бозон Хиггса

бозон Хиггса

Кандидат бозона Хиггса событий от столкновений между протонами в LHC . Верхнее событие в эксперименте CMS показывает распад на два фотона (желтые пунктирные линии и зеленые башни). Нижнее событие в эксперименте ATLAS показывает распад на четыре мюона (красные дорожки). [а]
Сочинение	Элементарная частица
Статистика	Бозонный
Положение дел	В 2012 году была открыта новая частица с массой 125 ГэВ, которая позже была подтверждена более точными измерениями как бозон Хиггса. [1] (См .: Текущее состояние )
Символ	ЧАС0
Теоретически	Р. Браут , Ф. Энглерт , П. Хиггс , Г. С. Гуральник , С. Р. Хаген и Т. Б. Киббл (1964)
Обнаруженный	Большой адронный коллайдер (2011–2013 гг.)
Масса	125,10 ± 0,14 ГэВ / c 2 [2]
Средняя продолжительность жизни	1,56 × 10 −22  с [b] (прогноз)
Распадается на	Пара снизу- антидно (наблюдается) [4] [5] Два W-бозона (наблюдаемые) Два глюона (предсказано) Пара тау- антитау (наблюдается) Два Z-бозона (наблюдаемые) Два фотона (наблюдаемые) Мюоне -antimuon пара (прогноз) Различные другие распады (прогнозируемые)
Электрический заряд	0 e
Цвет заряда	0
Вращение	0 [6] [7]
Слабый изоспин	-1/2
Слабый гиперзаряд	+1
Паритет	+1 [6] [7]

Бозон Хиггса является элементарной частицей в стандартной модели из физики частиц , полученной с помощью квантового возбуждения поля Хиггса, ^{[8] [9]} одно из полей в физике частиц теории. ^[9] Хиггс назван в честь физика Питера Хиггса, а Бозон - в честь Сатьендры Натха Боса . В 1964 году вместе с пятью другими учеными Питер Хиггс предложил механизм Хиггса, чтобы объяснить, почему некоторые частицы имеют массу.(частицы приобретают массу несколькими способами, но полное объяснение всех частиц было чрезвычайно трудным). Этот механизм требовал, чтобы бесспиновая частица, известная как бозон, существовала со свойствами, описанными теорией механизма Хиггса. Эта частица была названа бозоном Хиггса. Субатомная частица с ожидаемыми свойствами была обнаружена в 2012 году в экспериментах ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе недалеко от Женевы, Швейцария. Впоследствии было подтверждено, что новая частица соответствует ожидаемым свойствам бозона Хиггса.

10 декабря 2013 года двое физиков, Питер Хиггс и Франсуа Энглерт , были удостоены Нобелевской премии по физике за свои теоретические предсказания. Хотя имя Хиггса стало ассоциироваться с этой теорией (механизм Хиггса), несколько исследователей в период с 1960 по 1972 год независимо друг от друга разработали различные ее части.

В средствах массовой информации, бозон Хиггса часто называют « частицей Бога » из книги 1993 Бог частиц по Леон Ледерман , ^[10] , хотя прозвище сильно не любят многие физиками, в том числе и сам Хиггса, которые считают его как сенсации . ^{[11] [12]}

Введение [ править ]

Стандартная модель в физике элементарных частиц
Элементарные частицы по стандартной модели
Фон Физика элементарных частиц Стандартная модель Квантовая теория поля Калибровочная теория Спонтанное нарушение симметрии Механизм Хиггса
Избиратели Электрослабое взаимодействие Квантовая хромодинамика Матрица СКМ Стандартная модель Математика
Ограничения Сильная проблема CP. Проблема иерархии. Осцилляции нейтрино. Физика за пределами стандартной модели.
Ученые Резерфорд  · Томсон  · Чедвик  · Боз  · Сударшан  · Кошиба  · Дэвис-младший  · Андерсон  · Ферми  · Дирак  · Фейнман  · Руббиа  · Гелл-Манн  · Кендалл  · Тейлор  · Фридман  · Пауэлл  · П.У. Андерсон  · Глэшоу  · Илиопулос  · Майани  · Меер  · Коуэн  · Намбу  · Чемберлен  · Кабиббо  · Шварц  · Перл  · Майорана  · Вайнберг  · Ли  · Уорд  · Салам  · Кобаяши  · Маскава  · Ян  · Юкава  · 'т Хофт  · Велтман  · Гросс  · Политцер  · Вильчек  · Кронин  · Фитч  · Флек  · Хиггс  · Энглерт  · Броут  · Хаген  · Гуральник  · Киббл  · Тинг  · Рихтер
v т е

Стандартная модель [ править ]

Физики объясняют свойства сил между элементарными частицами в терминах Стандартной модели  - широко принятой основы для понимания почти всего в фундаментальной физике, кроме гравитации . (Для гравитации используется отдельная теория, общая теория относительности .) В этой модели фундаментальные силы в природе возникают из свойств нашей Вселенной, называемых калибровочной инвариантностью и симметриями . Силы передаются частицами, известными как калибровочные бозоны . ^{[13] [14]}

Проблема массы калибровочного бозона [ править ]

Теории поля использовались с большим успехом для понимания электромагнитного поля и сильного взаимодействия , но примерно к 1960 году все попытки создать калибровочно-инвариантную теорию для слабого взаимодействия (и его комбинации с фундаментальным силовым электромагнетизмом , электрослабым взаимодействием ) постоянно терпели неудачу. , в результате чего калибровочные теории начинают приобретать дурную славу. Проблема заключалась в том, что теория калибровочных инвариантов содержит требования симметрии , и они неверно предсказали, что калибровочные бозоны слабой силы ( W и Z) должен иметь нулевую массу. Из экспериментов известно, что они имеют ненулевую массу. ^[15] Это означало, что либо калибровочная инвариантность была неправильным подходом, либо что-то еще - неизвестное - давало этим частицам их массу. К концу 1950-х физики не решили эти проблемы и все еще не смогли создать исчерпывающую теорию физики элементарных частиц, потому что все попытки решить эту проблему только создавали новые теоретические проблемы.

