Higgsi teooria. Higgsi boson lihtsas keeles

Füüsikas on tänapäevani palju mõisteid ja nähtusi, mis on tavainimese tajule arusaamatud. Ühte neist algsetest kontseptsioonidest võib õigustatult nimetada Higgsi bosoniks. Tasub lähemalt mõelda, mida me sellest teame ja kuidas seda nähtust tavainimestele paljastada.

Higgsi bosonit nimetatakse elementaarosakeseks, mis kipub elementaarosakeste füüsika standardmudelis ilmnema elektronõrga sümmeetria spontaanse rikkumise Higgsi mehhanismi protsessis.

Elementaarosakese pikk otsing

Osakese postuleeris Briti füüsik Peter Higgs 1964. aastal avaldatud fundamentaalsetes dokumentides. Ja alles mõnikümmend aastat hiljem kinnitati teoreetiliselt ennustatud kontseptsioon konkreetsete otsingutulemustega. 2012. aastal avastati uus osake, millest sai selle rolli kõige ilmsem kandidaat. Ja juba 2013. aasta märtsis kinnitasid üksikuurijad seda teavet CERN, ja leitud osake tunnistati Higgsi bosoniks.

Seda tüüpi tõsiste uuringute jaoks jätkus selle katsetamine ja arendamine aastaid. Kuid isegi avaldatud tulemusi ei kiirusta eksperdid avalikult avaldama, eelistades kõike hoolikalt kontrollida ja tõestada.

Higgsi boson on standardmudeli viimane leitud osake. Samal ajal nimetatakse meedias ametlikku füüsikalist terminit "neetud osakeseks" - Leon Ledermani pakutud versiooni järgi. Kuigi oma raamatu pealkirjas kasutas Nobeli preemia laureaat väljendit "Jumala osake", mis hiljem ei juurdunud.

Higgsi boson lihtsas keeles

Mis on Higgsi boson, püüdsid paljud teadlased selgitada keskmise mõtlemise jaoks kõige kättesaadavamal viisil. 1993. aastal kuulutas Briti teadusminister välja isegi konkursi selle füüsikalise mõiste lihtsaimaks seletuseks. Samas tunnistati ligipääsetavamaks võrdlev versioon parteiga. Valik näeb välja selline:

• suures ruumis, kus pidu algab, siseneb teatud hetkel kuulus inimene;
• kuulsale inimesele järgnevad külalised, kes soovivad inimesega suhelda, samas kui see inimene liigub aeglasemalt kui kõik teised;
• siis hakkavad üldises massis kogunema eraldi rühmad (inimeste kobarad), kes arutavad mingisuguseid uudiseid, kõmu;
• inimesed edastavad uudiseid rühmast gruppi, mille tulemusena tekivad rahva seas väikesed tihendused;
• selle tulemusena tundub, et inimrühmad arutavad kuulujutte, ümbritsedes kuulsat inimest, kuid ilma tema osaluseta.

Võrdlevas vahekorras selgub, et ruumis viibivate inimeste koguarv on Higgsi väli, inimgrupid on välja häiritud ja kuulus inimene ise on osake, mis sellel väljal liigub.

Higgsi bosoni vaieldamatu tähtsus

Elementaarosakese tähtsus, hoolimata sellest, kuidas seda lõpuks nimetatakse, jääb vaieldamatuks. Esiteks on teoreetilises füüsikas tehtud arvutuste tegemisel vaja uurida universumi struktuuri.

Teoreetilised füüsikud on väitnud, et Higgsi bosonid täidavad kogu meid ümbritseva ruumi. Ja teist tüüpi osakestega suheldes annavad bosonid neile oma massi. Selgub, et kui elementaarosakeste massi on võimalik välja arvutada, siis Higgsi bosoni enda arvutamist võib pidada tehtud tehinguks.

Pikka aega tabamatuks jäädes saadakse lõpuks kinni niinimetatud jumalaosake. Higgsi boson oli standardmudeli nimelise pusle puuduv tükk. Teadlased usuvad, et see boson vastutab osakeste massi eest. Eelkõige ehitati Large Hadron Collider spetsiaalselt Higgsi bosoni otsimiseks, mis sai oma põhiülesandega hakkama. Teadlaste jaoks on aga kerkinud esile uued mõistatused: kas tõesti on ainult üks Higgsi boson? Lisaks ei seletanud selle bosoni avastamine midagi tumeaine paradoksaalset olemasolu, mis on viimasel ajal füüsikuid üha enam paelunud.

Füüsikud on lõpuks näinud, kuidas elementaarosake, mis avastati esmakordselt suures hadronite põrgatis, laguneb kaheks ilusaks kvarkiks, eksootilisteks ja lühiealisteks osakesteks, mis tekivad sageli pärast suure energiaga osakeste kokkupõrkeid. Oleme alles nüüd suutnud seda tabamatut protsessi jälgida, esimest korda kuue aasta jooksul pärast Higgsi bosoni avastamist. Kahe LHC eksperimendi, ATLAS ja CMS, teadlased teatasid oma tulemustest samaaegselt CERNis 28. augustil toimunud seminaril.

Hiljuti kõlasid fanfaarid suure teadusliku sündmuse – Higgsi bosoni avastamise – puhul. Nad jagasid auhindu, rõõmustasid koos teadlastega, kuid ... Nii et siiani on üks asi ebaselge: milleks meil seda sama bosonit vaja on? Miks füüsikud seda nii kaua ja hoolega otsisid? Nende küsimustega pöördusime Lebedevi Füüsika Instituudi kõrge energiaga elektronide laboratooriumi juhtivteaduri Sergei Pavlovitš Baranovi poole.

Palju aega on möödas päevast, mil CERNi seminaril (4. juulil 2012) teatati uue osakese avastamisest. Tõendid kuulsa bosoni avastamise kohta on sellest ajast alates muutunud tugevamaks ja täielikumaks.

Muidugi on mõlema unikaalsuse tõttu endiselt olemas kaks sõltumatut katserajatist (ATLAS ja CMS), samuti kogu LHC kiirendi, kuid iga koostöö raames toimub uute kogunemine ja varem kogutud andmete töötlemine. jätkus kogu selle aja. Tänaseks on selle töö tulemused andnud järgmise.

Uut osakest H vaadeldakse kuues lagunemiskanalis: kaheks Z-bosoniks, millest üks on virtuaalne (H → ZZ*); kaheks W-bosoniks, millest üks on virtuaalne (H → WW*); kaheks footoniks (H → γγ); ilusateks (nad on ka ilusad) kvarkideks (H → ); tau leptoniteks (H → τ+τ –); Z-bosoniks ja footoniks(H→Zγ).

Erinevate lagunemiste tõenäosuste suhe on teoreetiliste ootustega hästi kooskõlas. 97,8% usaldusnivoo bosonil on õiged kvantarvud: nullspinn ja positiivne paarsus. Lagunemise olemasolu kaheks footoniks välistab ühtsusega võrdse spinni võimaluse ning lagunemissaaduste nurkjaotused teistes režiimides välistavad samuti spinni, mis võrdub kahega.

Üldiselt pole millegi üle kurta ja jääb üle vaid mõista, mida see boson meie elus tähendab. Et mõista - see kehtib teie ja minu kohta, on füüsikud juba aru saanud.

Kiire kokkupõrke tsoon suure hadronipõrguti ja selles asuva ATLAS-detektori juures ()

– Sergei Pavlovitš, jääb mulje, et Higgsi boson on väga “tähtis inimene”, keda füüsikud on nii kaua ja väga visalt taga ajanud. Aga miks teda nii vaja oli?

– Tõepoolest, Higgsi bosoni avastamine võttis kaua aega. Olles oma kannatuse ammendanud, nimetas Leon Lederman ühes oma artiklis isegi bosonit " neetud osake”, st. "neetud osake" - viitab bosoni tabamatule. Ajakirja toimetaja loobus "neetud", jättes "Jumala" - selgus, et "tükk jumalast". Meeldiva epiteedi võtsid ajakirjanikud üles ja tabasid seda. Kuid mulle tundub selles loos kõige üllatavam see, et Higgsi bosonit ei vaja mitte loodus, vaid matemaatikud. Aga kõigepealt asjad kõigepealt.

eelarvamus

On arvamus, et Higgsi bosoni avastamine selgitas midagi universumi varases ajaloos ja valgustas isegi selle päritolu. See pole täiesti tõsi. Kaasaegsete kontseptsioonide kohaselt on Higgsi boson (või väli) tõepoolest vastutav Universumi kiire paisumise eest Suurele Paugule eelnenud ajastul (nn "inflatsioon" või "inflatsioon"), kuid see ei tulene kuskilt. et hiljuti CERNis avastatud boson on üks boson. See võib väga hästi olla järjekordne boson. Nimetus Higgsi bosonid on koondnimetus tervele teatud omadustega osakeste (väljade) klassile, kusjuures erinevate bosonite roll looduses võib olla täiesti erinev. Igal juhul on nõudmistel, mida me sellele "kosmoloogilisele" bosonile ja praegusele "CERNi" bosonile esitame, üksteisega vähe ühist.

Kiirte kokkupõrgete skeem Suure Hadronipõrgeti tunnelis,
mis viis Higgsi bosoni avastamiseni

On veel üks levinud arvamus, et Higgsi boson selgitas, kust osakeste massid pärinevad, ja et see on selle teooria jaoks peamine väärtus. See vajab ka täpsustamist. Ta seletas midagi, kuid teoorias seletamatute suuruste arv sellest ei vähenenud. Seal oli midagi sellist nagu siltide uuesti liimimine. Varem, Higgsi-eelsel ajastul, teadsime, et elementaarosakestel on mass (igal tüüpi osakestel on oma), kuid ei teadnud, miks selle massi suurus on täpselt selline, nagu see on. Praeguse "Higgsi" terminoloogia järgi ütleme, et vaadeldud osakeste massid on nende vastasmõju Higgsi väljaga; selle interaktsiooni tugevuse määrab vastava sidestuskonstandi väärtus (konstant on rangelt võrdeline massiga), kuid miks need konstandid täpselt sellised on, seda me siiani ei tea. Kui palju masse - nii palju konstante.

Veelgi enam, igapäevaste osakeste, nagu prooton ja neutron, mis moodustavad aatomeid – ja seega ka kõik, mida me nimetame aineks – puhul on mass 99% tingitud nn kvark-gluoonkondensaadist, mitte üldse Higgsi bosonist. Sellega seoses pole teaduse arvamus muutunud: nii oli see enne bosoni avastamist ja nii on see ka praegu. Rangelt võttes vastutab Higgsi mehhanism ainult nende osakeste masside eest, mis on nõrga vastasmõju kvantid (W + , W – ja Z 0 bosonid), leptonite masside (kaasa arvatud elektron) ja nn voolu eest. kvargi massi komponent. Selle praeguse massi osakaal kogumassist (nn "koostisosa") on erinevate kvarkide puhul erinev. Teised osakesed, hadronid, koosnevad juba kvarkidest; neid on väga palju (sealhulgas prooton ja neutron), kuid liitosakeste seadmega tegelemine on omaette lugu, meil pole aega ühes artiklis kõike teha.

Tuleme tagasi "tõeliselt elementaarsete" osakeste juurde - W ± ja Z bosonid, leptonid, kvargid. Kõik nad hakkasid pärast Higgsi mehhanismi leiutamist käituma teisiti, kui me varem arvasime, ja see võimaldas meil luua matemaatiliselt järjekindla nõrkade interaktsioonide teooria. Siin peitubki Higgsi teene.

Higgsi-eelse ajastu probleemid

Kuid selleks, et mõista, milliste probleemidega teooria silmitsi seisis ja kuidas Higgsi boson neist üle saada aitas, räägime kõigepealt teooriast, kus need probleemid lahendati ilma Higgsi bosoni abita – enam-vähem tuttavast elektriteooriast (elektrodünaamikast). ). Koolis õppinud võib-olla mäletab Coulombi seadust: punktlaengu tekitatud elektrivälja tugevus käitub nagu laengu kauguse pöördruut (E ~ r -2). Elektriväli on materiaalne objekt ja sellega on seotud mahuline energiatihedus, mis on võrdeline väljatugevuse ruuduga. Kui tahame välja arvutada välja koguenergiat, siis tuleb see energiatihedus integreerida kogu ruumi ulatuses – kõikidel vahemaadel nullist lõpmatuseni – ja siis näeme, et integraal lahkneb (pealegi väikestel vahemaadel, mis on suurte energiate sünonüüm). See tähendab, et punktlaengu tekitatud välja koguenergia pöördub lõpmatusse ja Einsteini seose kohaselt, kus energia on, on ka mass, mis tähendab, et mis tahes laetud punktosakese mass (näiteks elektron) peab olema lõpmatu – vastuolus faktidega! Rangelt võttes ei saa me garanteerida, et elektron on tõesti punkt, kuid igal juhul on selle raadius (kui see on olemas) teadaolevate mõõtmiste järgi mitu suurusjärku väiksem kui väärtus, mis tal peaks olema kogu massi korral. elektronide osa oli tingitud selle tekitatava välja energiast.

See probleem lahendatakse matemaatilise tehnikaga, mida nimetatakse renormaliseerimiseks. Selle tehnika olemus seisneb selles, et me omistame elektronile lõpmatult suure negatiivse "seemne" massi ja oletame, et lõpmatu negatiivne seemne panus kombineerituna Coulombi välja lõpmatu positiivse panusega annab täpselt osakese vaadeldava massi. Ilus või mitte, aga nii paneme paika lõpmatuste vähendamise mängureeglid ja saame nüüdsest üheselt arvutusi teha ilma vastuoludesse sattumata. Ja siis võrdle arvutustulemusi mõõtmistulemustega. Ja siiani on kokkulepe kõigil juhtudel olnud hämmastav. Ja see, et "seemne" mass on negatiivne, pole probleem. Ei saa ju "seemne" ega "välja" massi eraldi mõõta, kuna põhimõtteliselt ei saa me kunagi eraldada laetud osakest selle tekitatavast väljast. See tähendab, et ükski neist "massidest" ei ole iseenesest füüsiline suurus ja ainult nende summal on füüsiline tähendus.

Lisaks massile elektrodünaamikas on veel kahte tüüpi lahknevusi, nii et renormaliseerimine peab alluma ka footoniga interaktsiooni konstandile (elektronilaengule) ja footoni lainefunktsioonile. Kuid teisest küljest, olles kolm korda "südametunnistusega tehingu" teinud, saame täieliku mängureeglite komplekti igaks juhuks. Elektrodünaamikas on imeline teoreem: olenemata sellest, kui keerulised on arvutused, ei teki kunagi uut tüüpi lahknevusi, kõik taandub tingimata nendele kolmele, millega oleme juba kokku leppinud, kuidas käsitleda. Teooriaid, milles kõik lahknevused elimineeritakse piiratud arvu leppidega, nimetatakse renormaliseeritavateks.

Nõrkade interaktsioonide teooria on üldiselt üles ehitatud elektrodünaamika järgi, kuid sellel on mõned olulised erinevused. Mingil põhjusel vajas loodus footoniga sarnaseid osakesi, mis vastutavad nõrkade interaktsioonide (st W + , W – ja Z bosonite) ülekandumise eest, et olla erinevalt footonist massiivsed. See on eksperimentaalne fakt – kuna kõik mainitud bosonid on avastatud ja nende massid mõõdetud – ning sellel on kõige taunitavamad tagajärjed renormaliseeritavusele. Nimelt võib arvutuste keerukamaks muutudes tekkida lõpmatu hulk uut tüüpi lahknevusi, mis nõuavad vastavalt nende käsitlemiseks lõpmatu hulga uute reeglite juurutamist. On selge, et seda ei saa enam teooriaks nimetada ja selle ennustavast jõust ei jää midagi alles. Higgsi boson aitas tagasi tuua selle renormaliseeritava armu, mida nautisime elektrodünaamikas. Vaatame, kuidas tal see õnnestus – ja selleks peame tegema veel kaks kõrvalepõiget.

