λειτουργεί. Η κλίμακα ενέργειας του 1 GeV δεν εμφανίστηκε εδώ τυχαία: είναι η κλίμακα των ισχυρών αλληλεπιδράσεων που συνδέουν τα κουάρκ σε π μεσόνια, πρωτόνια, νετρόνια κ.λπ., είναι η κλίμακα των μαζών των ισχυρά αλληλεπιδρώντων σωματιδίων, όπως το πρωτόνιο . Σημειώστε ότι τα ίδια τα π-μεσόνια ξεχωρίζουν: για έναν λόγο που δεν θα συζητήσουμε εδώ, έχουν πολύ μικρότερες μάζες: m π± = 140 MeV, m π0 = 135 MeV.

Έτσι, τα βαθμωτά πεδία που είναι υπεύθυνα για το αυθόρμητο σπάσιμο της συμμετρίας μπορούν, καταρχήν, να είναι σύνθετα. Αυτή είναι η κατάσταση που προτείνει το μοντέλο technicolor. Σε αυτή την περίπτωση, τρία κβάντα χωρίς περιστροφή, τα οποία τρώγονται από τα μποζόνια W ± - και Z και γίνονται οι καταστάσεις σπιν που λείπουν, έχουν στενή αναλογία με τα π + -, π - - και π 0 -μεσόνια. Μόνο η αντίστοιχη κλίμακα ενέργειας δεν είναι πλέον 1 GeV, αλλά αρκετά TeV. Σε μια τέτοια εικόνα, αναμένεται η ύπαρξη πολλών νέων σύνθετων σωματιδίων - αναλόγων του πρωτονίου, του νετρονίου κ.λπ. - με μάζες της τάξης πολλών TeV. Το σχετικά ελαφρύ μποζόνιο Χιγκς, αντίθετα, απουσιάζει σε αυτό. Ένα άλλο χαρακτηριστικό του μοντέλου είναι ότι τα μποζόνια W ± - και Z σε αυτό είναι εν μέρει σύνθετα σωματίδια, αφού, όπως είπαμε, ορισμένα από τα συστατικά τους είναι παρόμοια με τα π-μεσόνια. Αυτό θα έπρεπε να είχε εκδηλωθεί στις αλληλεπιδράσεις των W ± - και των Z-μποζονίων.

Είναι η τελευταία περίσταση που οδήγησε στο γεγονός ότι το μοντέλο technicolor (τουλάχιστον στην αρχική του διατύπωση) απορρίφθηκε πολύ πριν από την ανακάλυψη ενός νέου μποζονίου: ακριβείς μετρήσεις των ιδιοτήτων των μποζονίων W ± - και Z σε LEP και SLC δεν συμφωνούν με τις προβλέψεις του μοντέλου.

Αυτή η όμορφη θεωρία συντρίφτηκε από πεισματικά πειραματικά γεγονότα και η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs έβαλε τέλος σε αυτήν. Ωστόσο, για μένα, όπως και για πολλούς άλλους θεωρητικούς, η ιδέα των σύνθετων βαθμωτών πεδίων είναι πιο ελκυστική από τη θεωρία Engler-Braut-Higgs με στοιχειώδη βαθμωτά πεδία. Φυσικά, μετά την ανακάλυψη ενός νέου μποζονίου στο CERN, η ιδέα της σύνθεσης βρισκόταν σε ακόμη πιο δύσκολη θέση από πριν: εάν αυτό το σωματίδιο είναι σύνθετο, θα πρέπει να μιμείται το στοιχειώδες μποζόνιο Higgs με αρκετά μεγάλη επιτυχία. Ακόμα, ας περιμένουμε να δούμε τι θα δείξουν τα πειράματα στο LHC, πρώτα απ 'όλα, πιο ακριβείς μετρήσεις των ιδιοτήτων του νέου μποζονίου.

Η ανακάλυψη έγινε. Τι έπεται?