Нарушение симметрии [ править ]

В конце 1950-х годов Ёитиро Намбу осознал, что спонтанное нарушение симметрии - процесс, при котором симметричная система оказывается в асимметричном состоянии, может происходить при определенных условиях. ^[c] В 1962 году физик Филип Андерсон , работавший в области физики конденсированного состояния , заметил, что нарушение симметрии играет определенную роль в сверхпроводимости и может иметь отношение к проблеме калибровочной инвариантности в физике элементарных частиц. В 1963 году это было показано теоретически возможным, по крайней мере, для некоторых ограниченных ( нерелятивистских ) случаев.

Механизм Хиггса [ править ]

После статей 1962 и 1963 годов три группы исследователей независимо опубликовали статьи 1964 года о нарушении симметрии ПРЛ с аналогичными выводами и для всех случаев, а не только для некоторых ограниченных случаев. Они показали, что условия электрослабой симметрии будут «нарушены», если во Вселенной будет существовать необычный тип поля , и действительно, некоторые фундаментальные частицы приобретут массу . Поле, необходимое для этого (которое в то время было чисто гипотетическим), стало известно как поле Хиггса (в честь Питера Хиггса , одного из исследователей), а механизм, с помощью которого оно привело к нарушению симметрии, известен как механизм Хиггса.. Ключевой особенностью необходимого поля является то, что для того, чтобы поле имело ненулевое значение, потребовалось бы меньше энергии, чем нулевое значение, в отличие от всех других известных полей, поэтому поле Хиггса имеет ненулевое значение (или вакуумное ожидание ) везде . Это ненулевое значение теоретически может нарушить электрослабую симметрию. Это было первое предложение, способное показать, как слабые калибровочные бозоны силы могут иметь массу, несмотря на их основную симметрию, в рамках калибровочно-инвариантной теории.

Хотя эти идеи не получили большой первоначальной поддержки или внимания, к 1972 году они были развиты в комплексную теорию и оказались способными давать «разумные» результаты, которые точно описывали частицы, известные в то время, и которые с исключительной точностью предсказывали несколько других частицы, обнаруженные в последующие годы . ^[d] В течение 1970-х годов эти теории быстро стали Стандартной моделью физики элементарных частиц.

Поле Хиггса [ править ]

Стандартная модель включает поле, необходимое для "нарушения" электрослабой симметрии и придания частицам правильной массы. Это поле, называемое «полем Хиггса», существует повсюду в космосе и нарушает некоторые законы симметрии электрослабого взаимодействия , запуская механизм Хиггса. Следовательно, это приводит к тому, что калибровочные бозоны W и Z слабого взаимодействия становятся массивными при всех температурах ниже экстремально высокого значения. ^[e] Когда слабые силовые бозоны приобретают массу, это влияет на расстояние, на которое они могут свободно перемещаться, которое становится очень маленьким, что также соответствует экспериментальным данным. ^[f] Кроме того, позже было понято, что это же поле также объясняет другим способом, почему другие фундаментальные составляющие материи (в том числеэлектроны и кварки ) имеют массу.

В отличие от всех других известных полей, таких как электромагнитное поле , поле Хиггса является скалярным полем и имеет ненулевое постоянное значение в вакууме .

"Центральная проблема" [ править ]

Пока не было никаких прямых доказательств существования поля Хиггса, но даже без доказательства этого поля точность его предсказаний заставила ученых поверить в то, что теория могла быть верной. К 1980-м годам вопрос о существовании поля Хиггса и, следовательно, правильности всей Стандартной модели стал рассматриваться как один из важнейших вопросов, оставшихся без ответа в физике элементарных частиц .

В течение многих десятилетий у ученых не было возможности определить, существует ли поле Хиггса, потому что в то время не существовало технологии, необходимой для его обнаружения. Если бы поле Хиггса действительно существовало, оно было бы непохоже на любое другое известное фундаментальное поле, но также было возможно, что эти ключевые идеи или даже вся Стандартная модель были как-то неверны. ^[грамм]

Предполагаемый механизм Хиггса сделал несколько точных предсказаний. ^{[d] [17] : 22} Одно важное предсказание заключалось в том, что соответствующая частица, называемая «бозоном Хиггса», также должна существовать. Доказательство существования бозона Хиггса может доказать, существовало ли поле Хиггса, и, следовательно, окончательно доказать правильность объяснения Стандартной модели. Поэтому были предприняты обширные поиски бозона Хиггса , чтобы доказать существование самого поля Хиггса. ^{[8] [9]}

Существование поля Хиггса стало последней непроверенной частью Стандартной модели физики элементарных частиц и в течение нескольких десятилетий считалось «центральной проблемой физики элементарных частиц». ^{[18] [19]}

Поиск и открытие [ править ]

Хотя поле Хиггса существует повсюду, доказать его существование было непросто. В принципе, его существование можно доказать, обнаружив его возбуждения , которые проявляются как частицы Хиггса ( бозон Хиггса ), но их чрезвычайно трудно произвести и обнаружить из-за энергии, необходимой для их образования, и их очень редкого образования, даже если энергии достаточно. Таким образом, прошло несколько десятилетий, прежде чем было обнаружено первое свидетельство существования бозона Хиггса. На разработку коллайдеров , детекторов и компьютеров, способных искать бозоны Хиггса, потребовалось более 30 лет (ок. 1980–2010 гг.) .