Mis on vaakum

Rääkides Higgsi bosoni omadustest, tuleb loobuda paljudest tavapärastest ideedest. Vaakumist kui tühjast ruumist (Vacuum'i nimetus, millel on vene keeles ühine tüvi „evakueerimine” ja „vaba koht”) meenutab ka vaakumi „tühjust”. Tänapäeva definitsioonis ei nimetata vaakumit tühjuseks, vaid võimalikult madala energiaga olekuks. Sel juhul saab vaakumi täita kõige erinevama iseloomuga füüsiliste väljadega. Ideed vaakumist kui materiaalsest keskkonnast hakkasid kujunema kahekümnenda sajandi esimesel poolel. Ja tänapäeval ei ole vaakum millegagi täidetud - siin on Diraci elektronmeri (milles olevaid auke nimetatakse positroniteks) ja kõigi looduses eksisteerivate väljade vältimatud kvantkõikumised ja juba mainitud gluoonkondensaat ... ja lõpuks , Higgsi boson. Küsite, kuidas saime enne elada ja vaakumi materiaalsest täitmisest mitte arvata? Ja umbes sama, nagu me võiksime elada ega arvata atmosfäärirõhu kohta. Proovige endale peale panna nii palju ämbreid vett, et need ulatuksid kümne meetri kõrgusele – see on vaid ühe atmosfääri rõhk. Kuid me ei tunne seda, sest surve mõjub meile igast küljest ja jõud kustutavad üksteist. Me ei märka rõhku ennast, vaid ainult selle erinevust, näiteks kui tuul puhub. Samamoodi ei märka me Higgsi kondensaadi "atmosfääri", kui see on vaikne. Kuid kui lained selles rändavad, registreerime ergastuse ja nimetame seda osakesteks – Higgsi bosoniteks, nagu me nimetame elektromagnetlaineid footoniteks.

Kui eeldame (või postuleerime) Higgsi välja olemasolu, omistame sellele ka teatud omadused. Nimelt, et see väli interakteerub iseendaga ja nii, et energiatiheduse sõltuvus väljatugevusest näeb välja nagu joonisel 1. Seda tüüpi potentsiaalne energia ei tulene kuskilt, see on täpselt postulaat ehk teooria algpositsioon: oletame, et väljade omadused on sellised, ja vaatame, millised märkimisväärsed tagajärjed sellest tulenevad.

Joonis 1. Energiatiheduse U sõltuvus välja H suurusest (Higgsi väli)

Välja suuruse ühemõõtmelise teljega joonis on muidugi oluliselt lihtsustatud: Higgsi väli võib võtta mitte ainult reaalseid, vaid ka keerulisi väärtusi. Lisaks on sellel nõrk isotoopne spin, see tähendab, et see võib nõrgas isotoopruumis võtta erinevaid suundi. Kuid meie kvalitatiivse arutluskäigu jaoks pole need tüsistused praegu nii olulised. On oluline, et Higgsi välja nulltihedusega olek ei oleks energiamiinimum ja seetõttu ebastabiilne. Igasugune paremale või vasakule jääv miinimum võib sama hästi olla vaakum ja loodus libiseb paratamatult ühte neist; kumb on juhuse küsimus (looduse spontaanne valik), kuid ükskõik millise miinimumi loodus valib, on Higgsi välja väärtus selles olekus nullist erinev. Kogu graafik tervikuna on täiesti sümmeetriline, nagu ka seda kirjeldavad võrrandid; kuid nende võrrandite iga lahendus, mis vastab minimaalse energia füüsikalisele nõudele, on tahtmatult asümmeetriline. On toimunud nn spontaanne sümmeetria purunemine. See on Higgsi mehhanismi võtmehetk.

Siin, muide, on täielik analoogia ferromagnetite spontaanse magnetiseerimisega: nende madalaim energia olek vastab ka nullist erinevale makroskoopilisele magnetväljale. Välja suund võib olla mis tahes, kuid selle absoluutväärtus ei ole võrdne nulliga, vaid täpselt määratletud väärtusega. Ja veel: kõik suunad ruumis olid magnetismi algvõrrandites võrdsed, kuid nende võrdsus füüsiliselt realiseerunud süsteemis läks kaduma - süsteem ise valis ühe võrdsetest võimalustest. Samas pole fundamentaalvõrrandid lakanud olemast sümmeetrilised – ja see fakt tuleb meile peagi kasuks. Püüdkem teda mitte unustada.

Mis on mass

Osakeste koosmõju kogu ruumi täitva Higgsi väljaga viib osakeste massi ilmumiseni. Selles kondensaadis olevad osakesed "jäävad kinni" ja omandavad inertsi. Populaarsetes narratiivides mainitakse tavaliselt lastest ümbritsetud jäätisemüüjat või subjektidest ümbritsetud kuningannat – see tähendab, et rahvahulgaga riputatud jäätisemehe või -kuninganna liikuvus väheneb oluliselt ja need näivad muutuvat massiliseks. ." Rangem teaduslikanaloogiaid võib leida tahkisfüüsikast. Seega liigub juhtivuselektron kristallis mingi "efektiivse" massiga osakesena, tugevalterineb selle tegelikust kaalust. See tõhus mass on tegevuseselujõulisus on elektroni ja keskkonna vastasmõju tulemus. Juhtivuse arvutamiseks on palju mugavam kasutada "efektiivset massi", kui näppida kandja täielikku kirjeldust. Samuti on mugav ja üsna vastuvõetav arvestada pooljuhi osakese ja augugap-tüüpi. Me mõistame, et auk ei ole tõeline osake ja et elektronil on väga erinev tegelik mass, kuid ainult seetõttu, et saame elektroni kristallist välja võtta ja seda eraldi uurida. Kuid me ei saa kunagi võtta elementaarosakest vaakumist, see tähendab ruumist välja, ja seetõttu on mass, mille osake on Higgsi vaakumiga suhtlemisel omandanud, tema tegelik mass.

Kuidas see töötab

Niisiis, postuleerisime Higgsi välja potentsiaalse energia avaldise nii, et madalaima energiaga olekus (vaakumis) oli välja tihedus nullist erinev, vaatame uuesti joonist 1. Loodus sai valida õige miinimumi, või võiks valida vasakpoolse, aga igal juhul on pilt viltu – väikesed ergastused vaakumi kohal on tahes-tahtmata asümmeetrilised, alati seotud potentsiaalse energia miinimumiga.
Järgmiseks postuleeerisime elementaarosakeste interaktsiooni Higgsi väljaga, mille tõttu omandasid osakesed massi, mis on võrdeline Higgsi välja vaakumi keskmise väärtusega. Erinevus olukorrast, kui mass määratakse algselt "kätega" (nn kõva massi sisend), seisneb selles, et läbi Higgsi välja sisestatud mass (nn pehme sisend) ei ole konstantne väärtus. See muutub, kui Higgsi väli muutub.

Ja nüüd vaatame figuuri ülemist osa, kõrgete energiate piirkonda. Sellelt kõrguselt ei ole potentsiaalse kaevu põhja lähedal oleva reljeefi väikesed detailid enam olulised ja kogu meie süsteemi käitumine muutub sümmeetriliseks, nagu oli tüüpiline meie põhivõrranditele. Higgsi väli veereb vabalt ühest süvendist teise ja selle keskmine väärtus kipub nulli. See tähendab, et taastatakse käitumine, mis massitutel osakestel oleks (nagu oleks potentsiaalsel kaevul ainult üks miinimum). Meie spontaanselt katkenud sümmeetria taastub ja sel juhul hakkab renormaliseerimise teoreem uuesti tööle. Süsteemi sümmeetrilise ülesehitusega vähenevad kõige kahjulikumad lahknevused ja alles jäävad vaid need, millega saame renormaliseerimisprotseduuriga toime.

Nendes teadustes, kus interaktsioonide kandjad olid juba algselt massita, nagu footonid elektrodünaamikas ja gluoonid kromodünaamikas, oli kõik kohe renormaliseeritav ja arvutusteks mugav. Kuid nõrkade vastasmõjude kandjad – W- ja Z-bosonid – osutusid millegipärast massiliseks. Ja me pidime sellega tegelema. Ja siis mõtlesime välja Higgsi bosoni ja spontaanse sümmeetria purunemise mehhanismi, mis andis meile ülemineku massiivsetelt madala energiaga W- ja Z-bosonitelt (põhimõtteliselt vaakumi lähedal, meie vaatlusele ligipääsetavas piirkonnas) massivabadele kõrgetel bosonitele. energiad (kus need lahutavad õnnetuid integraale). Tulemusi võib väljendada peaaegu aforismi kujul – Higgsi mehhanism mitte ainult ei selgitanud massi päritolu, vaid aitas sellest massist lahti saada.

Maailm ülal ja maailm all (enne ja pärast spontaanset sümmeetria purunemist)

Niisiis, Higgsi bosoni olemasolu tähendus meie jaoks seisneb selles, et see võimaldas meil ühendada näiliselt kokkusobimatuid asju: kõrgete-kõrgete energiate piirkonda, kus W- ja Z-bosonitel ei tohiks olla massi (et ei tekiks eemaldamatuid lahknevusi ) madala energiaga piirkonnaga, kus W- ja Z-bosonite mass on eksperimentaalse faktina. Loodus läks matemaatikutele vastu ega andnud seal "mäekõrguses" bosonitele massi. Osakesed omandavad massi ainult põhjas eluks; mass tekib interaktsiooni tulemusena erinevate vaakumkondensaatidega.

Loodus on seda teinud rohkem kui üks kord. Pea meeles, me ütlesime, et prootoni mass on tingitud gluoonkondensaadist? Seega kaob energia suurenemisega gluoonkondensaat ja koos sellega kaob ka prootonit moodustavate kvarkide mass. Sel juhul prooton lakkab eksisteerimast millegi terviklikuna ja laguneb sidumata kvarkideks. Seda, mida saate, nimetatakse kvark-gluoonplasmaks. Aga sellest räägime millalgi järgmine kord; selle omaduste eest vastutavad tugevad vastasmõjud, samas kui meie oleme endiselt hõivatud nõrkadega. Kuid analoogiast on õppida. Kui meil ei õnnestuks avastada Higgsi bosonit kui iseseisvat põhiosakest, oleks endiselt lootust päästa nõrkade vastastikmõjude teooria, korraldades Higgsi bosoni liitobjektina.

Kuigi kui vaadata laiemalt, elementaarosakeste füüsika piirest väljapoole, siis selgub, et oleme selle õppetunni juba läbinud. Oleme näinud tahkisfüüsikas ülijuhtivuse teoorias Higgsi mehhanismi täiuslikku ekvivalenti ühendi kondensaadiga. Seal oli see Cooperi elektronpaaride kondensaat. Pole midagi uut päikese all.

Ilu kohta

Higgsi mehhanism pole mitte ainult lahendanud meie tehnilisi probleeme, vaid on muutnud ka elu ilusaks. Sest on ilus, kui kõiki selliseid näiliselt erinevaid vastastikmõjusid on võimalik ühtsest vaatenurgast kirjeldada ja nende jaoks põhivõrrandid tuletada ühest üldprintsiibist. Seda põhimõtet nimetatakse kohaliku gabariidi invariantsuseks. Kõik interaktsioonid on paigutatud sama mustri järgi ja erinevad ainult vastava laengu seadme poolest. Elektrilaeng on vaid number. Positiivne või negatiivne, kuid lihtsalt arv ja keerulise süsteemi laeng saadakse selle osade laengute lihtsa aritmeetilise liitmise teel.

Nõrk laeng on matemaatiliselt sarnane spinniga, ainult et see pöörleb eri suundades mitte meie tavapärases ruumis, vaid oma gabariidis (nõrk isotoop). Süsteemi olekut ei anna enam üks arv, vaid kaks: kogu nõrk spin ja selle projektsioon gabariidiruumi mõnele teljele. Täiskeerutuse “bruto” lisamise reegel ei sobi, kuid seal on ranged reeglid, samad, mis tavalisel keerutamisel.

Tugevat laengut nimetatakse värviks. Mingil määral on see ka spinniga sarnane, ainult et keerulisem. Selle gabariidiruum ei ole kolmemõõtmeline, vaid kaheksamõõtmeline ning süsteemi olekut kirjeldavad kolm numbrit: “täisvärv” ja selle projektsioonid gabariidiruumi kahele teljele. Professionaalid ütlevad sõnade "täisvärv" asemel "taandamatu esituse mõõde".

Ja nüüd liigume edasi selle demokraatlike vabaduste ja universaalse sallivuse ereda kehastuse – kohaliku rööpmelaiuse muutumatuse põhimõtte – juurde. Selle olemus seisneb selles, et erinevates ruumipunktides paiknevatel vaatlejatel on õigus määrata telgede orientatsiooni gabariidiruumis, igaühel omal moel, nagu neile meeldib, ja kellelgi pole õigust neilt seda vabadust ära võtta (koos ainus piirang, et gabariidi koordinaatsüsteemi muutus toimub punktist punkti pidevalt). Kuid samal ajal oletame, et osakeste liikumisvõrrandid peaksid iga valiku puhul välja nägema ühesugused.

Kuidas seda nõuet täita? Vabade osakeste (näiteks kvarkide või elektronide või muude leptonite) liikumisvõrrandid sisaldavad tuletist ja nüüd ajab see segamini nii osakese lainefunktsiooni "tõelise" muutuse kui ka muutusega seotud "nähtava" muutuse. koordinaatsüsteemis. Tuletises olevast lisaterminist saate vabaneda täiendavate "kompenseerivate" väljade abil. See tähendab, et lisaks leptoni või kvargi algväljadele toome võrrandisüsteemi ka teisi välju, mis samuti muutuvad telgede pööramisel gabariidiruumis, kuid nii, et see muutus täpselt kompenseerib "lisa" tingimused. On selge, et nende kompenseerivate väljade võrrandid on paika pandud üsna üheselt, sest on täpselt teada, mida kompenseerida on vaja. Nii selgub, et elektrilaengu jaoks on selline kompenseeriv väli elektromagnetiline – koos Maxwelli võrranditega, mis tulenevad otseselt gabariidi põhimõttest. Nõrga laengu puhul on need W ± ja Z bosonite väljad ning tugeva laengu puhul gluoonide väljad. Maxwelli võrrandite analooge kahel viimasel juhul nimetatakse Yang-Millsi võrranditeks. (Seda kolme peaga tugev-nõrk-elektromagnetilist draakonit nimetatakse tegelikult standardmudeliks. Muidugi koos kõigi põhiosakeste loendiga ja nende liigitusega laengutüübi järgi.)