Ας επιστρέψουμε, ως υπόθεση εργασίας, στην ελάχιστη εκδοχή της θεωρίας - το Καθιερωμένο Μοντέλο με ένα στοιχειώδες μποζόνιο Higgs. Δεδομένου ότι σε αυτή τη θεωρία είναι το πεδίο Engler-Braut-Higgs (ακριβέστερα, τα πεδία) που δίνει μάζες σε όλα τα στοιχειώδη σωματίδια, η αλληλεπίδραση καθενός από αυτά τα σωματίδια με το μποζόνιο Higgs είναι σταθερά σταθερή. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα του σωματιδίου, τόσο ισχυρότερη είναι η αλληλεπίδραση. Όσο ισχυρότερη είναι η αλληλεπίδραση, τόσο πιο πιθανό είναι το μποζόνιο Higgs να διασπαστεί σε ένα ζευγάρι σωματιδίων αυτού του είδους. Οι διασπάσεις του μποζονίου Higgs σε ζεύγη πραγματικών σωματιδίων tt̃ , ZZ και W+W- απαγορεύονται από το νόμο διατήρησης της ενέργειας. Απαιτεί το άθροισμα των μαζών των προϊόντων διάσπασης να είναι μικρότερο από τη μάζα του σωματιδίου που διασπάται (πάλι, θυμηθείτε E = mc 2) και υπενθυμίζουμε ότι m n ≈ 125 GeV, m t = 173 GeV, m z = 91 GeV και m w = 80 GeV. Το b κουάρκ με m b = 4 GeV είναι επόμενο σε μάζα, γι' αυτό, όπως είπαμε, το μποζόνιο Higgs διασπάται πιο εύκολα σε ένα ζεύγος bb̃. Ενδιαφέρουσα είναι και η διάσπαση του μποζονίου Higgs σε ένα ζεύγος μάλλον βαρέων τ-λεπτονίων H → τ + τ - (m τ = 1,8 GeV), που συμβαίνει με πιθανότητα 6%. Η διάσπαση H → μ + μ - (m μ = 106 MeV) θα πρέπει να συμβεί με ακόμη μικρότερη, αλλά ακόμα μη εξαφανιζόμενη πιθανότητα 0,02%. Εκτός από τις προαναφερθείσες διασπάσεις H → γγ; H → 4ℓ και H → 2ℓ2ν, σημειώνουμε τη διάσπαση H → Zγ, η πιθανότητα της οποίας πρέπει να είναι 0,15%. Όλες αυτές οι πιθανότητες θα είναι μετρήσιμες στο LHC και οποιαδήποτε απόκλιση από αυτές τις προβλέψεις θα σημαίνει ότι η υπόθεση εργασίας μας, το Καθιερωμένο Μοντέλο, είναι λάθος. Αντίθετα, η συμφωνία με τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Μοντέλου θα μας πείσει όλο και περισσότερο για την εγκυρότητά του.

Το ίδιο μπορεί να ειπωθεί για την παραγωγή του μποζονίου Higgs σε συγκρούσεις πρωτονίων. Το μποζόνιο Higgs μπορεί να παραχθεί μόνο του στην αλληλεπίδραση δύο γκλουονίων, μαζί με ένα ζεύγος ελαφρών κουάρκ υψηλής ενέργειας, μαζί με ένα μποζόνιο W ή Z, ή, τέλος, μαζί με ένα ζεύγος tt̃. Τα σωματίδια που παράγονται μαζί με το μποζόνιο Higgs μπορούν να ανιχνευθούν και να αναγνωριστούν, επομένως διαφορετικοί μηχανισμοί παραγωγής μπορούν να μελετηθούν ξεχωριστά στο LHC. Έτσι, είναι δυνατή η εξαγωγή πληροφοριών σχετικά με την αλληλεπίδραση του μποζονίου Higgs με τα μποζόνια W ± -, Z και το t-κουάρκ.

Τέλος, μια σημαντική ιδιότητα του μποζονίου Higgs είναι η αλληλεπίδρασή του με τον εαυτό του. Θα πρέπει να εκδηλωθεί στη διαδικασία H* → HH, όπου το H* είναι ένα εικονικό σωματίδιο. Οι ιδιότητες αυτής της αλληλεπίδρασης προβλέπονται επίσης ξεκάθαρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο. Ωστόσο, η μελέτη του είναι θέμα του απώτερου μέλλοντος.