Важность этого фундаментального вопроса привело к поиску 40-летнего , а строительство одного из самых в мире дорогих и сложных экспериментальных установок на сегодняшний день, CERN «s Большой адронный коллайдер , ^[20] в попытке создать бозоны Хиггса и других частицы для наблюдения и изучения. 4 июля 2012 г. открытие новой частицы с массой от 125 доБыло объявлено 127  ГэВ / c 2 ; физики подозревали, что это был бозон Хиггса. ^{[21] [22] [23]} С тех пор было показано, что частица ведет себя, взаимодействует и распадается многими способами, предсказанными для частиц Хиггса Стандартной моделью, а также имеет четную четность и нулевой спин , ^{[6 ] [7]} два фундаментальных атрибута бозона Хиггса. Это также означает, что это первая элементарная скалярная частица, обнаруженная в природе. ^[24]

К марту 2013 года существование бозона Хиггса было подтверждено, и поэтому концепция некоторого типа поля Хиггса во всем пространстве получила сильную поддержку. ^{[21] [23] [6]}

Наличие поля, теперь подтвержденное экспериментальными исследованиями, объясняет, почему некоторые элементарные частицы имеют массу , несмотря на симметрии, контролирующие их взаимодействия, подразумевающие, что они должны быть безмассовыми. Он также решает несколько других давних загадок, например, причину чрезвычайно короткого расстояния, которое проходят бозоны слабой силы , и, следовательно, чрезвычайно малой дальности действия слабой силы.

По состоянию на 2018 год углубленные исследования показывают, что частица продолжает вести себя в соответствии с предсказаниями для бозона Хиггса Стандартной модели. Необходимы дополнительные исследования, чтобы проверить с более высокой точностью, что обнаруженная частица обладает всеми предсказанными свойствами или существует ли, как описано в некоторых теориях, множественные бозоны Хиггса. ^[25]

Природа и свойства этого поля в настоящее время исследуются с использованием большего количества данных, собранных на LHC. ^[1]

Интерпретация [ править ]

Для описания поля и бозона Хиггса использовались различные аналогии , включая аналогии с хорошо известными эффектами нарушения симметрии, такими как радуга и призма , электрические поля и рябь на поверхности воды.

Другие аналогии, основанные на сопротивлении макрообъектов, движущихся через среду (например, людей, движущихся сквозь толпу, или некоторых объектов, движущихся через сироп или патоку ), обычно используются, но вводят в заблуждение, поскольку поле Хиггса на самом деле не сопротивляется частицам, а эффект массы не вызвано сопротивлением.

Обзор свойств [ править ]

В Стандартной модели частица Хиггса представляет собой массивный скалярный бозон с нулевым спином , электрическим и цветным зарядом . Он также очень нестабилен, почти сразу распадаясь на другие частицы. Поле Хиггса является скалярное поле , с двумя нейтральными и двух электрически заряженных компонентов , которые образуют сложный дублет из слабого изоспина SU (2) симметрии. Поле Хиггса - это скалярное поле с потенциалом « мексиканской шляпы ». В основном состоянии, это приводит к тому, что поле имеет ненулевое значение везде (включая пустое пространство), и в результате ниже очень высокой энергии нарушается слабая изоспиновая симметрия электрослабого взаимодействия . (Технически ненулевое математическое ожидание преобразует члены связи Юкавы в лагранжиане в массовые члены.) Когда это происходит, три компонента поля Хиггса «поглощаются» калибровочными бозонами SU (2) и U (1) ( « механизм Хиггс ») , чтобы стать продольными компонентами теперь массивных W и Z бозонов в слабых силах. Оставшийся электрически нейтральный компонент либо проявляется как частица Хиггса, либо может отдельно связываться с другими частицами, известными как фермионы (через связи Юкавы ), заставляя их также приобретать массу . ^[26]

Значение [ править ]

Этот раздел, возможно, содержит оригинальные исследования . Пожалуйста, улучшите его , проверив сделанные утверждения и добавив встроенные цитаты . Заявления, содержащие только оригинальные исследования, следует удалить. ( Январь 2015 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Доказательства поля Хиггса и его свойств были чрезвычайно важны по многим причинам. Важность бозона Хиггса в значительной степени состоит в том, что его можно исследовать с использованием существующих знаний и экспериментальных технологий, чтобы подтвердить и изучить всю теорию поля Хиггса. ^{[8] [9]} И наоборот, доказательство того, что поле Хиггса и бозон не существуют, также было бы важным.

Физика элементарных частиц [ править ]

Проверка стандартной модели [ править ]

Бозон Хиггса подтверждает Стандартную модель через механизм генерации массы . По мере проведения более точных измерений его свойств могут быть предложены или исключены более сложные расширения. По мере развития экспериментальных средств измерения поведения и взаимодействия полей, это фундаментальное поле может быть лучше понято. Если бы поле Хиггса не было открыто, Стандартную модель пришлось бы изменить или заменить.

В связи с этим среди физиков обычно существует вера в то, что, вероятно, появится «новая» физика, выходящая за рамки Стандартной модели , и что Стандартная модель в какой-то момент будет расширена или заменена. Открытие Хиггса, а также множество измеренных столкновений, происходящих на LHC, предоставляют физикам чувствительный инструмент для поиска в их данных любых доказательств того, что Стандартная модель, похоже, не работает, и могут предоставить значительные доказательства, направляющие исследователей к будущим теоретическим разработкам.