Ja kõik oleks suurepärane, kui mitte mõni tüütu pisiasi. Fermionid (elektronid või muud leptonid, aga ka kvargid) osalevad nõrkades interaktsioonides erineval viisil, sõltuvalt nende helilisusest. eksperimentaalne fakt. Nõrgad interaktsioonid on meile teadaolevad ainsad, mis eristavad vasakut ja paremat spiraalset olekut. See pole halb mitte iseenesest, vaid seetõttu, et massiivsete osakeste helilisuse mõiste osutub mitmetähenduslikuks. Tuletage meelde, et helilisus on osakese spinni projektsioon selle impulsile. Ja kui osakese mass on nullist erinev, siis liigub ta alati aeglasemalt kui valguse kiirusel ja seetõttu saab osakesest alati “mööda sõita”, st üle kanda samas suunas liikuvale võrdlusraamile, ainult kl. suurem kiirus. Ja sellises võrdlusraamis on osakese impulss juba vastupidise suunaga ja koos sellega muudab märki ja helilisust. Kuid kui vastastikmõju jõud, mida iseloomustab tingimuslik "laeng", sõltub tugiraamistikust, tähendab see, et sellist muutumatut laengut ei saa lihtsalt määrata. Pigem ei saa seda defineerida nii, et see säiliks. Ja siis variseb kogu see ilus skeem kokku kõigi võrrandite tuletamisega ühest printsiibist. Sest gabariidi invariantsi järgimine ja vastava konserveeritud laengu olemasolu on matemaatilisest vaatepunktist sama asi. Noetheri teoreem. Muidugi võiks võrrandeid mitte tuletada, vaid lihtsalt postuleerida nii, nagu nad on, see ei mõjuta ennustusvõimet. Aga sellest on kahju. Tekib tunne, et oleme tabanud looduses mingi olulise seaduspärasuse.

Hüpotees spontaansest sümmeetria purunemisest maalib meie jaoks teistsuguse pildi. Sellel pildil on koht algselt katkematu sümmeetriaga maailmas, kus võrrandid on kõik mõõteinvariantsed, osakestel pole massi, helilisuse mõiste on üheselt defineeritud ja laengud säilivad. Miski ei takista Yang-Millsi võrrandite tuletamist gabariidi põhimõttest. Ja siis laskuge allolevasse maailma. Seejärel omandavad osakesed massi ja samal ajal lakkab nõrk laeng säilimast. Aga nüüd me seda ei karda, sest Higgsi mehhanism näitab selgelt, kust puuduv laeng tuleb ja kuhu ülejääk läheb. Vastus: sulandub vaakumiks. Vaakumisse, kus selle ammendamatud varud kogunevad Higgsi kondensaadis. See tähendab, et nõrk laeng on endiselt olemas, aga mis konserveerimine saab olla, kui süsteem pole suletud? Vahetame pidevalt nõrka laengut vaakumiga. Nii on omavahel seotud asjad jällegi - säilivusseaduse sünonüümina on laeng, kuid säilivust ennast pole. Matemaatika!

Naudingu täielikkuse huvides jääb üle selgitada vabadusastmed.

Teame, et süsteemidel, mille spinn on võrdne ühtsusega, on kolm kvantolekut. Keegi mäletab aatomifüüsika kolmiktasemeid, kuid meie puhul räägime vektorosakeste polarisatsioonist, mis kõik on mõõtebosonid. Kui osake on massiivne, on sellel kolm polarisatsiooni olekut (kaks põiki ja üks pikisuunaline) ja kui see on massitu, nagu footon, siis ainult kaks, risti. Meenutagem nüüd footonite põikpolarisatsiooni, sellest räägiti meile koolis. Nüüd on aeg hakata muretsema, sest katkematu sümmeetria maailmas oli W ± ja Z 0 bosonite massitutel eellastel kummalgi kaks polarisatsiooniolekut, massiivsetel eellastel aga kolm.

Kust need täiendavad vabadusastmed tulid? Ja siin on koht: katkematu sümmeetria maailmas ei olnud Higgsi väljal mitte üks vabadusaste, vaid neli. Olen juba öelnud, et Higgsi väli võtab kompleksväärtusi (ja iga kompleksarv on võrdne kahe reaalarvuga) ja sellel on nõrk spin (mis võib nõrgas isotoopruumis olla "üles" või "alla"). Ja pole juhus, et ma nimetasin nüüd katkematu sümmeetria maailmas massituid välju gabariidibosonite eellasteks, mitte aga bosoniteks endiks, sest need muutusid meile mitte otseselt teadaolevateks footoniteks, W + , W - ja Z 0 bosoniteks. , kuid moodustavad omavahel mingi kvantsuperpositsiooni . Selles kvantsuperpositsioonis osalesid ka Higgsi väljad. Ja selle tulemusena muutsid kolm neljast Higgsi väljast oma registreerimist ja said tööd massiivsete bosonite polarisatsiooni kolmanda (piki) komponendina. Vaid üks põld jäi oma endise nime alla ja me avastasime selle CERNis. Vabadusastmete ümberjaotamine on elektronõrga interaktsiooni üldteooria üks olulisi sõlme.

Idee läbimurre? - Jah; see seisneb oletuses, et algsed seadused on vastavalt Jumala plaanile täiuslikud ja sümmeetrilised (ning tagavad seega meile nii renormaliseeritavuse kui ka laengute säilimise) ning seaduste “kalduvus”, mida me oru maailmas näeme, on ainult näiline, see on tingitud vaakumi vildakast paigutusest, mis sai selliseks Higgsi bosoni sekkumise tõttu. Siit leidsime süüdlase. Ja miks ei võiks Higgsi bosonit kutsuda kuradiosakeseks? Kuid kas jumalikus täiuslikus maailmas on kohta inimesele?

Sellele vastuse leidmiseks peaksime rääkima veel kahest, lapsikust küsimusest.

Mis juhtuks, kui...

Ja mis juhtuks, kui looduses poleks üldse nõrku vastastikmõjusid? Kas me märkaksime seda palja silmaga?

Jah, sa märkaksid! Siis päike ei paistaks. Kuna kaks põrkuvat prootonit ei saanud muutuda deuteeriumi tuumaks - ja see on esimene samm reaktsiooniahelas, mis muudab vesiniku heeliumiks ja on peamine päikeseenergia allikas.

Ja mis juhtuks, kui nõrgad bosonid oleksid massita?

Siis oleks Päikesel suure tõenäosusega olnud teised mõõtmed; see oleks tõenäoliselt suurem kui Maa praegune orbiit ja isegi kui ükskõik millise planeedi orbiit. Iga tähe suuruse määrab tasakaal gravitatsioonijõudude, mis sõltuvad tähe massist, ja termilise rõhu vahel, mis sõltub tuumareaktsioonides vabaneva energia intensiivsusest. Massita W-bosonite puhul oleks vesiniku muundamine heeliumiks olnud palju lihtsam ja kiirem (mitu triljoneid kordi) ning termiline rõhk ei oleks võimaldanud Päikesel kahaneda oma praeguse suuruseni.

Mõlemal juhul oleks elu meile teadaoleval kujul võimatu.

– Sergei Pavlovitš, lubage mul esitada teile veel üks lapsik küsimus: kui palju Higgsi bosoni avastamine "kiidub" suureks? Või tõsisemalt, kas see avastus toob juba olemasolevasse maailmapilti midagi uut?

On arvamus ja ma jagan seda, et Nobeli preemiat polnud vaja anda. No tegelikult – kellele? Higgsi mehhanism on tahkisfüüsikas tuntud juba üsna pikka aega, alates 1965. aastast, nii et uudsust selles kui sellises ilmselt ei ole. Põhiline uudsus oli see, kui seda oli võimalik kohandada elementaarosakeste füüsika vajadustega ja ehitada selle abil üldine elektronõrga interaktsiooni teooria. Kuid teoreetikud Sheldon Glashow, Steven Weinberg ja Abdus Salam said selle teooria eest Nobeli preemia juba 1979. aastal, aga ka Yochiro Nambu 2008. aastal pika viivitusega elementaarosakeste füüsika spontaanse sümmeetria purunemise mehhanismi eest.

Teooria eksperimentaalne kontrollimine eeldas selle ennustatud W- ja Z-bosonite – nõrkade vastasmõjude kvantkandjate – avastamist ning katsetajad Carlo Rubbia ja Van der Meer said oma avastuse eest Nobeli preemia juba 1984. aastal. Arvestades, et koostöös oli mitusada kaasautorit, sõnastati teene kui "otsustav panus suurde projekti".

Higgsi bosoni avastamise ajal on kaks koostööd teinud enam kui kolme tuhande inimese jaoks, CMS ja ATLAS. Kellele tuleks auhind anda? Jälle juhid? Aga koostöös toimib rotatsiooni põhimõte - juhid vahetuvad iga kahe aasta tagant - ja koostööd ise on eksisteerinud juba 20 aastat ning võib öelda, et avastuse juhtudes leidis praegused juhid ametist vaid juhus. Õigemini siis, kui kogunes statistika, millest piisas ettevaatlikeks järeldusteks.

Aga teisalt ei saanud ka auhinda andmata jätta. LHC ehitati üldiselt spetsiaalselt Higgsi bosoni huvides. Higgsi boson oli finantsasutuste ees õigustatud.

Võib-olla pole kahtlustki, et avastati uus osake ja avastati just see osake, mida standardmudel vajas. Kuid küsimus jääb, kas avastused on lõppenud? Kas see oli viimane veel avastamata osake või ainult kõige kergem uuest perekonnast? Mõned vana teooria probleemid lahendati võidukalt, kuid palju jäi selgitamata, sealhulgas osakeste masside hierarhia probleem ja Higgsi bosoni enda massi kiirgusparanduste probleem. Nende selgitamiseks on loomulikum eeldada mõne uue objekti olemasolu suurusjärgus TeV; vastasel juhul tuleb eeldada parameetrite juhuslikku peenhäälestust.

Pigem nõustuksin V.A.Rubakoviga, kes usub, et astume uude ajastusse ja meie boson on vaid niidiots. Miks isegi tavaliste osakeste maailmas avastusi sadas: esimest korda ja pealegi korraga avastati hulgaliselt uut tüüpi mesoneid, mis väljuvad klassikalisest kvark-antikvark-skeemist. Ei, ei, mina – niidiotsa eest!

- Kas teie arvates on etteheited tänapäeva teadusele ja teadlastele – teadus alandav, tõeliselt suuri teadlasi pole olemas – kas need on õiglased? Või on see kõik täiesti erinev?

Kaader filmist Kevad (Mosfilm, 1947).
R. Plyatti kangelane selgitab teadlaste töö spetsiifikat:
„Kuidas nad töötavad? Nii et ma istusin maha ja mõtlesin... Ma avasin selle!
Kõige tähtsam on mõelda... Niimoodi. Ja täielik tellimus!

Teadlane on paradoksaalne elukutse, tema saatus on teha seda, mida keegi ei saa, sealhulgas tema ise, sest lahenduse leidmisel läheb probleem teaduse kategooriast inseneri kategooriasse ja siis tegelevad sellega teised. ja teadlane jääb jälle üksi tundmatusega üheks.

Teaduse puhul on kõik mõnevõrra teisiti, kui tavavaatlejale tundub. See kehtib eriti fundamentaalteaduse kohta, millel on nii otsene kui ka kaudne mõju. Enamik kaasaegseid tehnilisi uuendusi ja "tsivilisatsiooni mugavusi" on tegelikult fundamentaalteaduse kõrvalsaadus. Näiteks seesama Internet, ilma milleta pole tänapäeval mõeldav. Ka avastuste kasutamine "sihtotstarbeliselt" juhtub, kuid mitte alati ja mitte kiiresti. Teadus on sarnane ekspeditsiooniga, mille me varustame, teadmata, mis meid ees ootab: mäed, tasandikud, kõrbed, sood ... Ja tegelikult asume pimedale teekonnale, meile tulevad appi ainult kogutud teadmised ja kogemused (kui nad on selles valdkonnas) ja teadlase intuitsioon.

Elu on korraldatud nii, et seame endale täiesti "mänguasja", näib, ülesanded, mida keegi ei vaja. Otsime seda arusaamatut Higgsi bosonit, kontrollime standardmudeli "tugevust", proovides simuleerida universumi sündi. Kuid nende kunstlike ülesannete ettekäändel teaduskaugele inimesele töötame välja kõige arenenumad tehnoloogiad, mis seejärel sisenevad meie ellu ja muudavad seda radikaalselt.

Pärast Newtoni teooriat ei muutunud 200 aasta jooksul peaaegu midagi. Ja see oli teadmiste kogumise, kontrollimise aeg, mis ja kui palju selle füüsika raamidesse mahub. Ja siis tekkisid probleemid, mis sinna ei mahtunud: valguse kiiruse määratlus, tahke keha kiirgusspektri selgitamine (selle tulemusena "hüppas välja" Plancki konstant) ja palju muud. Hakkasime kaose vastu huvi tundma, mõistsime ühtäkki, et Newtoni mehaanika on pigem erand kui elu reegel. Hakkasid arenema kvantmehaanika, üld- ja erirelatiivsusteooriad. Muide, üks väga mänguline küsimus - " Miks on öösel pime? (nö Olbersi fotomeetriline paradoks – u. väljaanded ) - viis terve astrofüüsikalise suuna väljatöötamiseni. Ja see küsimus sai lõpliku lahenduse alles 20. sajandil: umbes sada aastat otsiti vastust!

Arvan, et ka praegu oleme juba omandatud teadmiste ja avastuste põhjal refleksiooni, kogemuste kogumise etapis. Eelkõige Higgsi bosoni juurde naastes on siin üks ülesandeid standardmudeli kinnitamine, otsida seda, mis võib selle ulatust väljapoole jääda. Ja ühel hetkel selles tunnetusprotsessis tekib veel üks lapsik küsimus, mis annab tõuke uuele füüsikale, mida praegu ei ole näha.

Intervjueeris E. Ljubtšenko, API "FIAN-inform"

___________________________________________

Lederman Leon Max- Ameerika füüsik, Nobeli füüsikaauhinna laureaat 1988. aastal müüoni neutriino avastamise eest ("Neutriinokiire meetodile ja leptonite dublettstruktuuri demonstreerimisele müüoni neutriino avastamise kaudu").

Rubakov Valeri Anatolijevitš- Vene teoreetiline füüsik, üks maailma juhtivaid teadlasi kvantväljateooria, elementaarosakeste füüsika ja kosmoloogia alal, Venemaa Teaduste Akadeemia akadeemik, füüsika- ja matemaatikateaduste doktor. Praegu töötab ta Venemaa Teaduste Akadeemia tuumauuringute instituudi (INR) asedirektorina.

Meie Quantuzis (püüame liituda GT kogukonnaga) pakume oma tõlget saidi particleadventure.org Higgsi bosoni jaotisest. Selles tekstis oleme välja jätnud mitteinformatiivsed pildid (vt täisversiooni originaalis). Materjal pakub huvi kõigile, kes on huvitatud rakendusfüüsika viimastest saavutustest.

Higgsi bosoni roll

Higgsi boson oli viimane standardmudelis avastatud osake. See on teooria oluline komponent. Tema avastus aitas kinnitada mehhanismi, mille abil põhiosakesed omandavad massi. Need standardmudeli põhiosakesed on kvargid, leptonid ja jõudu kandvad osakesed.

1964. aasta teooria

1964. aastal püstitasid kuus teoreetilist füüsikut hüpoteesi uue välja olemasolust (sarnane elektromagnetväljaga), mis täidab kogu ruumi ja lahendab kriitilise probleemi meie arusaamises universumist.

Sellest hoolimata töötasid teised füüsikud välja fundamentaalsete osakeste teooria, mida lõpuks nimetati "Standardmudeliks", mis andis fenomenaalse täpsuse (standardmudeli mõne osa katseline täpsus ulatub 1:10 miljardi kohta. See võrdub kauguse ennustamisega New Yorgis ja San Franciscos umbes 0,4 mm täpsusega). Need jõupingutused on omavahel tihedalt seotud. Standardmudel vajas osakeste massi omandamiseks mehhanismi. Väljateooria töötasid välja Peter Higgs, Robert Braut, François Engler, Gerald Guralnik, Carl Hagen ja Thomas Kibble.

boson

Peter Higgs mõistis, et analoogselt teiste kvantväljadega peab selle uue väljaga olema seotud osake. Selle spinn peab olema nulliga võrdne ja seega peab see olema boson - täisarvulise spinniga osake (erinevalt fermionidest, millel on pooltäisarvuline spin: 1/2, 3/2 jne). Tõepoolest, see sai peagi tuntuks kui Higgsi boson. Tema ainus puudus oli see, et keegi teda ei näinud.