Έτσι, ο LHC έχει ένα εκτεταμένο πρόγραμμα για τη μελέτη των αλληλεπιδράσεων του νέου μποζονίου. Ως αποτέλεσμα της υλοποίησής του, θα γίνει λίγο-πολύ ξεκάθαρο αν το Καθιερωμένο Μοντέλο περιγράφει τη φύση ή έχουμε να κάνουμε με κάποια άλλη, πιο περίπλοκη (και πιθανώς απλούστερη) θεωρία. Περαιτέρω πρόοδος συνδέεται με σημαντική αύξηση της ακρίβειας των μετρήσεων. θα απαιτήσει την κατασκευή ενός νέου επιταχυντή ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων - επιταχυντής e + e - με ενέργεια ρεκόρ για αυτόν τον τύπο μηχανής. Μπορεί κάλλιστα να μας περιμένουν πολλές εκπλήξεις στην πορεία.

Αντί για συμπέρασμα: σε αναζήτηση μιας «νέας φυσικής»

Από «τεχνική» άποψη, το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι εσωτερικά συνεπές. Δηλαδή, στο πλαίσιό του, είναι δυνατό -τουλάχιστον κατ' αρχήν, αλλά κατά κανόνα, στην πράξη- να υπολογιστεί οποιοδήποτε φυσικό μέγεθος (φυσικά, που σχετίζεται με εκείνα τα φαινόμενα που προορίζεται να περιγράψει) και το αποτέλεσμα δεν θα περιέχουν αβεβαιότητες. Ωστόσο, πολλοί, αν και όχι όλοι, θεωρητικοί θεωρούν την κατάσταση στο Καθιερωμένο Μοντέλο, για να το θέσω ήπια, όχι απολύτως ικανοποιητική. Και αυτό οφείλεται κυρίως στην ενεργειακή του κλίμακα.

Όπως είναι σαφές από το προηγούμενο, η ενεργειακή κλίμακα του Καθιερωμένου Μοντέλου είναι της τάξης των M cm = 100 GeV (δεν μιλάμε εδώ για ισχυρές αλληλεπιδράσεις με κλίμακα 1 GeV, όλα είναι πιο απλά με αυτό). Αυτή είναι η κλίμακα μάζας των μποζονίων W ± - και Z και του μποζονίου Higgs. Είναι πολύ ή λίγο; Από πειραματική άποψη - δίκαια, αλλά από μια θεωρητική ...

Στη φυσική υπάρχει μια άλλη κλίμακα ενεργειών. Σχετίζεται με τη βαρύτητα και ισούται με τη μάζα Planck M pl = 10 19 GeV. Σε χαμηλές ενέργειες, οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων είναι αμελητέες, αλλά αυξάνονται με την αύξηση της ενέργειας και σε ενέργειες της τάξης του M pl η βαρύτητα γίνεται ισχυρή. Οι ενέργειες πάνω από το M pl είναι το βασίλειο της κβαντικής βαρύτητας, ό,τι κι αν είναι αυτό. Είναι σημαντικό για εμάς ότι η βαρύτητα είναι ίσως η πιο θεμελιώδης αλληλεπίδραση και η βαρυτική κλίμακα M pl είναι η πιο θεμελιώδης κλίμακα ενέργειας. Γιατί τότε η κλίμακα του τυπικού μοντέλου Mcm = 100 GeV είναι τόσο μακριά από το M pl = 1019 GeV;

Το αναφερόμενο πρόβλημα έχει μια άλλη, πιο λεπτή πτυχή. Συνδέεται με τις ιδιότητες του φυσικού κενού. Στην κβαντική θεωρία, το κενό, η βασική κατάσταση της φύσης, έχει μια πολύ μη τετριμμένη δομή. Τα εικονικά σωματίδια γεννιούνται και καταστρέφονται μέσα σε αυτό όλη την ώρα. με άλλα λόγια, σχηματίζονται και εξαφανίζονται διακυμάνσεις πεδίου. Δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε άμεσα αυτές τις διαδικασίες, αλλά επηρεάζουν τις παρατηρούμενες ιδιότητες στοιχειωδών σωματιδίων, ατόμων κ.λπ. Για παράδειγμα, η αλληλεπίδραση ενός ηλεκτρονίου σε ένα άτομο με εικονικά ηλεκτρόνια και φωτόνια οδηγεί σε ένα φαινόμενο που παρατηρείται στα ατομικά φάσματα - τη μετατόπιση Lamb. Ένα άλλο παράδειγμα: η διόρθωση στη μαγνητική ροπή ενός ηλεκτρονίου ή ενός μιονίου (μια ανώμαλη μαγνητική ροπή) οφείλεται επίσης στην αλληλεπίδραση με εικονικά σωματίδια. Αυτά και παρόμοια αποτελέσματα έχουν υπολογιστεί και μετρηθεί (σε αυτές τις περιπτώσεις με φανταστική ακρίβεια!), ώστε να είμαστε σίγουροι ότι έχουμε σωστή εικόνα του φυσικού κενού.