Нарушение симметрии электрослабого взаимодействия [ править ]

Ниже чрезвычайно высокой температуры нарушение электрослабой симметрии приводит к тому, что электрослабое взаимодействие частично проявляется как ближнее слабое взаимодействие , которое переносится массивными калибровочными бозонами . В истории Вселенной считается, что нарушение электрослабой симметрии произошло вскоре после горячего Большого взрыва, когда Вселенная имела температуру 159,5 ± 1,5  ГэВ . ^[27] Это нарушение симметрии необходимо для образования атомов и других структур, а также для ядерных реакций в звездах, таких как наше Солнце . За это нарушение симметрии отвечает поле Хиггса.

Получение массы частиц [ править ]

Поле Хиггса играет важнейшую роль в создании массы из кварков и заряженных лептонов (через юкавская) и W и Z калибровочных бозонов (через механизм Хиггса).

Стоит отметить, что поле Хиггса не «создает» массу из ничего (что нарушило бы закон сохранения энергии ), а поле Хиггса не отвечает за массу всех частиц. Например, примерно 99% массы барионов ( составных частиц, таких как протон и нейтрон ) обусловлено квантовой хромодинамической энергией связи , которая является суммой кинетических энергий кварков и энергий безмассовых глюонов, опосредующих сильное взаимодействие внутри барионов. ^[28]В теориях, основанных на Хиггсе, свойство «массы» - это проявление потенциальной энергии, передаваемой элементарным частицам, когда они взаимодействуют («соединяются») с полем Хиггса, которое содержало эту массу в форме энергии . ^[29]

Скалярные поля и расширение Стандартной модели [ править ]

Поле Хиггса - единственное скалярное (спин 0) поле, которое можно обнаружить; все остальные поля в Стандартной модели представляют собой фермионы со спином 1/2 или бозоны со спином 1. По словам Рольфа-Дитера Хойера , генерального директора ЦЕРНа, когда был открыт бозон Хиггса, это доказательство существования скалярного поля почти так же важно, как и роль Хиггса в определении массы других частиц. Это предполагает, что , возможно, также могут существовать другие гипотетические скалярные поля, предложенные другими теориями, от инфлатона до квинтэссенции . ^{[30] [31]}

Космология [ править ]

Inflaton [ править ]

Там было значительным научным исследование возможных связей между полем Хиггса и инфлатоном  - гипотетическим полем , предложенным в качестве объяснения для расширения пространства во время первой доли секунды из вселенной (известная как « инфляционная эпоха »). Некоторые теории предполагают, что фундаментальное скалярное поле может быть ответственным за это явление; Поле Хиггса является таким полем, и его существование привело к появлению статей, в которых анализируется, может ли оно быть инфлатоном, ответственным за это экспоненциальное расширение Вселенной во время Большого взрыва.. Такие теории являются весьма предварительными и сталкиваются со значительными проблемами, связанными с унитарностью , но могут быть жизнеспособными в сочетании с дополнительными функциями, такими как большая неминимальная связь, скаляр Бранса-Дикке или другая «новая» физика, и они получили лечение, предполагающее, что Теоретически интерес к моделям инфляции Хиггса по-прежнему актуален.

Природа Вселенной и ее возможные судьбы [ править ]

В Стандартной модели существует вероятность того, что основное состояние нашей Вселенной, известное как «вакуум», является долгоживущим, но не полностью стабильным . В этом сценарии Вселенная в том виде, в каком мы ее знаем, может быть эффективно разрушена путем коллапса в более стабильное вакуумное состояние . ^{[33] [34] [35] [36] [37]} Иногда ошибочно сообщалось, что бозон Хиггса «положил конец» вселенной. ^[h] Если массы бозона Хиггса и топ-кварка известны более точно, а Стандартная модель обеспечивает точное описание физики элементарных частиц вплоть до экстремальных энергий планковского масштаба, то можно рассчитать, является ли вакуум стабильным или просто долгоживущим. ^{[40] [41] [42]} Масса Хиггса 125–127 ГэВ кажется чрезвычайно близкой к границе стабильности, но окончательный ответ требует гораздо более точных измерений полюсной массы топ-кварка. ^[32] Новая физика может изменить эту картину. ^[43]

Если измерения бозона Хиггса предполагают, что наша Вселенная находится в ложном вакууме такого рода, то это будет означать - более чем вероятно через многие миллиарды лет ^{[44] [i]} - что силы, частицы и структуры Вселенной могут прекратить свое существование. существовать такими, какими мы их знаем (и заменяться другими), если случится зарождение настоящего вакуума . ^{[44] [j]} Это также предполагает, что самосвязь Хиггса λ и его функция β _λ могут быть очень близки к нулю в масштабе Планка с «интригующими» последствиями, включая теории гравитации и инфляцию, основанную на Хиггсе. ^{[32] : 218 [46] [47]}Будущий электрон-позитронный коллайдер сможет обеспечить точные измерения верхнего кварка, необходимые для таких вычислений. ^[32]

Энергия вакуума и космологическая постоянная [ править ]

Говоря более умозрительно, поле Хиггса также было предложено как энергия вакуума , который при экстремальных энергиях первых моментов Большого взрыва привел к тому, что Вселенная стала своего рода невыразительной симметрией недифференцированной чрезвычайно высокой энергии. В такого рода предположениях единое единое поле теории Великого Объединения идентифицируется (или моделируется) как поле Хиггса, и именно через последовательные нарушения симметрии поля Хиггса или какого-либо подобного поля при фазовых переходах в настоящее время возникают известные силы и поля Вселенной. ^[48]

Связь (если таковая имеется) между полем Хиггса и наблюдаемой в настоящее время плотностью энергии вакуума Вселенной также стала предметом научных исследований. Как видно, нынешняя плотность энергии вакуума чрезвычайно близка к нулю, но плотность энергии, ожидаемая от поля Хиггса, суперсимметрии и других текущих теорий, обычно на много порядков больше. Непонятно, как их согласовывать. Эта космологическая постоянная проблема остается одной из основного ответа проблемы в физике.