Mis on bosoni mass?

Kahjuks ei täpsustanud bosoni ennustav teooria selle massi. Möödus aastaid, enne kui sai selgeks, et Higgsi boson peab olema äärmiselt raske ja suure tõenäosusega enne suurt hadronite põrgajat (LHC) ehitatud rajatiste jaoks kättesaamatus.

Pidage meeles, et vastavalt E=mc 2 -le, mida suurem on osakese mass, seda rohkem on selle loomiseks vaja energiat.

Ajal, mil LHC 2010. aastal andmeid koguma hakkas, näitasid teiste kiirenditega tehtud katsed, et Higgsi bosoni mass peab olema suurem kui 115 GeV/c2. LHC katsete käigus kavatseti otsida tõendeid bosoni massivahemikus 115–600 GeV/c2 või isegi üle 1000 GeV/c2.

Igal aastal oli võimalik eksperimentaalselt välistada suurema massiga bosoneid. 1990. aastal teati, et soovitud mass peab olema suurem kui 25 GeV/c2 ja 2003. aastal selgus, et see on suurem kui 115 GeV/c2

Kokkupõrked suure hadronipõrguti juures võivad tekitada palju huvitavaid asju

Dennis Overbye ajalehes The New York Times räägib triljondiku sekundi tingimuste taasloomisest pärast Suurt Pauku ja ütleb:

« … [plahvatuse] jäänuseid selles ruumiosas pole nähtud pärast universumi jahtumist 14 miljardit aastat tagasi – elu kevad on põgus, ikka ja jälle kõigis oma võimalikes variatsioonides, justkui osaleks universum oma versioon filmist “Groundhog Day”»

Üks neist "jäänustest" võib olla Higgsi boson. Selle mass peab olema väga suur ja see peab lagunema vähem kui nanosekundi jooksul.

Teadaanne

Pärast poole sajandi pikkust ootamist on draama muutunud pingeliseks. Füüsikud magasid auditooriumi sissepääsu juures, et võtta kohad Genfis CERNi laboris toimuval seminaril.

Kümne tuhande miili kaugusel teisel pool planeeti Melbourne'is toimunud mainekale rahvusvahelisele osakestefüüsika konverentsile kogunesid sajad teadlased üle maailma, et kuulata Genfist ülekantavat seminari.

Kuid kõigepealt vaatame eeltingimusi.

Ilutulestik 4. juulil

4. juulil 2012 esitlesid ATLASe ja CMS-i eksperimentide juhid suures hadronite põrkeseadmes oma viimaseid tulemusi Higgsi bosoni otsingutest. Käisid kuulujutud, et nad kavatsevad avaldada rohkemat kui lihtsalt tulemuste aruannet, kuid mida?

Muidugi, kui tulemused esitati, teatasid mõlemad katseid läbi viinud koostööpartnerid, et nad leidsid tõendeid osakese "nagu Higgsi boson" olemasolu kohta massiga umbes 125 GeV. See oli kindlasti osake ja kui see pole Higgsi boson, siis on see väga hea imitatsioon.

Tõendid ei olnud küsitavad, teadlastel oli viis sigma tulemust, mis tähendab, et oli vähem kui üks võimalus miljonist, et andmed olid lihtsalt statistiline viga.

Higgsi boson laguneb teisteks osakesteks

Higgsi boson laguneb teisteks osakesteks peaaegu kohe pärast selle tootmist, seega saame jälgida ainult selle lagunemissaadusi. Kõige tavalisemad lagunemised (nende hulgas, mida näeme) on näidatud joonisel:

Iga Higgsi bosoni lagunemisrežiimi nimetatakse "lagunemiskanaliks" või "lagunemisrežiimiks". Kuigi bb-režiim on tavaline, toodavad paljud teised protsessid sarnaseid osakesi, nii et kui jälgite bb-i lagunemist, on väga raske öelda, kas osakesed pärinesid Higgsi bosonist või millestki muust. Me ütleme, et bb-i lagunemisrežiimil on "lai taust".

Parimad lagunemiskanalid Higgsi bosoni otsimiseks on kahe footoni ja kahe Z-bosoni kanalid.*

*(Tehniliselt 125 GeV massiga Higgsi bosoni puhul pole lagunemine kaheks Z-bosoniks võimalik, kuna Z-bosoni mass on 91 GeV, seega on paari mass 182 GeV, mis on suurem kui 125 GeV. vaadelda on lagunemine Z-bosoniks ja virtuaalseks Z-bosoniks (Z*), mille mass on palju väiksem.)

Higgsi bosoni lagunemine Z + Z-ks

Z-bosonitel on ka mitu lagunemisrežiimi, sealhulgas Z → e+ + e- ja Z → µ+ + µ-.

Z + Z lagunemisrežiim oli ATLAS-i ja CMS-i katsete jaoks üsna lihtne, kui mõlemad Z-bosonid lagunesid ühes kahest režiimist (Z → e+ e- või Z → µ+ µ-). Joonisel on Higgsi bosoni neli täheldatud lagunemisrežiimi:

Lõpptulemus on see, et mõnikord näeb vaatleja (lisaks mõnele sidumata osakesele) nelja müüoni või nelja elektroni või kahte müüoni ja kahte elektroni.

Milline näeks välja Higgsi boson ATLASe detektoris?

Sel juhul näis, et "jet" (joa) langes ja Higgsi boson tõusis, kuid see lagunes peaaegu kohe. Iga kokkupõrkepilti nimetatakse "sündmuseks".

Näide sündmusest koos Higgsi bosoni võimaliku lagunemisega ilusa animatsiooni kujul kahe prootoni kokkupõrkest suures hadronite põrkeseadmes saab vaadata selle lingi allika saidilt.

Sel juhul saab tekitada Higgsi bosoni ja seejärel kohe laguneda kaheks Z-bosoniks, mis omakorda kohe lagunevad (jättes kaks müüoni ja kaks elektroni).

Mehhanism, mis annab osakestele massi

Higgsi bosoni avastamine on uskumatu vihje mehhanismile, mille abil põhiosakesed omandavad massi, nagu on väitnud Higgs, Brout, Engler, Gerald, Carl ja Kibble. Mis see mehhanism on? See on väga keeruline matemaatiline teooria, kuid selle peamist ideed saab mõista lihtsa analoogia kujul.

Kujutage ette ruumi, mis on täidetud Higgsi väljaga nagu seltskond füüsikuid, kes vestlevad üksteisega rahulikult kokteilidega ...
Ühel hetkel siseneb Peter Higgs, kes tekitab üle ruumi liikudes segadust ja tõmbab igal sammul kohale fännide rühma...

Enne ruumi sisenemist sai professor Higgs vabalt liikuda. Kuid pärast füüsikuid täis ruumi sisenemist tema kiirus langes. Rühm austajaid aeglustas teda ruumis; teisisõnu, ta on massi juurde võtnud. See on analoogne massita osakesega, mis omandab massi, kui suhtleb Higgsi väljaga.

Kuid ta tahtis ainult baari jõuda!

(Analoogia idee kuulub Londoni ülikooli kolledži prof. David J. Millerile, kes võitis auhinna Higgsi bosoni ligipääsetava selgituse eest – © CERN)

Kuidas saab Higgsi boson oma massi?

Teisalt, samal ajal kui uudis ruumis levib, moodustavad nad ka inimrühmi, kuid seekord eranditult füüsikutest. Selline seltskond võib aeglaselt ruumis ringi liikuda. Nagu teisedki osakesed, omandab Higgsi boson massi lihtsalt Higgsi väljaga suheldes.

Higgsi bosoni massi leidmine

Kuidas leida Higgsi bosoni mass, kui see laguneb enne meie leidmist teisteks osakesteks?

Kui otsustate jalgratta kokku panna ja soovite teada selle massi, peaksite lisama jalgratta osade massid: kaks ratast, raam, juhtraud, sadul jne.

Kuid kui soovite arvutada Higgsi bosoni massi osakeste põhjal, milleks see lagunes, ei saa te masse lihtsalt lisada. Miks mitte?

Higgsi bosoni lagunemisosakeste masside liitmine ei toimi, kuna neil osakestel on puhkeenergiaga võrreldes tohutu kineetiline energia (pidage meeles, et puhkeolekus oleva osakese puhul E = mc 2). Selle põhjuseks on asjaolu, et Higgsi bosoni mass on palju suurem kui selle lagunemise lõppsaaduste massid, mistõttu ülejäänud energia läheb kuhugi, nimelt pärast lagunemist ilmnenud osakeste kineetilisesse energiasse. Relatiivsusteooria käsib meil kasutada allolevat võrrandit osakeste hulga "invariantse massi" arvutamiseks pärast lagunemist, mis annab meile "vanema", Higgsi bosoni massi:

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

Higgsi bosoni massi leidmine selle lagunemissaaduste põhjal

Quantuzi märkus: me pole siin tõlkes veidi kindlad, kuna seal on eriterminid. Soovitame igaks juhuks tõlget allikaga võrrelda.

Kui me räägime lagunemisest nagu H → Z + Z* → e+ + e- + µ+ + µ-, siis võivad ülaltoodud neli võimalikku kombinatsiooni tuleneda nii Higgsi bosoni lagunemisest kui ka taustprotsessidest, seega peame vaatama nende kombinatsioonide nelja osakese kogumassi histogrammi.

Massi histogramm viitab sellele, et me jälgime suurt hulka sündmusi ja märgime nende sündmuste arvu, kui saadakse lõplik invariantne mass. See näeb välja nagu histogramm, kuna muutumatud massiväärtused on jagatud veergudeks. Iga veeru kõrgus näitab sündmuste arvu, mille puhul invariantne mass jääb vastavasse vahemikku.

Võime ette kujutada, et need on Higgsi bosoni lagunemise tulemused, kuid see pole nii.

Higgsi bosoni andmed taustal

Histogrammi punased ja lillad alad näitavad "tausta", milles eeldatakse nelja leptoni sündmuste arvu toimumist ilma Higgsi bosoni osaluseta.

Sinine ala (vt animatsioon) tähistab "signaali" ennustust, milles nelja leptoni sündmuste arv viitab Higgsi bosoni lagunemise tulemusele. Signaal on taustal, sest prognoositud sündmuste koguarvu saamiseks liidate lihtsalt kokku sündmuste kõik võimalikud tagajärjed.

Mustad punktid näitavad täheldatud sündmuste arvu, samas kui mustad jooned läbi punktide tähistavad nende numbrite statistilist ebakindlust. Andmete suurenemine (vt järgmist slaidi) 125 GeV juures on märk uuest 125 GeV osakesest (Higgsi bosonist).

Algsaidil on animatsioon Higgsi bosoni andmete arengust selle akumuleerumisel.

Higgsi bosoni signaal tõuseb aeglaselt taustast kõrgemale.

Andmed kaheks footoniks lagunenud Higgsi bosonist

Lagunemine kaheks footoniks (H → γ + γ) on veelgi laiema taustaga, kuid sellest hoolimata on signaal selgelt eristatav.

See on Higgsi bosoni kaheks footoniks lagunemise muutumatu massi histogramm. Nagu näha, on taust eelmise süžeega võrreldes väga lai. Seda seetõttu, et kahte footoni tekitavaid protsesse on palju rohkem kui nelja leptonit tekitavaid protsesse.

Punane punktiirjoon näitab tausta ja paks punane joon näitab tausta ja signaali summat. Näeme, et andmed on heas kooskõlas uue osakesega umbes 125 GeV.

Esimeste andmete puudused

Andmed olid lõplikud, kuid mitte täiuslikud ja neil oli olulisi vigu. 4. juuliks 2012 ei olnud saadaval piisavalt statistikat, et määrata kindlaks osakese (Higgsi bosoni) lagunemise kiirus standardmudelis ennustatud erinevateks vähemmassiivsete osakeste komplektideks (nn hargnemisproportsioonid).

"Hargnevusproportsioon" on lihtsalt tõenäosus, et osake laguneb antud lagunemiskanali kaudu. Neid proportsioone ennustab standardmudel ja mõõdetakse samade osakeste lagunemist korduvalt jälgides.

Järgmine graafik näitab parimaid hargnemisproportsioonide mõõtmisi, mida saame teha 2013. aasta seisuga. Kuna need on standardmudeli ennustatud proportsioonid, on ootus 1,0. Punktid on praegused mõõtmised. Ilmselgelt on vearibad (punased jooned) siiski enamasti liiga suured, et mingeid tõsiseid järeldusi teha. Neid segmente vähendatakse uute andmete vastuvõtmisel ja punktid võivad liikuda.

Kuidas teada saada, et inimene jälgib Higgsi bosonikandidaadi sündmust? On unikaalseid parameetreid, mis sellised sündmused silma paistavad.

Kas osake on Higgsi boson?

Kuigi uue osakese lagunemine tuvastati, ei olnud selle toimumise kiirus 4. juuliks veel selge. Ei olnud isegi teada, kas avastatud osakesel olid õiged kvantarvud – st kas sellel oli Higgsi bosoni jaoks vajalik spinn ja paarsus.

Teisisõnu, 4. juulil nägi see osake välja nagu part, kuid me pidime veenduma, et see ujub nagu part ja vuliseb nagu part.

Kõik ATLAS-i ja CMS-i eksperimentide tulemused suures hadronite põrkeseadmes (ja ka Fermi labori Tevatron Collideris) pärast 4. juulit 2012 näitasid märkimisväärset kokkusobivust eeldatavate hargnemisproportsioonidega viie ülalkirjeldatud lagunemisrežiimi puhul ja eeldatava spinniga. (võrdub nulliga) ja paarsus (võrdub +1), mis on põhilised kvantarvud.

Need parameetrid on olulised, et teha kindlaks, kas uus osake on tõesti Higgsi boson või mõni muu ootamatu osake. Seega viitavad kõik olemasolevad tõendid standardmudeli Higgsi bosonile.

Mõned füüsikud pidasid seda pettumuseks! Kui uus osake on Higgsi boson standardmudelist, siis on standardmudel sisuliselt valmis. Kõik, mida nüüd teha saab, on mõõta juba avastatud asju järjest suurema täpsusega.

Kuid kui uus osake osutub millekski, mida standardmudel ei ennusta, avab see ukse paljudele uutele teooriatele ja ideedele, mida testida. Ootamatud tulemused nõuavad alati uusi selgitusi ja aitavad teoreetilist füüsikat edasi lükata.

Kust tuli universumis mass?

Tavalises aines sisaldub suurem osa massist aatomites või, täpsemalt öeldes, prootonitest ja neutronitest koosnevas tuumas.

Prootonid ja neutronid koosnevad kolmest kvargist, mis omandavad oma massi Higgsi väljaga suhtlemisel.

AGA… kvarkide massid annavad umbes 10 MeV, mis on umbes 1% prootoni ja neutroni massist. Kust siis ülejäänud mass tuleb?

Selgub, et prootoni mass tekib seda moodustavate kvarkide kineetilise energia tõttu. Nagu te kindlasti teate, on mass ja energia seotud väärtusega E=mc 2 .

Seega kuulub Higgsi mehhanismi vaid väike osa universumi tavalise aine massist. Kuid nagu näeme järgmises osas, oleks universum ilma Higgsi massita täiesti elamiskõlbmatu ja poleks kedagi, kes avastaks Higgsi mehhanismi!

Kui Higgsi välja poleks?

Kui Higgsi välja poleks, siis milline oleks universum?

See pole nii ilmne.

Kindlasti ei seoks miski aatomites elektrone. Nad lendaksid valguse kiirusel.