Σε αυτήν την εικόνα, όλες οι παράμετροι, που αρχικά ενσωματώθηκαν στη θεωρία, λαμβάνουν διορθώσεις, που ονομάζονται ακτινοβολούμενες, λόγω αλληλεπίδρασης με εικονικά σωματίδια. Στην κβαντική ηλεκτροδυναμική είναι μικρά, αλλά στον τομέα Engler-Braut-Higgs είναι τεράστια. Αυτή είναι η ιδιαιτερότητα των στοιχειωδών βαθμωτών πεδίων που συνθέτουν αυτόν τον τομέα. άλλα πεδία δεν έχουν αυτήν την ιδιότητα. Το κύριο αποτέλεσμα εδώ είναι ότι οι διορθώσεις ακτινοβολίας τείνουν να «ανεβάζουν» την ενεργειακή κλίμακα του Καθιερωμένου Μοντέλου M cm στη βαρυτική κλίμακα M pl . Αν παραμείνουμε στα πλαίσια του Καθιερωμένου Μοντέλου, τότε η μόνη διέξοδος είναι να επιλέξουμε τις αρχικές παραμέτρους της θεωρίας ώστε μαζί με τις διορθώσεις ακτινοβολίας να οδηγήσουν στη σωστή τιμή του M cm. Ωστόσο, αποδεικνύεται ότι η ακρίβεια τοποθέτησης πρέπει να είναι κοντά στο M cm 2 / M pl 2 = 10-34 ! Αυτή είναι η δεύτερη πτυχή του προβλήματος της ενεργειακής κλίμακας του Καθιερωμένου Μοντέλου: φαίνεται απίθανο να συμβαίνει μια τέτοια προσαρμογή στη φύση.

Πολλοί (αν και επαναλαμβάνουμε, όχι όλοι) θεωρητικοί πιστεύουν ότι αυτό το πρόβλημα δείχνει ξεκάθαρα την ανάγκη να προχωρήσουμε πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο. Πράγματι, εάν το Καθιερωμένο Μοντέλο σταματήσει να λειτουργεί ή επεκταθεί σημαντικά στην ενεργειακή κλίμακα του «new physics – NF» M nf, τότε η απαιτούμενη ακρίβεια προσαρμογής των παραμέτρων θα είναι, χονδρικά, M 2 cm / M 2 nf, αλλά στην πραγματικότητα είναι δύο τάξεις μεγέθους λιγότερο. Αν υποθέσουμε ότι δεν υπάρχει ακριβής ρύθμιση των παραμέτρων στη φύση, τότε η κλίμακα της «νέας φυσικής» θα πρέπει να βρίσκεται στην περιοχή των 1-2 TeV, δηλαδή ακριβώς στην περιοχή που είναι προσβάσιμη για έρευνα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων!

Ποια θα μπορούσε να είναι η «νέα φυσική»; Δεν υπάρχει ενότητα μεταξύ των θεωρητικών σε αυτό το θέμα. Μια επιλογή είναι η σύνθετη φύση των βαθμωτών πεδίων, τα οποία παρέχουν αυθόρμητη διάρρηξη συμμετρίας, η οποία έχει ήδη συζητηθεί. Μια άλλη, επίσης δημοφιλής (ακόμα;) πιθανότητα είναι η υπερσυμμετρία, για την οποία θα πούμε μόνο ότι προβλέπει έναν ολόκληρο ζωολογικό κήπο νέων σωματιδίων με μάζες στην περιοχή των εκατοντάδων GeV - αρκετών TeV. Συζητούνται επίσης πολύ εξωτικές επιλογές, όπως πρόσθετες διαστάσεις του χώρου (ας πούμε, η λεγόμενη M-θεωρία - βλ. "Science and Life" No. 2, 3, 1997, άρθρο "Superstrings: on the way to the theory of Everything ." - Σημείωση εκδ. .).