История [ править ]

Теоретизация [ править ]

Физики элементарных частиц изучают материю, состоящую из элементарных частиц , взаимодействия которых опосредуются обменными частицами - калибровочными бозонами  - действующими как носители силы . В начале 1960-х годов был открыт или предложен ряд этих частиц, наряду с теориями, предполагающими, как они связаны друг с другом, некоторые из которых уже были переформулированы как теории поля, в которых объектами исследования не являются частицы и силы. но квантовые поля и их симметрии . ^{[49] : 150} Однако попытки создать модели квантового поля для двух из четырех известных фундаментальных сил- электромагнитное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие - а затем объединить эти взаимодействия , все еще не увенчались успехом.

Одна из известных проблем заключалась в том, что калибровочно-инвариантные подходы, включая неабелевы модели, такие как теория Янга – Миллса (1954), которая имела большие перспективы для объединенных теорий, также, казалось, предсказывали известные массивные частицы как безмассовые. ^[50] Теорема Голдстоуна , относящаяся к непрерывным симметриям в рамках некоторых теорий, также, по-видимому, исключала многие очевидные решения ^[51], поскольку, казалось, показывала, что частицы нулевой массы также должны существовать, которые просто «не видны». ^[52] По словам Гуральника , физики «не понимали», как эти проблемы могут быть преодолены. ^[52]

Физик элементарных частиц и математик Питер Войт резюмировал состояние исследований в то время:

Работа Янга и Миллса по неабелевой калибровочной теории имела одну огромную проблему: в теории возмущений у нее есть безмассовые частицы, которые не соответствуют всему, что мы видим. Один из способов избавиться от этой проблемы сейчас достаточно хорошо изучен - это явление конфайнмента, реализованное в КХД , где сильные взаимодействия избавляют от безмассовых «глюонных» состояний на больших расстояниях. К началу шестидесятых годов люди начали понимать другой источник безмассовых частиц: спонтанное нарушение симметрии непрерывной симметрии. Что Филипп Андерсон понял , и разработан летом 1962 года , что, когда у вас есть как калибровочная симметрия иПри спонтанном нарушении симметрии безмассовая мода Намбу – Голдстоуна может сочетаться с безмассовыми модами калибровочного поля для создания физического массивного векторного поля. Это то, что происходит в сверхпроводимости - предмете, по которому Андерсон был (и остается) одним из ведущих экспертов. ^[50] [текст сокращен]

Механизм Хиггса - это процесс, с помощью которого векторные бозоны могут приобретать массу покоя без явного нарушения калибровочной инвариантности как побочный продукт спонтанного нарушения симметрии . ^{[53] [54]} Первоначально математическая теория, лежащая в основе спонтанного нарушения симметрии, была задумана и опубликована в рамках физики элементарных частиц Йоитиро Намбу в 1960 г. ^[55], и идея о том, что такой механизм может предложить возможное решение "проблемы массы", была первоначально предложено в 1962 году Филипом Андерсоном (который ранее написал статьи о нарушенной симметрии и ее последствиях для сверхпроводимости. ^[56]Андерсон пришел к выводу в своей статье 1963 года по теории Янга-Миллса, что «с учетом сверхпроводящего аналога ... [t] эти два типа бозонов кажутся способными компенсировать друг друга ... оставляя бозоны конечной массы»), ^{[57] [58],} а в марте 1964 года Абрахам Кляйн и Бенджамин Ли показали, что таким способом можно избежать теоремы Голдстоуна, по крайней мере, в некоторых нерелятивистских случаях, и предположили, что это возможно в истинно релятивистских случаях. ^[59]

Эти подходы были быстро развиты в полную релятивистскую модель независимо и почти одновременно тремя группами физиков: Франсуа Энглертом и Робертом Браутом в августе 1964 года; ^[60] по Хиггс в октябре 1964 года; ^[61] и Джеральдом Гуральником , Карлом Хагеном и Томом Кибблом (GHK) в ноябре 1964 года. ^[62] Хиггс также написал короткий, но важный ^[53] ответ, опубликованный в сентябре 1964 года на возражение Гилберта , ^[63]который показал, что при расчетах с помощью датчика радиации теорема Голдстоуна и возражение Гилберта станут неприменимыми. ^[k] Хиггс позже описал возражение Гилберта как основание для его собственной статьи. ^[64] Свойства модели были дополнительно рассмотрены Гуральником в 1965 году, ^[65] Хиггсом в 1966 году, ^[66] Кибблом в 1967 году, ^[67] и далее GHK в 1967 году. ^[68] Первоначальные три статьи 1964 года продемонстрировали что когда калибровочная теория сочетается с дополнительным полем, которое спонтанно нарушает симметрию, калибровочные бозоны могут последовательно приобретать конечную массу. ^{[53] [54] [69]} В 1967 году Стивен Вайнберг^[70] и А. Сала ^[71] независимо другдруга показалкак механизм Хиггса может быть использованчтобы сломать электрослабую симметрию Шелдон Глэего «с единой моделью для слабых и электромагнитных взаимодействий , ^[72] (самсебе расширение работ по Швингеру ), сформировав то, что стало Стандартной моделью физики элементарных частиц. Вайнберг был первым, кто заметил, что это также дает массовые члены для фермионов. ^{[73] [l]}