Kuid kvarke seob tugev vastastikmõju ja nad ei saa eksisteerida vabas vormis. Mõned kvarkide seotud olekud võisid säilida, kuid prootonite ja neutronite kohta pole selge.

Tõenäoliselt oleks see kõik tuumalaadne aine. Ja võib-olla kukkus see kõik kokku gravitatsiooni mõjul.

Fakt, milles oleme täiesti kindlad: universum oleks külm, pime ja elutu.
Seega päästab Higgsi boson meid külmast, pimedast ja elutust universumist, kus pole inimesi, kes Higgsi bosonit avastaksid.

Kas Higgsi boson on standardmudeli boson?

Teame kindlalt, et osake, mille me avastasime, on Higgsi boson. Teame ka, et see on väga sarnane standardmudeli Higgsi bosoniga. Kuid on kaks punkti, mida pole ikka veel tõestatud:

1. Hoolimata sellest, et Higgsi boson pärineb standardmudelist, on väikesed lahknevused, mis viitavad uue füüsika olemasolule (praegu teadmata).
2. Higgsi bosoneid on rohkem kui üks, erineva massiga. See viitab ka sellele, et tuleb uurida uusi teooriaid.

Ainult aeg ja uued andmed näitavad kas standardmudeli ja selle bosoni puhtust või põnevaid uusi füüsikalisi teooriaid.

Akadeemik Valeri Rubakov, Venemaa Teaduste Akadeemia ja Moskva Riikliku Ülikooli Tuumauuringute Instituut.

4. juulil 2012 toimus füüsika jaoks silmapaistva tähtsusega sündmus: CERN-is (Euroopa Tuumauuringute Keskuses) toimunud seminaril teatati uue osakese avastamisest, mis, nagu avastuse autorid ettevaatlikult kinnitavad, vastab oma omadustes elementaarfüüsika osakeste standardmudeli teoreetiliselt ennustatud elementaarbosonile. Tavaliselt nimetatakse seda Higgsi bosoniks, kuigi see nimi pole päris adekvaatne. Olgu kuidas on, räägime ühe fundamentaalfüüsika põhiobjekti avastamisest, millel pole teadaolevate elementaarosakeste seas analooge ja millel on ainulaadne koht maailma füüsilises pildis (vt "Teadus ja elu" nr. 1, 1996, artikkel "Boson Higgsi on vaja!").

LHC-B detektor on mõeldud B-mesonite – b-kvarki sisaldavate hadronite – omaduste uurimiseks. Need osakesed lagunevad kiiresti, olles suutnud osakeste kiirest eemale lennata vaid millimeetri murdosa võrra. Foto: Maximilien Brice, CERN.

Standardmudeli elementaarosakesed. Peaaegu kõigil neil on oma antiosakesed, mis on tähistatud sümboliga, mille peal on tilde.

Koostoimed mikrokosmoses. Elektromagnetiline interaktsioon tekib footonite emissiooni ja neeldumise tõttu (a). Nõrgad interaktsioonid on sarnase iseloomuga: need on tingitud Z-bosonite (b) või W-bosonite (c) emissioonist, neeldumisest või lagunemisest.

Higgsi boson H (spin 0) laguneb kaheks footoniks (spin 1), mille spinnid on paralleelsed ja moodustavad 0.

Kui kiirelektron kiirgab footoni või kiirgab Z-bosoni, siis selle spinni projektsioon liikumissuunale ei muutu. Ümar nool näitab elektroni sisemist pöörlemist.

Ühtlases magnetväljas liigub elektron sirgjooneliselt piki välja ja spiraalselt igas teises suunas.

Suure lainepikkusega ja seetõttu madala energiaga footon ei suuda lahendada π-mesoni - kvark-antikvark paari - struktuuri.

Suures hadronipõrgutis tohutute energiateni kiirendatud osakesed põrkuvad, tekitades palju sekundaarseid osakesi – reaktsiooniprodukte. Nende hulgas oli ka Higgsi bosoni avastamine, mida füüsikud lootsid leida ligi pool sajandit.

Inglise füüsik Peter V. Higgs tõestas 1960. aastate alguses, et elementaarosakeste standardmudelil peab olema veel üks boson – väljakvant, mis loob aines massi.

Mis toimus seminaril ja enne seda

Seminari väljakuulutamine tehti juuni lõpus ja kohe sai selgeks, et see tuleb erakordne. Tõsiasi on see, et esimesed märgid uue bosoni olemasolust saadi juba 2011. aasta detsembris CERNi suures hadronite põrkeseadmes (LHC – Large Hadron Collider) läbi viidud ATLAS-i ja CMS-i katsetes. Lisaks ilmus veidi enne seminari teade, et uue bosoni olemasolule viitavad ka prooton-antiprootoni põrkuri Tevatron (Fermilab, USA) katseandmed. Sellest kõigest siiski ei piisanud, et avastusest rääkida. Kuid alates detsembrist on LHC-s kogutavate andmete hulk kahekordistunud ja nende töötlemise meetodid on muutunud keerukamaks. Tulemus oli muljetavaldav: igas ATLAS-i ja CMS-i katses eraldi saavutas signaali statistiline olulisus väärtuse, mida peetakse osakeste füüsikas avastustasemeks (viis standardhälvet).

Seminar möödus pidulikus õhkkonnas. Lisaks CERNis töötavatele teadlastele ja sealsete suveprogrammidega tegelevatele tudengitele „külastasid“ seda interneti vahendusel Melbourne’is samal päeval avatud suurimal kõrgenergiafüüsika konverentsil osalejad. Seminari kanti üle Interneti teaduskeskustesse ja ülikoolidesse üle maailma, sealhulgas loomulikult Venemaal. Pärast CMS-i koostööpartnerite Joe Incandela ja ATLASe koostööpartnerite Fabiola Gianotti muljetavaldavaid kõnesid lõpetas CERNi tegevjuht Rolf Heuer: "Ma arvan, et meil on see olemas!" ("Ma arvan, et see on meie kätes!").

Mis on siis "meie kätes" ja miks teoreetikud selle välja tulid?

Mis on uus osake

Mikromaailma teooria minimaalne versioon kannab standardmudeli kohmakat nime. See hõlmab kõiki teadaolevaid elementaarosakesi (loetleme need allpool) ja kõiki teadaolevaid nendevahelisi interaktsioone. Gravitatsiooniline vastastikmõju eristub: see ei sõltu elementaarosakeste tüüpidest, vaid seda kirjeldab Einsteini üldrelatiivsusteooria. Higgsi boson oli standardmudeli ainus element, mida kuni viimase ajani ei avastatud.

Standardmudeli nimetasime minimaalseks just seetõttu, et selles pole muid elementaarosakesi. Eelkõige on sellel üks ja ainult üks Higgsi boson ning see on elementaarosake, mitte liitosake (teisi võimalusi käsitletakse allpool). Enamik standardmudeli aspekte, välja arvatud uus sektor, kuhu Higgsi boson kuulub, on kontrollitud arvukates katsetes ja LHC tööprogrammi põhiülesanne on välja selgitada, kas teooria minimaalne versioon on tõesti looduses realiseeritud ja kui täielikult see mikrokosmost kirjeldab.

Selle programmi täitmise käigus avastati uus osake, mis on mikromaailma füüsika standardite järgi üsna raske. Selles teadusvaldkonnas mõõdetakse massi energiaühikutes, mis tähendab seost E = mc 2 massi ja puhkeenergia vahel. Energia ühik on elektronvolt (eV) - energia, mille elektron omandab pärast 1-voldise potentsiaalide erinevuse läbimist, ja selle tuletised - MeV (miljon, 10 6 eV), GeV (miljard, 10 9 eV), TeV (triljon, 10 12 eV) . Elektroni mass nendes ühikutes on 0,5 MeV, prootoni mass on ligikaudu 1 GeV ja raskeim teadaolev elementaarosake, t-kvark, on 173 GeV. Seega on uue osakese mass 125-126 GeV (määramatus on seotud mõõtmisveaga). Nimetagem seda uut osakest H.

Sellel puudub elektrilaeng, see on ebastabiilne ja võib erineval viisil laguneda. See avastati CERNi suures hadronite põrgatis, uurides lagunemist kaheks footoniks H → γγ ja kaheks elektron-positron ja/või müon-antimuon paariks, H → e + e - e + e - , H → e + e - μ + μ - , H → μ + μ - μ + μ-. Teist tüüpi protsessid on kirjutatud kui H → 4ℓ, kus ℓ tähistab ühte osakestest e + , e - , μ + või μ - (neid nimetatakse leptoniteks). Nii CMS kui ka ATLAS teatavad ka mõningatest sündmustest, mida saab seletada H → 2ℓ2ν lagunemisega, kus ν on neutriino. See ülejääk ei oma aga veel suurt statistilist olulisust.

Üldiselt on kõik, mis uue osakese kohta praegu teada on, kooskõlas selle tõlgendusega Higgsi bosonina, mida ennustab elementaarosakeste teooria kõige lihtsam versioon - standardmudel. Standardmudeli raames on võimalik arvutada nii Higgsi bosoni tekke tõenäosus prootoni-prootoni kokkupõrgetes Suurel Hadronipõrgetil kui ka selle lagunemise tõenäosusi ning seeläbi prognoosida oodatavate sündmuste arvu. Ennustusi kinnitavad hästi katsed, kuid loomulikult vigade piires. Eksperimentaalsed vead on endiselt suured ja mõõdetud väärtusi on endiselt väga vähe. Sellegipoolest on raske kahelda, et avastati Higgsi boson või midagi sellele väga sarnast, eriti kui arvestada, et need lagunemised peavad olema väga haruldased: 1000 Higgsi bosonist 2 lagunevad kaheks footoniks ja 10 000-st 1. 4ℓ .

Enam kui pooltel juhtudel peab Higgsi boson lagunema paariks b-kvark - b-antikvark: H → bb̃. Paari bb̃ sünd prootoni-prootoni (ja prooton-antiprootoni) kokkupõrgetes on väga sagedane nähtus ja ilma igasuguse Higgsi bosonita ning signaali sellest "mürast" pole veel õnnestunud eraldada (füüsikud ütlevad - taust) LHC katsetes. See saavutati osaliselt Tevatroni põrkur ja kuigi seal on statistiline olulisus märgatavalt väiksem, on need andmed kooskõlas ka standardmudeli ennustustega.

Kõigil elementaarosakestel on spin – sisemine nurkimment. Osakese spinn võib olla täisarv (kaasa arvatud null) või pooltäisarv Plancki konstandi ћ ühikutes. Täisarvulise spinniga osakesi nimetatakse bosoniteks, poole täisarvuga osakesi fermionideks. Elektroni spinn on 1/2, footoni spinn on 1. Uue osakese lagunemissaaduste analüüsist järeldub, et tema spinn on täisarv ehk tegemist on bosoniga. Osakese lagunemisel footonipaariks H → γγ järeldub nurkimpulsi säilimisest, et iga footoni spinn on täisarv; lõppseisundi (footonipaari) summaarne nurkimment jääb alati puutumatuks. See tähendab, et algolekul on ka täisarv.

Lisaks ei võrdu see ühtsusega: spinn 1 osake ei saa laguneda kaheks footoniks, mille spinn on 1. Spin 0 jääb alles; 2 või enam. Kuigi uue osakese spinni pole veel mõõdetud, on äärmiselt ebatõenäoline, et tegemist on osakesega, mille spinn on 2 või rohkem. On peaaegu kindel, et H spinn on null ja nagu näeme, peaks Higgsi boson just selline olema.

Lõpetades uue osakese teadaolevate omaduste kirjelduse, oletame, et see elab mikrokosmose füüsika standardite järgi päris kaua. Eksperimentaalsete andmete põhjal annab selle eluea madalam hinnang Т H > 10 -24 s, mis ei ole vastuolus Standardmudeli ennustusega: Т H = 1,6·10 -22 s. Võrdluseks: t-kvargi eluiga T t = 3·10 -25 s. Pange tähele, et uue osakese eluea otsene mõõtmine LHC-s on vaevalt võimalik.

Miks veel üks boson?

Kvantfüüsikas toimib iga elementaarosake mingi välja kvantina ja vastupidi: igal väljal on oma osakekvant; tuntuim näide on elektromagnetväli ja selle kvant, footon. Seetõttu võib pealkirjas püstitatud küsimuse ümber sõnastada järgmiselt:

Milleks uut põldu vaja on ja millised on selle eeldatavad omadused?

Lühike vastus on, et mikromaailma teooria sümmeetriad – olgu selleks standardmudel või mõni keerulisem teooria – keelavad elementaarosakestel massi ning uus väli rikub need sümmeetriad ja tagab osakeste masside olemasolu. Standardmudelis - teooria kõige lihtsamas versioonis (aga ainult selles!) - ennustatakse sümmeetria alusel taas üheselt kõik uue välja ja vastavalt ka uue bosoni omadused, välja arvatud selle mass. kaalutlused. Nagu me ütlesime, on olemasolevad eksperimentaalsed andmed kooskõlas teooria kõige lihtsama versiooniga, kuid neid andmeid on siiski üsna vähe ja tuleb teha pikk töö, et selgitada, kuidas täpselt uus elementaarosakeste füüsika sektor on üles ehitatud.

Mõelgem vähemalt üldjoontes sümmeetria rollile mikromaailma füüsikas.

Sümmeetriad, looduskaitseseadused ja keelud

Füüsikaliste teooriate, olgu selleks Newtoni mehaanika, erirelatiivsusteooria mehaanika, kvantmehaanika või mikromaailma teooria, ühine omadus on see, et igal sümmeetrial on oma jäävusseadus. Näiteks sümmeetriad aja nihke suhtes (see tähendab, et füüsikaseadused on igal ajahetkel samad) vastavad energia jäävuse seadusele, sümmeetriad ruumi nihke suhtes vastavad seadusele. impulsi jäävuse ja selles toimuvate pöörlemiste sümmeetria (kõik suunad ruumis on võrdsed) on nurkimpulsi jäävuse seadus. Jäävusseadusi võib tõlgendada ka keeldudena: loetletud sümmeetriad keelavad suletud süsteemi energia, impulsi ja nurkimpulsi muutumise selle evolutsiooni käigus.

Ja vastupidi: igal looduskaitseseadusel on oma sümmeetria; see väide on absoluutselt täpne ka kvantteoorias. Küsimus on: milline sümmeetria vastab elektrilaengu jäävuse seadusele? On selge, et ruumi ja aja sümmeetriatel, mida me just mainisime, pole sellega mingit pistmist. Sellegipoolest on lisaks ilmsetele aegruumi sümmeetriatele ka mitteilmseid "sisemisi" sümmeetriaid. Üks neist viib elektrilaengu säilimiseni. Meie jaoks on oluline, et see sama sisemine sümmeetria (mida mõistetakse ainult laiendatud tähenduses – füüsikud kasutavad mõistet "gabariitide invariantsus") selgitab, miks footonil massi pole. Massi puudumine footonis on omakorda tihedalt seotud asjaoluga, et valgusel on ainult kahte tüüpi polarisatsioon - vasak ja parem.

Et selgitada seost ainult kahte tüüpi valguse polarisatsiooni olemasolu ja massi puudumise vahel footonis, kaldugem korraks kõrvale sümmeetriatest rääkimisest ja tuletagem taas meelde, et elementaarosakesi iseloomustab spinn, pool- või täisarv ühikutes. Plancki konstandist ћ. Elementaarsed fermionid (pooltäisarvulise pöörlemise osakesed) on spin 1/2. Need on elektron e, elektronneutriino ν e, elektroni rasked analoogid - müüon μ ja tau lepton τ, nende neutriinod ν μ ja ν τ, kuut tüüpi u, d, c, s, t kvargid, b ja neile kõigile vastavad antiosakesed (positron e +, elektrooniline antineutriino ν̃ e, antikvark ũ jne). U- ja d-kvargid on kerged ja moodustavad prootoni (kvargi koostis uud) ja neutroni (udd). Ülejäänud kvargid (c, t, s, b) on raskemad; need on osa lühiealistest osakestest, näiteks K-mesonitest.