Παρά όλες τις προσπάθειες, μέχρι στιγμής δεν έχουν ληφθεί πειραματικές ενδείξεις για τη «νέα φυσική». Αυτό, μάλιστα, έχει ήδη αρχίσει να εμπνέει άγχος: καταλαβαίνουμε τα πάντα σωστά; Είναι πολύ πιθανό, ωστόσο, ότι δεν έχουμε φτάσει ακόμη στη «νέα φυσική» όσον αφορά την ενέργεια και τον όγκο των δεδομένων που συλλέγονται, και ότι νέες, επαναστατικές ανακαλύψεις θα συνδέονται με αυτήν. Οι κύριες ελπίδες εδώ εναποτίθενται και πάλι στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, ο οποίος σε ενάμιση χρόνο θα αρχίσει να λειτουργεί με συνολική ενέργεια 13-14 TeV και θα αποκτά γρήγορα δεδομένα. Ακολουθήστε τα νέα!

Μηχανές για ακριβείς μετρήσεις και ανακαλύψεις

Η σωματιδιακή φυσική, που μελετά τα πιο μικροσκοπικά αντικείμενα στη φύση, χρειάζεται γιγάντιες ερευνητικές εγκαταστάσεις όπου αυτά τα σωματίδια επιταχύνονται, συγκρούονται και διασπώνται. Οι πιο ισχυροί από αυτούς είναι οι επιταχυντές.

Επιταχυντήςείναι ένας επιταχυντής με συγκρουόμενες δέσμες σωματιδίων, στον οποίο σωματίδια συγκρούονται μετωπικά, για παράδειγμα, ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια σε επιταχυντές e + e -. Μέχρι στιγμής, έχουν δημιουργηθεί επίσης επιταχυντές πρωτονίου-αντιπρωτονίου, πρωτονίου-πρωτονίου, ηλεκτρονίου-πρωτονίου και πυρήνα-πυρήνα (ή βαρέων ιόντων). Άλλες πιθανότητες, για παράδειγμα, ο επιταχυντής μ + μ - συζητούνται μόνο μέχρι στιγμής. Οι κύριοι επιταχυντές για τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων είναι οι επιταχυντές πρωτονίου-αντιπρωτονίου, πρωτονίου-πρωτονίου και ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων.

Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC)- πρωτόνιο-πρωτόνιο, επιταχύνει δύο δέσμες πρωτονίων η μία προς την άλλη (μπορεί επίσης να λειτουργήσει ως βαρύς επιταχυντής ιόντων). Η σχεδιαστική ενέργεια των πρωτονίων σε κάθε μία από τις δέσμες είναι 7 TeV, άρα η συνολική ενέργεια σύγκρουσης είναι 14 TeV. Το 2011, ο επιταχυντής λειτουργούσε με τη μισή ενέργεια και το 2012 με συνολική ενέργεια 8 TeV. Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων είναι ένας δακτύλιος μήκους 27 χιλιομέτρων στον οποίο τα πρωτόνια επιταχύνουν τα ηλεκτρικά πεδία ενώ συγκρατούν τα πεδία που δημιουργούνται από υπεραγώγιμους μαγνήτες. Οι συγκρούσεις πρωτονίων συμβαίνουν σε τέσσερα σημεία όπου βρίσκονται ανιχνευτές που καταγράφουν τα σωματίδια που παράγονται στις συγκρούσεις. Το ATLAS και το CMS έχουν σχεδιαστεί για έρευνα στη φυσική σωματιδίων υψηλής ενέργειας. Το LHC-b είναι για τη μελέτη σωματιδίων που περιέχουν b-κουάρκ και το ALICE είναι για τη μελέτη καυτής και πυκνής ύλης κουάρκ-γκλουονίων.

Spp̃S- Επιταχυντής Πρωτονίου-Αντιπρωτονίου στο CERN. Το μήκος του δακτυλίου είναι 6,9 km, η μέγιστη ενέργεια σύγκρουσης είναι 630 GeV. Εργάστηκε από το 1981 έως το 1990.

LEP— ένας επιταχυντής δακτυλίου ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων με μέγιστη ενέργεια σύγκρουσης 209 GeV, που βρίσκεται στην ίδια σήραγγα με τον LHC. Εργάστηκε από το 1989 έως το 2000.