Сначала эти основополагающие статьи о спонтанном нарушении калибровочной симметрии в значительной степени игнорировались, потому что широко считалось, что рассматриваемые (неабелевы калибровочные) теории являются тупиковыми, и, в частности, их нельзя перенормировать . В 1971–72 Мартинус Велтман и Герард т Хоофт доказали возможность перенормировки Янга – Миллса в двух статьях, посвященных безмассовым, а затем и массивным полям. ^[73] Их вклад и работа других по ренормализационной группе,  включая «существенные» теоретические работы российских физиков Людвига Фаддеева , Андрея Славнова , Ефима Фрадкина и Игоря Тютина.^[74]  - в конечном итоге был «чрезвычайно глубоким и влиятельным» ^[75], но даже после того, как были опубликованы все ключевые элементы окончательной теории, широкого интереса все еще почти не было. Например, Коулман обнаружил в своем исследовании, что «практически никто не обращал никакого внимания» на статью Вайнберга до 1971 года ^[76], которую Дэвид Политцер обсуждалв своей Нобелевской речи 2004 года. ^[75]  - сейчас наиболее цитируемый в физике элементарных частиц ^[77]  - и даже в 1970 году, согласно Политцеру, в учении Глэшоу о слабом взаимодействии не было упоминания о работах Вайнберга, Салама или Глэшоу. ^[75] На практике, утверждает Политцер,Бенджамин Ли , объединивший работы Велтмана и 'т Хофта с открытиями других, популяризировал завершенную теорию. ^[75] Таким образом, с 1971 года интерес и признание «взорвались» ^[75], и идеи были быстро поглощены мейнстримом. ^{[73] [75]}

Получившаяся электрослабая теория и Стандартная модель точно предсказали (среди прочего) слабые нейтральные токи , три бозона , верхний и очаровательный кварки , а также с большой точностью, массу и другие свойства некоторых из них. ^[d] Многие из участников в конечном итоге получили Нобелевские премии или другие известные награды. В статье 1974 года и всестороннем обзоре в Reviews of Modern Physics отмечается, что «хотя никто не сомневался в [математической] правильности этих аргументов, никто не верил, что природа дьявольски умен, чтобы воспользоваться ими» ^[78].добавив, что теория до сих пор дала точные ответы, согласующиеся с экспериментом, но неизвестно, верна ли теория в корне. ^[79] К 1986 году и снова в 1990-х стало возможным написать, что понимание и доказательство сектора Хиггса Стандартной модели было «центральной проблемой сегодня в физике элементарных частиц». ^{[18] [19]}

Резюме и влияние документов PRL [ править ]

В Викиновостях есть новости, связанные с: Премия Сакураи 2010 года присуждена за работу по теории бозона Хиггса 1964 года Оспаривается предполагаемая Нобелевская премия за работу с бозоном Хиггса

Три статьи , написанные в 1964 году были признаны каждый поэтапных работ во время Physical Review Letters «ы празднования 50 - летия. ^[69] Шесть их авторов были также награждены премией Дж. Дж. Сакураи в области теоретической физики элементарных частиц за эту работу в 2010 году . ^[80] (Споры возникли в том же году, потому что в случае присуждения Нобелевской премии только до трех ученых могли быть признаны, причем шесть были приписаны за статьи. ^[81] ) Две из трех статей PRL (Хиггса) и GHK) содержал уравнения для гипотетического поля, которое в конечном итоге стало известно как поле Хиггса и его гипотетическое квантовое поле., бозон Хиггса. ^{[61] [62]} Последующая статья Хиггса 1966 года показала механизм распада бозона; только массивный бозон может распадаться, и распады могут подтвердить механизм. ^{[ необходима цитата ]}

В статье Хиггса бозон массивен, и в заключительном предложении Хиггс пишет, что «существенной особенностью» теории «является предсказание неполных мультиплетов скалярных и векторных бозонов ». ^[61] ( Фрэнк Клоуз замечает, что калибровочные теоретики 1960-х годов были сосредоточены на проблеме безмассовых векторных бозонов, и предполагаемое существование массивного скалярного бозона не считалось важным; только Хиггс непосредственно затронул эту проблему . ^{[82] : 154, 166, 175} ) В статье GHK бозон безмассовый и не связан с массивными состояниями. ^[62]В обзорах от 2009 и 2011 годов Гуральник заявляет, что в модели GHK бозон безмассовый только в приближении самого низкого порядка, но он не подчиняется никаким ограничениям и приобретает массу более высоких порядков, и добавляет, что статья GHK была единственной. один, чтобы показать, что в модели нет безмассовых голдстоуновских бозонов, и дать полный анализ общего механизма Хиггса. ^{[52] [83]}Все трое пришли к схожим выводам, несмотря на их очень разные подходы: в работе Хиггса использовались по существу классические методы, Энглерта и Браута рассматривали поляризацию вакуума в теории возмущений вокруг предполагаемого состояния вакуума, нарушающего симметрию, а GHK использовал операторный формализм и законы сохранения для исследования подробно описать способы, которыми можно обойти теорему Голдстоуна. ^[53] Некоторые версии теории предсказывали более одного вида полей и бозонов Хиггса, и альтернативные модели «без Хиггса» рассматривались до открытия бозона Хиггса.

Экспериментальный поиск [ править ]

Чтобы произвести бозоны Хиггса , два пучка частиц ускоряются до очень высоких энергий и сталкиваются внутри детектора частиц . Иногда, хотя и редко, бозон Хиггса будет мгновенно образовываться как часть побочных продуктов столкновения. Поскольку бозон Хиггса распадается очень быстро, детекторы частиц не могут обнаружить его напрямую. Вместо этого детекторы регистрируют все продукты распада ( сигнатуру распада ), и по данным восстанавливается процесс распада. Если наблюдаемые продукты распада соответствуют возможному процессу распада (известному как канал распада) бозона Хиггса, это указывает на то, что бозон Хиггса мог быть создан. На практике многие процессы могут давать аналогичные сигнатуры распада. К счастью, Стандартная модель точно предсказывает вероятность возникновения каждого из них и каждого известного процесса. Таким образом, если детектор обнаруживает больше сигнатур распада, последовательно соответствующих бозону Хиггса, чем можно было бы ожидать, если бы бозоны Хиггса не существовали, то это было бы убедительным доказательством того, что бозон Хиггса существует.