Bosonid, terve spinni osakesed, hõlmavad mitte ainult footonit, vaid ka selle kaugeid vasteid - gluuone (spin 1). Gluoonid vastutavad kvarkide vastastikmõju eest ja seovad need prootoniteks, neutroniteks ja muudeks ühendiosakesteks. Lisaks on veel kolm spin 1 osakest - elektriliselt laetud W + , W - -bosonid ja neutraalne Z-boson, millest tuleb juttu allpool. Noh, nagu juba mainitud, peab Higgsi bosonil olema null spin. Nüüd oleme loetlenud kõik standardmudelis saadaolevad elementaarosakesed.

Massiivsel spinni s osakesel (ühikutes ћ) on 2s + 1 olekut erinevate spinni projektsioonidega antud teljel (spinn on sisemine nurkimpulss on vektor, nii et selle projektsiooni kontseptsioonil antud teljel on tavaline tähendus ). Näiteks elektroni spinn (s = 1/2) tema puhkeraamis võib olla suunatud näiteks üles (s 3 = +1/2) või alla (s 3 = -1/2). Boson Z mass on nullist erinev ja spinn s = 1, seega on sellel kolm erineva spinni projektsiooniga olekut: s 3 = +1, 0 või -1. Massivabade osakeste puhul on olukord hoopis teine. Kuna nad lendavad valguse kiirusel, on võimatu minna võrdlusraami, kus selline osake on puhkeolekus. Sellegipoolest võime rääkida selle helilisusest - spinni projektsioonist liikumissuunale. Niisiis, kuigi footoni spin on võrdne ühega, on selliseid projektsioone ainult kaks – liikumissuunas ja vastu seda. See on valguse parem- ja vasakpoolne polarisatsioon (footonid). Kolmas null-spinniprojektsiooniga olek, mis peaks eksisteerima, kui footonil oleks mass, on keelatud elektrodünaamika sügava sisemise sümmeetriaga, just see sümmeetria, mis viib elektrilaengu säilimiseni. Seega see sisemine sümmeetria keelab ka footoni massi olemasolu!

Midagi on valesti

Meile ei paku huvi aga mitte footonid, vaid W ± - ja Z-bosonid. Nendel osakestel, mis avastati 1983. aastal CERNi Spp̃S prooton-antiprootoni põrkurist ja mida teoreetikud ennustasid ammu, on üsna suur mass: W ± -bosonite mass on 80 GeV (umbes 80 korda raskem kui prooton) ja Z. -boson - 91 GeV. W ± - ja Z-bosonite omadused on hästi teada peamiselt tänu katsetele elektron-positron põrkur LEP (CERN) ja SLC (SLAC, USA) ning prooton-antiprooton põrkur Tevatron (Fermilab, USA): mõõtmise täpsus. paljudest W ± - ja Z-bosonitega seotud suurustest on parem kui 0,1%. Nende omadusi ja ka teisi osakesi kirjeldab standardmudel suurepäraselt. See kehtib ka W ± - ja Z-bosonite interaktsioonide kohta elektronide, neutriinode, kvarkide ja muude osakestega. Muide, selliseid koostoimeid nimetatakse nõrkadeks. Neid on üksikasjalikult uuritud; üks ammutuntud näidetest nende avaldumisest on müüoni, neutroni ja tuumade beeta-lagunemine.

Nagu juba mainitud, võivad kõik W ± - ja Z-bosonid olla kolmes pöörlemisolekus, mitte aga kahes, nagu footon. Kuid nad interakteeruvad fermionidega (neutriinod, kvargid, elektronid jne) põhimõtteliselt samamoodi nagu footonid. Näiteks interakteerub footon elektroni elektrilaengu ja liikuva elektroni tekitatava elektrivooluga. Samamoodi suhtleb Z-boson elektroni teatud laenguga ja elektroni liikumisel tekkiva vooluga, ainult see laeng ja vool on mitteelektrilise iseloomuga. Kuni ühe olulise tunnuseni, millest peagi juttu tuleb, on analoogia täielik, kui lisaks elektrilaengule omistatakse elektronile ka Z-laeng. Nii kvarkidel kui ka neutriinodel on oma Z-laengud.

Analoogia elektrodünaamikaga ulatub veelgi kaugemale. Nagu footoniteoorial, on ka W ± - ja Z-bosonite teoorial sügav sisemine sümmeetria, mis on lähedane elektrilaengu jäävuse seaduseni. Täielikult analoogselt footoniga keelab see W ± - ja Z-bosonitel kolmanda polarisatsiooni ja seega ka massi. Siit selgubki lahknevus: spin 1 osakese massi sümmeetria keeld toimib footoni puhul, aga mitte W ± - ja Z-bosonite puhul!

Edasi veel. Elektronide, neutriinode, kvarkide ja muude W ± - ja Z-bosonitega osakeste nõrk vastastikmõju toimub nii, nagu neil fermioonidel polekski massi! Polarisatsioonide arvul pole sellega mingit pistmist: nii massiivsetel kui ka massitutel fermionidel on kaks polarisatsiooni (spinni suunda). Asi on selles, kuidas fermionid interakteeruvad W ± - ja Z-bosonitega.

Probleemi olemuse selgitamiseks lülitame esmalt välja elektroni massi (teoreetiliselt on see lubatud) ja vaatleme kujuteldavat maailma, milles elektroni mass on null. Sellises maailmas lendab elektron valguse kiirusel ja selle pöörlemine võib olla suunatud kas liikumise suunas või vastu. Mis puudutab footoni, siis esimesel juhul on mõttekas rääkida õige polarisatsiooniga elektronist või lühidalt öeldes parempoolsest elektronist, teisel juhul vasakpoolsest elektronist.

Kuna me teame hästi, kuidas elektromagnetilised ja nõrgad vastastikmõjud on paigutatud (ja ainult neis osaleb elektron), siis oleme üsna võimelised kirjeldama elektroni omadusi oma kujuteldavas maailmas. Ja nad on.

Esiteks, selles maailmas on parem- ja vasakpoolne elektron kaks täiesti erinevat osakest: parem elektron ei muutu kunagi vasakpoolseks ja vastupidi. See on keelatud impulsimomendi (antud juhul spinni) jäävuse seadusega ning elektroni interaktsioonid footoni ja Z-bosoniga ei muuda selle polarisatsiooni. Teiseks kogeb ainult vasak elektron elektroni interaktsiooni W-bosoniga, parem aga ei osale selles üldse. Kolmas oluline omadus, mida me sellel pildil varem mainisime, on see, et vasaku ja parema elektroni Z-laengud on erinevad ning vasak elektron interakteerub Z-bosoniga tugevamalt kui parem elektron. Muuonil, tau leptonil ja kvarkidel on sarnased omadused.

Rõhutame, et massita fermionidega kujuteldavas maailmas pole probleemi selles, et vasak ja parem elektron interakteeruvad W- ja Z-bosonitega erinevalt ning eelkõige see, et "vasak" ja "parem" Z-laeng on erinev. Selles maailmas on vasak ja parem elektron erinevad osakesed ja see on kõik: me ei imesta näiteks, et elektronil ja neutriinol on erinevad elektrilaengud: -1 ja 0.

Arvestades elektroni massi, jõuame kohe vastuoluni. Kiire elektron, mille kiirus on lähedane valguse kiirusele ja mille spinn on suunatud vastu liikumissuunda, näeb välja peaaegu samasugune kui vasak elektron meie kujuteldavast maailmast. Ja see peaks suhtlema peaaegu samal viisil. Kui selle interaktsioon on seotud Z-laenguga, siis on selle Z-laengu väärtus "vasakpoolne", sama, mis kujuteldavast maailmast pärit vasakpoolsel elektronil. Massiivse elektroni kiirus on aga ikkagi väiksem kui valguse kiirus ja alati on võimalik lülituda veelgi kiiremini liikuvale võrdluskaadrile. Uues süsteemis muutub elektroni liikumissuund vastupidiseks ja spinni suund jääb samaks.

Spinni projektsioon liikumissuunale on nüüd positiivne ja selline elektron näeb välja nagu parem, mitte vasak. Sellest lähtuvalt peaks selle Z-laeng olema sama, mis kujuteldavast maailmast pärit parempoolsel elektronil. Kuid see ei saa olla: laengu väärtus ei tohiks sõltuda võrdlusraamistikust. Siin on vastuolu. Rõhutame, et jõudsime selleni eeldusel, et Z-laeng on säilinud; vastasel juhul pole vaja rääkida selle tähendusest antud osakese jaoks.

See vastuolu näitab, et standardmudeli sümmeetriad (määratluse huvides räägime sellest, kuigi kõik öeldu kehtib teooria mis tahes muu versiooni kohta) peaksid keelama masside olemasolu mitte ainult W ± - ja Z-bosonite jaoks, vaid ka fermionidele. Aga kuidas on lood sümmeetriaga?

Arvestades, et need oleksid pidanud viima Z-laengu säilimiseni. Mõõtes elektroni Z-laengu, saaksime üheselt öelda, kas see elektron on vasak- või parempoolne. Ja see on võimalik ainult siis, kui elektroni mass on null.

Seega maailmas, kus kõik standardmudeli sümmeetriad realiseeruksid samamoodi nagu elektrodünaamikas, oleks kõigi elementaarosakeste mass null. Kuid reaalses maailmas on neil massid, mis tähendab, et standardmudeli sümmeetriatega peab midagi juhtuma.

Sümmeetria rikkumine

Rääkides sümmeetria seostest looduskaitseseaduste ja -keeldudega, oleme silmist jätnud ühe asjaolu. See seisneb selles, et säilitusseadused ja sümmeetriakeelud on täidetud ainult siis, kui sümmeetria on selgelt olemas. Samas võib ka sümmeetriaid murda. Näiteks toatemperatuuril olevas homogeenses rauaproovis võib olla ühes suunas suunatud magnetväli; siis on prooviks magnet. Kui selle sees elaksid mikroskoopilised olendid, avastaksid nad, et kõik ruumi suunad pole võrdsed. Üle magnetvälja lendavat elektroni mõjutab magnetväljast tulenev Lorentzi jõud, mööda seda lendavat elektroni aga jõud ei mõjuta. Elektron liigub mööda magnetvälja sirgjooneliselt, üle välja ringikujuliselt ja üldiselt spiraalis. Seetõttu rikub proovi sees olev magnetväli sümmeetriat ruumis pöörlemise suhtes. Sellega seoses ei täitu ka magneti sees nurkimpulsi jäävuse seadus: kui elektron liigub spiraalis, muutub ajas nurkimpulsi projektsioon magnetväljaga risti olevale teljele.

Siin on tegemist spontaanse sümmeetria katkemisega. Väliste mõjude puudumisel (näiteks Maa magnetväli) saab erinevates rauaproovides magnetvälja suunata erinevatesse suundadesse ning ükski neist suundadest ei ole teisele eelistatum. Algne sümmeetria pöörete suhtes on endiselt olemas ja väljendub selles, et näidises olevat magnetvälja saab suunata ükskõik kuhu. Kuid kuna magnetväli ilmus, ilmus eelistatud suund ja magneti sees olev sümmeetria osutus katki. Formaalsemal tasandil on rauaaatomite omavahelist ja magnetvälja vastasmõju reguleerivad võrrandid ruumis pöörlemise suhtes sümmeetrilised, kuid nende aatomite süsteemi – rauaproovi – olek ei ole sümmeetriline. See on spontaanse sümmeetria purunemise nähtus. Pange tähele, et me räägime siin kõige soodsamast olekust, millel on madalaim energia; seda olekut nimetatakse põhiolekuks. See on koht, kuhu rauaproov lõpuks jõuab, isegi kui see oli algselt magnetiseerimata.

Niisiis, mingi sümmeetria spontaanne katkemine toimub siis, kui teooria võrrandid on sümmeetrilised, kuid põhiseisund mitte. Sõna "spontaanne" kasutatakse sel juhul seetõttu, et süsteem ise valib ilma meie osaluseta asümmeetrilise oleku, kuna just see seisund on energeetiliselt kõige kasulikum. Ülaltoodud näitest on selge, et kui sümmeetria on spontaanselt katkenud, siis sellest tulenevad looduskaitseseadused ja keelud ei tööta; meie näites viitab see nurkimpulsi säilimisele. Rõhutame, et teooria täielikku sümmeetriat saab murda ainult osaliselt: meie näites jääb täielikust sümmeetriast kõigi ruumis toimuvate pöörete suhtes sümmeetria pöörlemiste suhtes ümber magnetvälja suuna selgeks, katkematuks.

Magnetis elavad mikroskoopilised olendid võivad esitada endale küsimuse: "Meie maailmas ei ole kõik suunad võrdsed, nurkimment ei säili, kuid kas ruum on pöörete suhtes tõesti asümmeetriline?" Olles uurinud elektronide liikumist ja ehitanud vastava teooria (antud juhul elektrodünaamika), saavad nad aru, et vastus sellele küsimusele on negatiivne: selle võrrandid on sümmeetrilised, kuid see sümmeetria katkeb spontaanselt "valgunud" magnetvälja tõttu. kõikjal. Teooriat edasi arendades ennustaksid nad, et spontaanse sümmeetria purunemise eest vastutaval väljal peavad olema oma kvantid, footonid. Ja olles ehitanud magneti sisse väikese kiirendi, veenduksid nad hea meelega, et need kvantid on tõesti olemas – need sünnivad elektronide kokkupõrgetes!

Üldjoontes on olukord elementaarosakeste füüsikas kirjeldatuga sarnane. Kuid on ka olulisi erinevusi. Esiteks pole vaja rääkida ühestki keskkonnast nagu rauaaatomite kristallvõre. Looduses on madalaima energiaga olek vaakum (definitsiooni järgi!). See ei tähenda, et vaakumis, looduse põhiseisundis, ei saaks olla ühtlaselt "hajutatud" välju, nagu meie näite magnetväli. Vastupidi, ebakõlad, millest me rääkisime, viitavad sellele, et standardmudeli sümmeetriad (täpsemalt osa neist) peavad spontaanselt purunema ja see viitab sellele, et vaakumis on mingi väli, mis selle rikkumise tagab. Teiseks, me ei räägi aegruumist, nagu meie näites, vaid sisesümmeetriatest. Ruumi-aja sümmeetriat, vastupidi, ei tohiks vaakumis oleva välja tõttu rikkuda. Sellest järeldub oluline järeldus: erinevalt magnetväljast ei tohiks see väli välja tuua ühtegi suunda ruumis (täpsemalt aegruumis, kuna tegemist on relativistliku füüsikaga). Selle omadusega välju nimetatakse skalaariks; need vastavad osakestele spin 0. Seetõttu peab vaakumis "valgunud" väli, mis viib sümmeetria purunemiseni, olema seni tundmatu, uus. Tõepoolest, teadaolevad väljad, mida me otse või kaudselt eespool mainisime - elektromagnetväli, W ± - ja Z-bosonite väljad, gluoonid - vastavad spin 1 osakestele. Sellised väljad eristavad aegruumi suundi ja neid nimetatakse vektoriks, ja me vajame välja skalaari. Fermionidele vastavad väljad (spin 1/2) pole samuti head. Kolmandaks, uus väli ei tohi täielikult lõhkuda Standardmudeli sümmeetriaid, elektrodünaamika sisemine sümmeetria peab jääma katkematuks. Lõpuks ja mis kõige tähtsam, vaakumis "valgunud" uue välja interaktsioon W ± - ja Z-bosonite, elektronide ja muude fermionidega peaks viima nende osakeste masside ilmnemiseni.