SLC— γραμμικός επιταχυντής ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων στο SLAC, ΗΠΑ. Ενέργεια σύγκρουσης 91 GeV (μάζα Ζ-μποζονίου). Εργάστηκε από το 1989 έως το 1998.

Το Tevatron είναι ένας επιταχυντής δακτυλίου πρωτονίου-αντιπρωτονίου στο Fermilab των ΗΠΑ. Το μήκος του δακτυλίου είναι 6 km, η μέγιστη ενέργεια σύγκρουσης είναι 2 TeV. Εργάστηκε από το 1987 έως το 2011.

Όταν συγκρίνουμε τους επιταχυντές πρωτονίου-πρωτονίου και πρωτονίου-αντιπρωτονίου με επιταχυντές ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, πρέπει να έχουμε κατά νου ότι το πρωτόνιο είναι ένα σύνθετο σωματίδιο, περιέχει κουάρκ και γκλουόνια. Κάθε ένα από αυτά τα κουάρκ και τα γκλουόνια φέρει μόνο ένα κλάσμα της ενέργειας του πρωτονίου. Επομένως, στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, για παράδειγμα, η ενέργεια μιας στοιχειώδους σύγκρουσης (μεταξύ δύο κουάρκ, μεταξύ δύο γκλουονίων ή ενός κουάρκ με ένα γλουόνιο) είναι αισθητά χαμηλότερη από τη συνολική ενέργεια των συγκρουόμενων πρωτονίων (14 TeV στις παραμέτρους σχεδιασμού) . Εξαιτίας αυτού, η περιοχή των ενεργειών που είναι διαθέσιμες για μελέτη σε αυτό φτάνει «μόνο» τα 2-4 TeV, ανάλογα με τη διαδικασία που μελετάται. Οι επιταχυντές ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων δεν έχουν τέτοιο χαρακτηριστικό: ένα ηλεκτρόνιο είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο χωρίς δομή.

Το πλεονέκτημα των επιταχυντών πρωτονίου-πρωτονίου (και πρωτονίου-αντιπρωτονίου) είναι ότι ακόμη και αν ληφθεί υπόψη αυτό το χαρακτηριστικό, είναι τεχνικά ευκολότερο να επιτευχθούν υψηλές ενέργειες σύγκρουσης σε αυτούς από ό,τι σε αυτές ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Υπάρχει επίσης ένα μείον. Λόγω της σύνθετης δομής του πρωτονίου, και επίσης λόγω του γεγονότος ότι τα κουάρκ και τα γκλουόνια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους πολύ πιο ισχυρά από τα ηλεκτρόνια με τα ποζιτρόνια, υπάρχουν πολλά περισσότερα γεγονότα σε συγκρούσεις πρωτονίων που δεν είναι ενδιαφέροντα από την άποψη του αναζήτηση για το μποζόνιο Higgs ή άλλα νέα σωματίδια και φαινόμενα. Τα ενδιαφέροντα γεγονότα φαίνονται πιο «βρώμικα» στις συγκρούσεις πρωτονίων· πολλά «ξένα», μη ενδιαφέροντα σωματίδια γεννιούνται σε αυτά. Όλα αυτά δημιουργούν «θόρυβο», από τον οποίο είναι πιο δύσκολο να εξαχθεί ένα χρήσιμο σήμα παρά στους επιταχυντές ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Κατά συνέπεια, η ακρίβεια μέτρησης είναι μικρότερη. Εξαιτίας όλων αυτών, οι επιταχυντές πρωτονίου-πρωτονίου (και πρωτονίου-αντιπρωτονίου) ονομάζονται μηχανές ανακάλυψης και οι επιταχυντές ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων ονομάζονται μηχανές ακριβών μετρήσεων.

Τυπική απόκλιση(τυπική απόκλιση) σ x - χαρακτηριστικό των τυχαίων αποκλίσεων της μετρούμενης τιμής από τη μέση τιμή. Η πιθανότητα η μετρούμενη τιμή του X να διαφέρει τυχαία κατά 5σ x από την πραγματική τιμή είναι μόνο 0,00006%. Γι' αυτό στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων η απόκλιση του σήματος από το φόντο κατά 5σ θεωρείται επαρκής για την αναγνώριση του σήματος ως αληθούς.