Поскольку рождение бозона Хиггса при столкновении частиц, вероятно, будет очень редким (1 из 10 миллиардов на LHC), ^[m] и многие другие возможные события столкновения могут иметь аналогичные сигнатуры распада, данные о сотнях триллионов столкновений должны быть проанализированы и должны «показать ту же картину», прежде чем можно будет сделать вывод о существовании бозона Хиггса. Чтобы сделать вывод, что новая частица была обнаружена, физики частиц требуют, чтобы статистический анализ двух независимых детекторов частиц указывал на то, что вероятность того, что наблюдаемые сигнатуры распада обусловлены лишь случайным фоновым стандартом, меньше одного на миллион. Модельные события - т. Е. Наблюдаемое количество событий превышает пять стандартных отклонений.(сигма) отличается от ожидаемого, если бы не было новой частицы. Больше данных о столкновениях позволяет лучше подтвердить физические свойства любой новой наблюдаемой частицы и позволяет физикам решить, действительно ли это бозон Хиггса, как описано в Стандартной модели, или какая-то другая гипотетическая новая частица.

Чтобы найти бозон Хиггса, был нужен мощный ускоритель частиц , потому что бозоны Хиггса нельзя было увидеть в экспериментах с более низкими энергиями. Коллайдер должен был иметь высокую светимость , чтобы было видно достаточно столкновений, чтобы можно было делать выводы. Наконец, потребовались современные вычислительные средства для обработки огромного количества данных (25 петабайт в год по состоянию на 2012 год), произведенных в результате столкновений. ^[86] В связи с объявлением от 4 июля 2012 года в ЦЕРНе был построен новый коллайдер, известный как Большой адронный коллайдер, с запланированной конечной энергией столкновения 14 ТэВ  - в семь раз больше, чем у предыдущего коллайдера - и более 300 триллионов (3 × 10 ¹⁴Протон-протонные столкновения LHC анализировались LHC Computing Grid , крупнейшей в мире вычислительной сеткой (по состоянию на 2012 год), включающей более 170 вычислительных мощностей в всемирной сети в 36 странах. ^{[86] [87] [88]}

Искать до 4 июля 2012 г. [ править ]

Первые обширные поиски бозона Хиггса были проведены на Большом электронно-позитронном коллайдере (LEP) в ЦЕРНе в 1990-х годах. По окончании службы в 2000 году LEP не нашла убедительных доказательств существования Хиггса. ^[n] Это означало, что если бы бозон Хиггса существовал, он должен был бы быть тяжелее, чем114,4 ГэВ / c ² . ^[89]

Поиски продолжились в Фермилабе в США, где для этой цели был модернизирован Тэватрон  - коллайдер, открывший топ-кварк в 1995 году. Не было никакой гарантии, что Теватрон сможет найти Хиггса, но это был единственный суперколлайдер, который работал, так как Большой адронный коллайдер (LHC) все еще строился, а запланированный сверхпроводящий суперколлайдер был отменен в 1993 году и так и не был завершен. . Тэватрон смог исключить только дальнейшие диапазоны для массы Хиггса и был остановлен 30 сентября 2011 года, потому что он больше не мог идти в ногу с LHC. Окончательный анализ данных исключил возможность существования бозона Хиггса с массой между147 ГэВ / c ² и180 ГэВ / c ² . Кроме того, наблюдался небольшой (но не значительный) избыток событий, возможно указывающий на наличие бозона Хиггса с массой между115 ГэВ / c ² и140 ГэВ / c ² . ^[90]

Большой адронный коллайдер в CERN в Швейцарии , был разработан специально , чтобы иметь возможность подтвердить или исключить существование бозона Хиггса. Построенный в 27-километровом туннеле под землей недалеко от Женевы, первоначально населенным LEP, он был спроектирован для столкновения двух пучков протонов, первоначально с энергиями3,5 ТэВ на пучок (всего 7 ТэВ), что почти в 3,6 раза больше, чем у Тэватрона, и в будущем может быть увеличено до 2 × 7 ТэВ (всего 14 ТэВ). Теория предполагала, что если бозон Хиггса существовал, столкновения на этих энергетических уровнях должны были бы выявить его. Поскольку это один из самых сложных научных инструментов, когда-либо созданных, его эксплуатационная готовность была отложена на 14 месяцев из-за гашения магнита через девять дней после его первых испытаний, вызванного неисправным электрическим соединением, которое повредило более 50 сверхпроводящих магнитов и загрязнило вакуумную систему. ^{[91] [92] [93]}

Сбор данных на LHC, наконец, начался в марте 2010 года. ^[94] К декабрю 2011 года два основных детектора частиц на LHC, ATLAS и CMS , сузили диапазон масс, в котором может существовать Хиггс, примерно до 116-130 ГэВ (ATLAS). и 115-127 ГэВ (CMS). ^{[95] [96]} Также уже был ряд многообещающих эксцессов событий, которые «испарились» и оказались не чем иным, как случайными колебаниями. Однако примерно с мая 2011 года ^[97] оба эксперимента увидели среди своих результатов медленное появление небольшого, но последовательного избытка сигнатур гамма- и 4-лептонных распадов, а также нескольких других распадов частиц, намекающих на новую частицу с массой вокруг125 ГэВ . ^[97] Примерно к ноябрю 2011 года аномальные данные на уровне 125 ГэВ становились «слишком большими, чтобы их можно было игнорировать» (хотя все еще далеко не окончательно), и руководители групп как ATLAS, так и CMS в частном порядке подозревали, что они могли найти Хиггса. ^[97] 28 ноября 2011 года на внутренней встрече руководителей двух команд и генерального директора ЦЕРН последние анализы впервые обсуждались за пределами их команд, из чего следует, что и ATLAS, и CMS могут прийти к общему результату. при 125 ГэВ, и в случае удачного открытия начались первые приготовления. ^[97]Хотя в то время эта информация не была публично известна, сужение возможного диапазона Хиггса примерно до 115–130 ГэВ и неоднократные наблюдения небольших, но постоянных превышений событий по нескольким каналам как в ATLAS, так и в CMS в области 124–126 ГэВ ( описанные как «дразнящие намеки» примерно на 2–3 сигмы) были общеизвестными с «большим интересом». ^[98] Таким образом, к концу 2011 года многие ожидали, что LHC предоставит достаточно данных, чтобы либо исключить, либо подтвердить открытие бозона Хиггса к концу 2012 года, когда их данные о столкновении 2012 года (с немного более высоким значением столкновения 8 ТэВ энергия). ^{[98] [99]}