Spontaanse sümmeetria purunemise tõttu spin 1 osakeste masside genereerimise mehhanismi (looduses on need W ± - ja Z-bosonid) pakkusid Brüsseli teoreetikud Francois Engler ja Robert Braut elementaarosakeste füüsika kontekstis välja 1964. veidi hiljem Edinburghi füüsiku Peter Higgsi poolt.

Teadlased toetusid spontaanse sümmeetria katkemise kontseptsioonile (kuid teooriates ilma vektorväljadeta, st ilma spin 1 osakesteta), mis võeti kasutusele aastatel 1960-1961 Y. Nambu töödes, ta koos J. Jonaga. -Lasinio, V. G. Wax ja A. I. Larkin, J. Goldstone (Yoichiro Nambu sai selle töö eest 2008. aastal Nobeli preemia). Erinevalt eelmistest autoritest pidasid Engler, Brout ja Higgs teooriat (sel ajal spekulatiivseks), milles on olemas nii skalaar (spin 0) kui ka vektorväli (spin 1). Sellel teoorial on sisemine sümmeetria, mis on üsna analoogne elektrodünaamika sümmeetriaga, mis viib elektrilaengu säilimiseni ja footoni massi keelamiseni. Kuid erinevalt elektrodünaamikast rikub sisemist sümmeetriat spontaanselt vaakumis esinev ühtlane skalaarväli. Engleri, Brauti ja Higgsi tähelepanuväärne tulemus näitas, et see sümmeetria murdumine toob automaatselt kaasa spinni 1 osakese massi ilmumise - vektorvälja kvant!

Engler-Braut-Higgsi mehhanismi üsna sirgjooneline üldistus, mis on seotud fermioonide kaasamisega ja nende vastasmõjuga sümmeetriat purustava skalaarväljaga teoorias, toob kaasa massi ilmnemise ka fermioonides. Kõik hakkab paika loksuma! Standardmudel saadakse täiendava üldistusena. Sellel on nüüd mitte üks, vaid mitu vektorvälja - footon, W ± - ja Z-bosonid (gluoonid on omaette lugu, neil pole Engler-Braut-Higgsi mehhanismiga midagi pistmist) ja erinevat tüüpi fermione. Viimane samm on tegelikult üsna mittetriviaalne; Steven Weinberg, Sheldon Glashow ja Abdus Salam said 1979. aastal Nobeli preemia nõrga ja elektromagnetilise vastastikmõju tervikliku teooria sõnastamise eest.

Tuleme tagasi aastasse 1964. Engler ja Braut kasutasid oma teooria analüüsimiseks tänapäevaste standardite järgi üsna väljamõeldud lähenemist. Võib-olla sellepärast nad ei märganud, et koos spinni 1 massiivse osakesega ennustab teooria teise osakese olemasolu - bosoni spinniga 0. Kuid Higgs märkas ja nüüd nimetatakse seda uut spinnita osakest sageli Higgsi bosoniks. . Nagu juba märgitud, ei ole selline terminoloogia täiesti õige: Engler ja Braut pakkusid esimestena välja skalaarvälja kasutamise spontaanseks sümmeetria murdmiseks ja spin 1 osakeste massi genereerimiseks. Ilma pikemasse terminoloogiasse laskumata rõhutame, et uus nullspinniga boson toimib sümmeetriat rikkuva skalaarse välja kvantina. Ja see on selle ainulaadsus.

Siin tuleb teha täpsustus. Kordame, et kui spontaanset sümmeetria purunemist ei toimuks, oleksid W ± - ja Z-bosonid massita. Kõigil kolmel bosonil W + , W - , Z oleks nagu footonil kaks polarisatsiooni. Kokkuvõttes, kui pidada erineva polarisatsiooniga osakesi ebavõrdseks, oleks meil 2 × 3 = 6 tüüpi W ± - ja Z-bosoneid. Standardmudelis on W ± - ja Z-bosonid massiivsed, igaühel neist on kolm spinni olekut ehk kolm polarisatsiooni, kokku 3 × 3 = 9 tüüpi osakesi - väljade kvantid W ± , Z. on, kuhu jäid kolm "ekstra" tüüpi kvanti? Fakt on see, et standardmudelil peab olema mitte üks, vaid neli Engler-Braut-Higggsi skalaarvälja. Neist ühe kvant on Higgsi boson. Ja ülejäänud kolme kvantid muutuvad spontaanse sümmeetria purunemise tulemusena lihtsalt kolmeks "lisaks" kvantiks, mis on saadaval massiivsete W ± - ja Z-bosonite jaoks. Neid on leitud juba ammu, seni kuni on teada, et W ± - ja Z-bosonitel on mass: kolm "lisa" spinni olekut W + -, W - ja Z-bosonid - just sellised nad on.

See aritmeetika, muide, on kooskõlas tõsiasjaga, et kõik neli Engler-Braut-Higgsi välja on skalaarsed, nende kvantidel on null spin. Massita W ± - ja Z-bosonite pöörlemisprojektsioonid liikumissuunas oleksid võrdsed -1 ja +1. Massiivsete W ± - ja Z-bosonite puhul võtavad need projektsioonid väärtused -1, 0 ja +1, see tähendab, et "ekstra" kvantidel on nullprojektsioon. Kolmel Engler-Braut-Higggsi väljal, millest need "lisa" kvantid saadakse, on ka liikumissuunas null-spinni projektsioon, lihtsalt sellepärast, et nende spinnvektor on null. Kõik koondub.

Niisiis on Higgsi boson standardmudeli ühe neljast Engleri-Brouti-Higgsi skalaarväljast kvant. Ülejäänud kolm söövad ära (teaduslik termin!) W ± - ja Z-bosonid, muutudes nende kolmandaks, puuduvaks spin-olekuks.

Kas uus boson on tõesti vajalik?

Kõige üllatavam selle loo juures on see, et tänapäeval saame aru, et Engler-Braut-Higgs mehhanism pole sugugi ainus võimalik sümmeetria murdmise mehhanism mikromaailma füüsikas ja elementaarosakeste masside tekkes ning Higgsi bosonis. ei pruugi olla olemas. Näiteks kondenseerunud aine (vedelikud, tahked ained) füüsikas on palju näiteid spontaanse sümmeetria purunemisest ja selle purunemise mehhanismidest. Ja enamasti pole neis midagi Higgsi bosoni sarnast.

Standardmudeli spontaanse sümmeetria purunemise lähim tahkis analoog vaakumis on elektrodünaamika sisemise sümmeetria spontaanne katkemine ülijuhi põhimassis. See viib selleni, et ülijuhis on footonil teatud mõttes mass (nagu W ± - ja Z-bosonid vaakumis). See väljendub Meissneri efektis – magnetvälja surumises ülijuhist välja. Footon “ei taha” tungida ülijuhi sisse, kus ta muutub massiivseks: seal on tema jaoks “raske”, energeetiliselt ebasoodne seal olla (mäleta: E = mc 2). Magnetväljal, mida võib mõnevõrra tinglikult pidada footonite kogumiks, on sama omadus: see ei tungi ülijuhist läbi. See on Meissneri efekt.

Efektiivne Ginzburg-Landau ülijuhtivuse teooria on äärmiselt sarnane Engler-Braut-Higgs teooriaga (täpsemalt vastupidi: Ginzburg-Landau teooria on 14 aastat vanem). Sellel on ka skalaarväli, mis "valatakse" ühtlaselt üle ülijuhi ja viib spontaanse sümmeetria purunemiseni. Ent asjata ei nimetata Ginzburg-Landau teooriat efektiivseks: see tabab piltlikult öeldes nähtuse välist külge, kuid on täiesti ebaadekvaatne ülijuhtivuse fundamentaalsete, mikroskoopiliste põhjuste mõistmiseks. Tegelikult ei ole ülijuhis skalaarvälja, selles on elektronid ja kristallvõre ning ülijuhtivus tuleneb elektronide süsteemi põhioleku eriomadustest, mis tekivad nendevahelise vastasmõju tõttu (vt "Teadus ja Elu" nr 2, 2004, artikkel " ". - Ligikaudne toim).

Kas sarnane pilt võiks toimuda ka mikrokosmoses? Kas ei tuleks välja, et vaakumis pole fundamentaalset skalaarvälja “valgunud” ja spontaanne sümmeetria purunemine on põhjustatud hoopis teistest põhjustest? Kui mõelda puhtalt teoreetiliselt ja ignoreerida eksperimentaalseid fakte, siis on vastus sellele küsimusele jaatav. Hea näide on 1979. aastal juba mainitud Steven Weinbergi ja iseseisvalt Leonard Susskindi pakutud nn technicolor mudel.

Sellel pole ei fundamentaalseid skalaarvälju ega Higgsi bosonit, kuid nende asemel on palju uusi elementaarosakesi, mis oma omadustelt meenutavad kvarke. Just nendevaheline interaktsioon viib spontaanse sümmeetria purunemiseni ja W ± - ja Z-bosonite masside tekkeni. Teadaolevate fermioonide, näiteks elektronide massidega on olukord hullem, kuid seda probleemi saab lahendada ka teooria keerulisemaks muutmisega.

Tähelepanelik lugeja võib küsida: "Aga kuidas on lood eelmise peatüki argumentidega, mis ütlevad, et just skalaarväli peaks sümmeetria lõhkuma?" Siin on lünk selles, et see skalaarväli võib olla komposiitne selles mõttes, et sellele vastavad osakesed-kvandid ei ole elementaarsed, vaid koosnevad teistest, “tõelistest” elementaarosakestest.

Meenutagem sellega seoses Heisenbergi kvantmehhaanilise määramatuse seost Δх ×Δр ≥ ћ, kus Δх ja Δр on vastavalt asendi ja impulsi määramatused. Üks selle ilminguid on see, et iseloomuliku sisesuurusega Δx komposiitobjektide struktuur ilmneb ainult protsessides, mis hõlmavad osakesi, mille moment on р ≥ћ/Δх ja seega piisavalt kõrge energiaga. Siinkohal on kohane meenutada Rutherfordi, kes tolle aja kohta pommitas aatomeid suure energiaga elektronidega ja sai nii teada, et aatomid koosnevad tuumadest ja elektronidest. Vaadates aatomeid läbi mikroskoobi isegi kõige arenenuma optikaga (st kasutades valgust - madala energiaga footoneid), on võimatu tuvastada, et aatomid on liitosakesed, mitte elementaarsed punktosakesed: eraldusvõimet pole piisavalt.

Seega näeb liitosake madala energia korral välja nagu elementaarosake. Selliste osakeste tõhusaks kirjeldamiseks madala energiaga võib neid käsitleda teatud välja kvantidena. Kui liitosakese spinn on null, siis see väli on skalaarne.

Sarnane olukord realiseerub näiteks π mesonite, osakeste, mille spinn on 0, füüsikas. Kuni 1960. aastate keskpaigani ei teatud, et need koosnevad kvarkidest ja antikvarkidest (π + -, π - - kvarkide koostis). ja π 0 mesonid on need vastavalt ud̃, dũ ning uũ ja dd̃ kombinatsioon).

Seejärel kirjeldati π mesoneid elementaarsete skalaarväljadega. Nüüd teame, et need osakesed on liitosakesed, kuid π-mesonite "vana" väljateooria jääb kehtima, kuna arvestatakse madala energiaga protsesse. Ainult energiate suurusjärgus 1 GeV ja üle selle hakkab nende kvarkide struktuur avalduma ja teooria lakkab töötamast. 1 GeV energiaskaala ei ilmnenud siin juhuslikult: see on tugevate interaktsioonide skaala, mis seob kvarke π-mesoniteks, prootoniteks, neutroniteks jne, see on tugevalt interakteeruvate osakeste, näiteks prootoni masside skaala. . Pange tähele, et π-mesonid ise eristuvad: põhjusel, mida me siin ei käsitle, on nende mass palju väiksem: m π± = 140 MeV, m π0 = 135 MeV.

Seega võivad spontaanse sümmeetria katkemise eest vastutavad skalaarväljad olla põhimõtteliselt liited. Just sellist olukorda soovitab technicolori mudel. Sel juhul on kolmel spinnita kvantil, mida söövad W ± - ja Z-bosonid ja millest saavad nende puuduvad spinni olekud, lähedane analoogia π + -, π - - ja π 0 -mesonitega. Ainult vastav energiaskaala pole enam 1 GeV, vaid mitu TeV. Sellises pildis on oodata paljude uute liitosakeste olemasolu - prootoni, neutroni jne analooge. - massidega, mis on suurusjärgus mitu TeV. Suhteliselt kerge Higgsi boson, vastupidi, selles puudub. Mudeli eripäraks on ka see, et selles olevad W ± - ja Z-bosonid on osaliselt liitosakesed, kuna, nagu öeldud, on osa nende komponentidest sarnased π-mesonitega. See oleks pidanud väljenduma W ± - ja Z-bosonite vastastikmõjus.

Just viimane asjaolu viis selleni, et technicolori mudel (vähemalt selle algses koostises) lükati tagasi juba ammu enne uue bosoni avastamist: W ± - ja Z-bosonite omaduste täpsed mõõtmised LEP ja SLC juures. ei nõustu mudeli ennustustega.

Selle kauni teooria purustasid kangekaelsed eksperimentaalsed faktid ja Higgsi bosoni avastamine tegi sellele lõpu. Sellegipoolest on minu jaoks, nagu ka paljude teiste teoreetikute jaoks, idee liitskalaarväljadest atraktiivsem kui Engler-Braut-Higgsi teooria elementaarsete skalaarväljadega. Muidugi oli kompositsiooni idee pärast uue bosoni avastamist CERNis veelgi keerulisemas seisus kui varem: kui see osake on komposiit, peaks see üsna edukalt jäljendama elementaarset Higgsi bosonit. Siiski ootame ja vaatame, mida näitavad LHC katsed, ennekõike uue bosoni omaduste täpsemad mõõtmised.

Avastus on tehtud. Mis järgmiseks?

Pöördugem tööhüpoteesina tagasi teooria minimaalse versiooni – ühe elementaarse Higgsi bosoniga standardmudeli juurde. Kuna selles teoorias annab kõikidele elementaarosakestele massid Engler-Braut-Higgsi väli (täpsemalt väljad), on nende osakeste vastastikmõju Higgsi bosoniga jäigalt fikseeritud. Mida suurem on osakese mass, seda tugevam on vastastikmõju; mida tugevam on interaktsioon, seda tõenäolisemalt laguneb Higgsi boson seda tüüpi osakeste paariks. Higgsi bosoni lagunemine reaalosakeste paarideks tt̃ , ZZ ja W+W- on energia jäävuse seadusega keelatud. See nõuab, et lagunemissaaduste masside summa oleks väiksem kui laguneva osakese mass (jällegi pidage meeles E = mc 2) ja tuletame meelde, et m n ≈ 125 GeV, m t = 173 GeV, m z = 91 GeV ja m w = 80 GeV. B-kvark m b = 4 GeV on massilt järgmine, mistõttu, nagu me ütlesime, laguneb Higgsi boson kõige kergemini bb̃ paariks. Huvitav on ka Higgsi bosoni lagunemine üsna raskeks τ-leptoni paariks H → τ + τ - (m τ = 1,8 GeV), mis toimub tõenäosusega 6%. Lagunemine H → μ + μ - (m μ = 106 MeV) peaks toimuma veelgi väiksema, kuid siiski mittekaduva tõenäosusega 0,02%. Lisaks ülalkirjeldatud lagunemistele H → γγ; H → 4ℓ ja H → 2ℓ2ν, märgime lagunemise H → Zγ, mille tõenäosus peaks olema 0,15%. Kõik need tõenäosused on LHC-s mõõdetavad ja igasugune kõrvalekalle nendest ennustustest tähendab, et meie tööhüpotees, standardmudel, on vale. Ja vastupidi, standardmudeli ennustustega nõustumine veenab meid üha enam selle kehtivuses.