Σωματίδια, που αναφέρονται στο Καθιερωμένο Μοντέλο, εκτός από το πρωτόνιο, το ηλεκτρόνιο, το νετρίνο και τα αντισωματίδια τους, είναι ασταθή: διασπώνται σε άλλα σωματίδια. Ωστόσο, δύο από τους τρεις τύπους νετρίνων πρέπει επίσης να είναι ασταθείς, αλλά η διάρκεια ζωής τους είναι εξαιρετικά μεγάλη. Στη φυσική του μικροκόσμου, υπάρχει μια αρχή: ό,τι μπορεί να συμβεί, συμβαίνει πραγματικά. Επομένως, η σταθερότητα ενός σωματιδίου συνδέεται με κάποιο είδος νόμου διατήρησης. Τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια απαγορεύεται να διασπώνται από το νόμο της διατήρησης του φορτίου. Το ελαφρύτερο νετρίνο (σπιν 1/2) δεν διασπάται λόγω διατήρησης της γωνιακής ορμής. Η διάσπαση ενός πρωτονίου απαγορεύεται από το νόμο της διατήρησης ενός άλλου «φορτίου», που ονομάζεται αριθμός βαρυονίου (ο βαρυονικός αριθμός ενός πρωτονίου, εξ ορισμού, είναι 1, και των ελαφρύτερων σωματιδίων, μηδέν).

Μια άλλη εσωτερική συμμετρία σχετίζεται με τον αριθμό του βαρυονίου. Το αν είναι ακριβές ή κατά προσέγγιση, αν το πρωτόνιο είναι σταθερό ή έχει πεπερασμένη, αν και πολύ μεγάλη, διάρκεια ζωής είναι αντικείμενο ξεχωριστής συζήτησης.

Κουάρκ— ένας από τους τύπους στοιχειωδών σωματιδίων. Σε ελεύθερη κατάσταση δεν παρατηρούνται, αλλά συνδέονται πάντα μεταξύ τους και σχηματίζουν σύνθετα σωματίδια - αδρόνια. Η μόνη εξαίρεση είναι το t-κουάρκ, το οποίο διασπάται πριν μπορέσει να συνδυαστεί με άλλα κουάρκ ή αντικουάρκ για να σχηματίσει ένα αδρόνιο. Τα αδρόνια περιλαμβάνουν πρωτόνια, νετρόνια, π-μεσόνια, Κ-μεσόνια κ.λπ.

Το b κουάρκ είναι ένας από τους έξι τύπους κουάρκ, δεύτερος σε μάζα μετά το κουάρκ t.

Το μιόνιο είναι ένα βαρύ ασταθές ανάλογο του ηλεκτρονίου με μάζα m μ = 106 MeV. Η διάρκεια ζωής του μιονίου Τ μ = 2·10 -6 δευτερόλεπτα είναι αρκετά μεγάλη ώστε να πετάξει σε ολόκληρο τον ανιχνευτή χωρίς να αποσυντεθεί.

εικονικό σωματίδιοδιαφέρει από το πραγματικό στο ότι για ένα πραγματικό σωματίδιο ικανοποιείται η συνήθης σχετικιστική σχέση μεταξύ ενέργειας και ορμής E 2 = p 2 s 2 + m 2 s 4, αλλά όχι για ένα εικονικό. Αυτό είναι δυνατό λόγω της κβαντομηχανικής σχέσης ΔE·Δt ~ ħ μεταξύ της ενεργειακής αβεβαιότητας ΔΕ και της διάρκειας της διεργασίας Δt. Επομένως, ένα εικονικό σωματίδιο σχεδόν αμέσως διασπάται ή εκμηδενίζεται με ένα άλλο (η διάρκεια ζωής του Δt είναι πολύ μικρή), ενώ ένα πραγματικό ζει αισθητά περισσότερο ή είναι γενικά σταθερό.

Αλλαγή επιπέδου αρνιού- μια ελαφρά απόκλιση της λεπτής δομής των επιπέδων του ατόμου υδρογόνου και των ατόμων που μοιάζουν με υδρογόνο υπό την επίδραση της εκπομπής και απορρόφησης εικονικών φωτονίων ή εικονικής παραγωγής και εκμηδένισης ζευγών ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Το φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1947 από τους Αμερικανούς φυσικούς W. Lamb και R. Rutherford.