Sama võib öelda ka Higgsi bosoni tekke kohta prootonite kokkupõrgetes. Higgsi bosonit saab toota üksi kahe gluoni koostoimes koos paari suure energiaga valguskvargiga, koos ühe W- või Z-bosoniga või lõpuks koos tt̃ paariga. Higgsi bosoniga koos toodetud osakesi on võimalik tuvastada ja tuvastada, seega saab LHC-s erinevaid tootmismehhanisme eraldi uurida. Seega on võimalik saada teavet Higgsi bosoni interaktsiooni kohta W ± -, Z-bosonite ja t-kvargiga.

Lõpuks on Higgsi bosoni oluline omadus selle interaktsioon iseendaga. See peaks avalduma protsessis H* → HH, kus H* on virtuaalne osake. Selle interaktsiooni omadusi ennustab üheselt ka standardmudel. Selle uurimine on aga kauge tuleviku küsimus.

Seega on LHC-l ulatuslik programm uue bosoni vastasmõjude uurimiseks. Selle rakendamise tulemusena saab enam-vähem selgeks, kas standardmudel kirjeldab loodust või on tegemist mõne muu, keerulisema (ja võib-olla ka lihtsama) teooriaga. Edasine areng on seotud mõõtmiste täpsuse olulise suurenemisega; selleks on vaja ehitada uus elektron-positroni kiirendi - e + e - põrkur, millel on seda tüüpi masinate jaoks rekordenergia. Väga hästi võib juhtuda, et teel ootab meid ees palju üllatusi.

Järelduse asemel: "uue füüsika" otsingul

"Tehnilisest" vaatenurgast on standardmudel sisemiselt järjepidev. See tähendab, et selle raames on võimalik - vähemalt põhimõtteliselt, kuid reeglina praktikas - arvutada mis tahes füüsikaline suurus (muidugi, mis on seotud nende nähtustega, mida see on mõeldud kirjeldama) ja tulemust ei saa sisaldama ebakindlust. Sellegipoolest peavad paljud, kuigi mitte kõik teoreetikud tavamudeli olukorda pehmelt öeldes mitte täiesti rahuldavaks. Ja selle põhjuseks on eelkõige selle energiaskaala.

Nagu eelnevast selgub, on Standardmudeli energiaskaala suurusjärgus M cm = 100 GeV (me ei räägi siin tugevatest interaktsioonidest skaalaga 1 GeV, sellega on kõik lihtsam). See on W ± - ja Z ning Higgsi bosoni massiskaala. Kas seda on palju või vähe? Eksperimentaalsest vaatenurgast - õiglaselt, kuid teoreetiliselt ...

Füüsikas on veel üks energiate skaala. See on seotud gravitatsiooniga ja võrdub Plancki massiga M pl = 10 19 GeV. Madala energia korral on osakeste vahelised gravitatsioonilised vastasmõjud tühised, kuid need suurenevad energia suurenedes ja M pl suurusjärgus energiatel muutub gravitatsioon tugevaks. Energiad üle M pl on kvantgravitatsiooni valdkond, mis iganes see ka poleks. Meie jaoks on oluline, et gravitatsioon on ehk kõige fundamentaalsem interaktsioon ja gravitatsiooniskaala M pl on kõige fundamentaalsem energiaskaala. Miks on siis standardmudeli Mcm = 100 GeV skaala M pl = 1019 GeV nii kaugel?

Näidatud probleemil on veel üks, peenem aspekt. See on seotud füüsikalise vaakumi omadustega. Kvantteoorias on vaakumil, looduse põhiseisundil, väga ebatriviaalne struktuur. Selles sünnivad ja hävivad kogu aeg virtuaalsed osakesed; teisisõnu tekivad ja kaovad välja kõikumised. Me ei saa neid protsesse otseselt jälgida, kuid need mõjutavad elementaarosakeste, aatomite jne vaadeldavaid omadusi. Näiteks aatomis oleva elektroni interaktsioon virtuaalsete elektronide ja footonitega viib aatomispektrites täheldatava nähtuseni – lambi nihkeni. Teine näide: elektroni või müüoni magnetmomendi korrigeerimine (anomaalne magnetmoment) on samuti tingitud interaktsioonist virtuaalsete osakestega. Need ja sarnased efektid on välja arvutatud ja mõõdetud (nendel juhtudel fantastilise täpsusega!), et saaksime olla kindlad, et meil on õige pilt füüsilisest vaakumist.

Sellel pildil saavad kõik algselt teooriasse lisatud parameetrid virtuaalsete osakestega interaktsiooni tõttu parandusi, mida nimetatakse kiirguslikeks. Kvantelektrodünaamikas on need väikesed, ent Engler-Braut-Higggsi sektoris tohutud. Selline on selle sektori moodustavate elementaarsete skalaarväljade eripära; teistel väljadel see omadus puudub. Peamine mõju seisneb siin selles, et kiirguskorrektsioonid kipuvad standardmudeli M cm energiaskaala "üles tõmbama" gravitatsiooniskaalale M pl . Kui jääda Standardmudeli raamidesse, siis ainuke väljapääs on valida teooria algparameetrid nii, et need koos kiirguskorrektsioonidega viiksid õige väärtuseni M cm. Siiski selgub, et sobitustäpsus peaks olema lähedane M cm 2 / M pl 2 = 10-34 ! See on standardmudeli energiaskaala probleemi teine ​​aspekt: ​​tundub ebausutav, et selline kohandamine toimub looduses.

Paljud (kuigi kordame, mitte kõik) teoreetikud usuvad, et see probleem viitab selgelt vajadusele minna standardmudelist kaugemale. Tõepoolest, kui standardmudel lakkab töötamast või laieneb oluliselt "uue füüsika – NF" energiaskaala M nf, siis on parameetrite sobitamise nõutav täpsus jämedalt öeldes M 2 cm / M 2 nf, kuid tegelikult on see kaks suurusjärku vähem. Kui eeldada, et looduses parameetrite peenhäälestust ei toimu, siis peaks "uue füüsika" skaala jääma 1-2 TeV vahemikku ehk just suure hadronipõrgetise uurimise jaoks ligipääsetavasse piirkonda!

Mis võiks olla "uus füüsika"? Selles küsimuses pole teoreetikute seas ühtsust. Üks võimalus on spontaanset sümmeetriamurdmist võimaldavate skalaarväljade komposiitne olemus, millest on juba juttu olnud. Teine, samuti populaarne (veel?) võimalus on supersümmeetria, mille kohta ütleme vaid seda, et see ennustab tervet loomaaeda uusi osakesi massidega sadade GeV - mitu TeV vahemikku. Arutletakse ka väga eksootiliste võimaluste üle, näiteks ruumi lisamõõtmed (ütleme nn M-teooria – vt "Teadus ja elu" nr 2, 3, 1997, artikkel "Superstrings: on theory to theory of everything " - Märkus toim.).

Kõigile pingutustele vaatamata pole seni saadud eksperimentaalseid vihjeid "uue füüsika" kohta. See hakkab tegelikult juba tekitama ärevust: kas me saame kõigest õigesti aru? On aga täiesti võimalik, et me pole energia ja kogutud andmemahu poolest veel "uue füüsikani" jõudnud ning sellega seostatakse uusi, revolutsioonilisi avastusi. Peamised lootused on siin taas pandud suurele hadronite põrkeseadmele, mis pooleteise aasta pärast hakkab töötama koguenergial 13-14 TeV ja kogub kiiresti andmeid. Jälgi uudiseid!

Masinad täpsete mõõtmiste ja avastuste jaoks

Osakeste füüsika, mis uurib looduses kõige pisemaid objekte, vajab hiiglaslikke uurimisrajatisi, kus need osakesed kiirenevad, põrkuvad ja lagunevad. Kõige võimsamad neist on põrkajad.

Collider on põrkuvate osakeste kiirtega kiirendi, milles osakesed põrkuvad laupkokku, näiteks elektronid ja positronid e + e - põrkurites. Seni on loodud ka prooton-antiprooton, prooton-prooton, elektron-prooton ja tuum-tuum (või raske-ioon) põrkajad. Teisi võimalusi, näiteks μ + μ - põrkurit, arutatakse seni alles. Põhilised elementaarosakeste füüsika põrkajad on prooton-antiprooton, prooton-prooton ja elektron-positron põrkajad.

Suur hadronite põrkur (LHC)- prooton-prooton, see kiirendab kahte prootonite kiirt üksteise suunas (võib töötada ka raskete ioonide põrkurina). Prootonite arvutusenergia igas talas on 7 TeV, seega on kokkupõrkeenergia kokku 14 TeV. 2011. aastal töötas põrkur poole selle energiaga ja 2012. aastal koguenergiaga 8 TeV. Large Hadron Collider on 27 km pikkune rõngas, milles prootonid kiirendavad elektrivälju, säilitades samal ajal ülijuhtivate magnetite tekitatud väljad. Prootonite kokkupõrked toimuvad neljas kohas, kus asuvad detektorid, mis registreerivad kokkupõrgetes tekkivaid osakesi. ATLAS ja CMS on mõeldud suure energiaga osakeste füüsika uurimiseks; LHC-b on mõeldud b-kvarke sisaldavate osakeste uurimiseks ja ALICE on mõeldud kuuma ja tiheda kvark-gluoonaine uurimiseks.

Spp̃S- CERNi prooton-antiprootoni põrkeseade. Rõnga pikkus on 6,9 km, maksimaalne kokkupõrkeenergia 630 GeV. Töötas 1981-1990.

LEP— ringelektron-positron põrkur maksimaalse kokkupõrkeenergiaga 209 GeV, mis asub LHC-ga samas tunnelis. Töötas 1989-2000.

SLC— lineaarne elektron-positron põrkur USA-s SLACis. Kokkupõrke energia 91 GeV (Z-bosoni mass). Töötas 1989-1998.

Tevatron on rõngasprootoni-antiprootoni põrkur USA-s Fermilabis. Ringi pikkus on 6 km, maksimaalne kokkupõrkeenergia 2 TeV. Töötas 1987-2011.

Võrreldes prooton-prooton ja prooton-antiprooton põrkajaid elektron-positroni põrkuritega, tuleb silmas pidada, et prooton on liitosake, sisaldab kvarke ja gluoone. Kõik need kvargid ja gluoonid kannavad vaid murdosa prootonite energiast. Seetõttu on näiteks suures hadronite põrkeseadmes elementaarkokkupõrke energia (kahe kvargi vahel, kahe gluooni vahel või kvark gluooniga) märgatavalt madalam kui kokkupõrke prootonite koguenergia (14 TeV projekteerimisparameetrite juures) . Seetõttu ulatub sellel uurimiseks saadaolevate energiate piirkond olenevalt uuritavast protsessist "vaid" 2-4 TeV-ni. Elektron-positroni põrkuritel sellist omadust pole: elektron on elementaarne, struktuurita osake.

Prooton-prooton (ja prooton-antiprooton) põrkeseadmete eeliseks on see, et isegi seda omadust arvesse võttes on neil tehniliselt lihtsam saavutada suuri põrkeenergiaid kui elektron-positroni omadel. On ka miinus. Tulenevalt prootoni komposiitstruktuurist ja ka sellest, et kvargid ja gluoonid interakteeruvad üksteisega palju tugevamalt kui elektronid positronitega, toimub prootonite kokkupõrgetes palju rohkem sündmusi, mis ei ole prootoni seisukohast huvitavad. otsida Higgsi bosonit või muid uusi osakesi ja nähtusi. Huvitavad sündmused näevad prootonite kokkupõrgetes välja rohkem “räpased”, neis sünnib palju “võõraid”, ebahuvitavaid osakesi. Kõik see tekitab "müra", millest kasulikku signaali on raskem ammutada kui elektron-positroni põrkajate juures. Sellest lähtuvalt on mõõtmistäpsus väiksem. Kõige selle tõttu nimetatakse prooton-prootoni (ja prooton-antiprootoni) põrkeid avastusmasinateks ja elektron-positroni põrkeid täpsete mõõtmiste masinateks.

Standardhälve(standardhälve) σ x - mõõdetud väärtuse juhuslike kõrvalekallete tunnus keskmisest väärtusest. Tõenäosus, et X mõõdetud väärtus erineb juhuslikult 5σ x võrra tegelikust väärtusest, on ainult 0,00006%. Seetõttu peetakse elementaarosakeste füüsikas signaali tõeseks tunnistamiseks piisavaks signaali kõrvalekallet taustast 5σ võrra.

Osakesed, mis on loetletud standardmudelis, välja arvatud prootonid, elektronid, neutriinod ja nende antiosakesed, on ebastabiilsed: nad lagunevad teisteks osakesteks. Kuid kaks kolmest neutriinotüübist peavad samuti olema ebastabiilsed, kuid nende eluiga on äärmiselt pikk. Mikromaailma füüsikas kehtib põhimõte: kõik, mis võib juhtuda, tõesti juhtub. Seetõttu on osakese stabiilsus seotud mingisuguse säilivusseadusega. Elektronidel ja positronitel on laengu jäävuse seaduse järgi keelatud laguneda. Kergeim neutriino (spin 1/2) ei lagune nurkimpulsi säilimise tõttu. Prootoni lagunemine on keelatud teise "laengu" jäävuse seadusega, mida nimetatakse barüonarvuks (prootoni barüoniarv on definitsiooni järgi 1 ja kergemate osakeste puhul null).

Teine sisemine sümmeetria on seotud barüoniarvuga. Kas see on täpne või ligikaudne, kas prooton on stabiilne või piiratud, ehkki väga pika elueaga, on eraldi arutelu teema.

Kvargid— üks elementaarosakeste tüüpidest. Vabas olekus neid ei vaadelda, vaid need on alati üksteisega seotud ja moodustavad liitosakesi – hadroneid. Ainus erand on t-kvark, mis laguneb enne, kui suudab ühineda teiste kvarkide või antikvarkidega, moodustades hadroni. Hadronite hulka kuuluvad prootonid, neutronid, π-mesonid, K-mesonid jne.

B-kvark on üks kuuest kvarkide tüübist, massilt teisel kohal pärast t-kvarki.

Müon on elektroni raske ebastabiilne analoog massiga m μ = 106 MeV. Müoni eluiga T μ = 2·10 -6 sekundit on piisavalt pikk, et see lendaks lagunemata läbi kogu detektori.

virtuaalne osake erineb reaalsest selle poolest, et reaalse osakese puhul on tavaline relativistlik seos energia ja impulsi vahel E 2 = p 2 s 2 + m 2 s 4, kuid mitte virtuaalse puhul. See on võimalik tänu kvantmehaanilisele seosele ΔE·Δt ~ ħ energia määramatuse ΔЕ ja protsessi kestuse Δt vahel. Seetõttu laguneb või hävib virtuaalne osake peaaegu koheselt koos teisega (selle eluiga Δt on väga lühike), samas kui tõeline osake elab märgatavalt kauem või on üldiselt stabiilne.

Lamba taseme nihe- vesinikuaatomi ja vesinikulaadsete aatomite tasemete peenstruktuuri väike hälve virtuaalsete footonite emissiooni ja neeldumise või elektron-positroni paaride virtuaalse tootmise ja hävitamise mõjul. Selle efekti avastasid 1947. aastal Ameerika füüsikud W. Lamb ja R. Rutherford.