Открытие кандидатного бозона в ЦЕРНе [ править ]

22 июня 2012 года ЦЕРН объявил о предстоящем семинаре, посвященном предварительным выводам за 2012 год ^{[103] [104],} и вскоре после этого (примерно с 1 июля 2012 года, согласно анализу распространяющихся слухов в социальных сетях ^[105] ) слухи начали распространяться в СМИ, что это будет включать важное объявление, но было неясно, будет ли это более сильным сигналом или формальным открытием. ^{[106] [107]} Спекуляции переросли в "лихорадочную" высоту, когда появились сообщения о том, что Питер Хиггс , предложивший частицу, должен был присутствовать на семинаре, ^{[108] [109]}и что были приглашены «пять ведущих физиков» - обычно считается, что это пять живых авторов 1964 года - с участием Хиггса, Энглерта, Гуральника, Хагена и Киббла, подтверждающего его приглашение (Браут умер в 2011 году). ^[110]

4 июля 2012 года оба эксперимента ЦЕРН объявили, что независимо друг от друга сделали одно и то же открытие: ^[111] CMS ранее неизвестного бозона с массой 125,3 ± 0,6 ГэВ / c ^{2 [112] [113]} и ATLAS бозона с массой 126,0 ± 0,6 ГэВ / c ² . ^{[114] [115]} Используя комбинированный анализ двух типов взаимодействия (известных как «каналы»), оба эксперимента независимо друг от друга достигли локального значения 5 сигм, что означает, что вероятность получения хотя бы такого же сильного результата случайно меньше чем один из трех миллионов. При учете дополнительных каналов значимость CMS снизилась до 4,9 сигма. ^[113]

Две команды работали «слепо» друг от друга примерно с конца 2011 или начала 2012 года ^{[97], что} означает, что они не обсуждали свои результаты друг с другом, что давало дополнительную уверенность в том, что любой общий результат был подлинной проверкой частицы. ^[86] Этот уровень доказательств, подтвержденных независимо двумя отдельными группами и экспериментами, соответствует формальному уровню доказательства, необходимому для объявления подтвержденного открытия.

31 июля 2012 года коллаборация ATLAS представила дополнительный анализ данных о «наблюдении новой частицы», включая данные из третьего канала, который повысил значимость до 5,9 сигма (1 шанс из 588 миллионов получить по крайней мере столь же убедительные доказательства от только случайные фоновые эффекты) и масса 126,0 ± 0,4 (стат) ± 0,4 (sys) ГэВ / c ² , ^[115] и CMS повысили значимость до 5-сигма и массы 125,3 ± 0,4 (стат) ± 0,5 (sys) ГэВ / c ² . ^[112]

Новая частица протестирована как возможный бозон Хиггса [ править ]

После открытия 2012 года все еще не было подтверждено, является ли частица 125 ГэВ / c ² бозоном Хиггса. С одной стороны, наблюдения остались согласованными с наблюдаемой частицей, являющейся бозоном Хиггса Стандартной модели, и частица распалась по крайней мере на некоторые из предсказанных каналов. Более того, производительность и коэффициенты ветвления для наблюдаемых каналов в целом соответствовали предсказаниям Стандартной модели в пределах экспериментальных неопределенностей. Однако экспериментальные неопределенности в настоящее время все еще оставляют место для альтернативных объяснений, а это означает, что объявление об открытии бозона Хиггса было бы преждевременным. ^[116]Чтобы предоставить больше возможностей для сбора данных, предлагаемое закрытие LHC в 2012 году и модернизация на 2013–2014 годы были отложены на семь недель до 2013 года. ^[117]

В ноябре 2012 года на конференции в Киото исследователи заявили, что данные, собранные с июля, больше соответствуют базовой Стандартной модели, чем ее альтернативам, и ряд результатов для нескольких взаимодействий соответствует предсказаниям этой теории. ^[118] Физик Мэтт Страсслер выдвинул «значительные» доказательства того, что новая частица не является псевдоскалярной частицей с отрицательной четностью (в соответствии с этим требуемым открытием для бозона Хиггса), «испарением» или отсутствием повышенного значения для предыдущих намеков на нестандартную модель. результаты, ожидаемые взаимодействия Стандартной модели с W- и Z-бозонами , отсутствие «значительных новых последствий» за или против суперсимметрии, и в целом на сегодняшний день нет значительных отклонений от результатов, ожидаемых для бозона Хиггса Стандартной модели. ^[o] Однако некоторые виды расширений Стандартной модели также будут давать очень похожие результаты; ^[120] комментаторы отметили, что, основываясь на данных о других частицах, которые все еще остаются понятыми после их открытия, могут потребоваться годы, чтобы быть уверенным, и десятилетия, чтобы полностью понять обнаруженную частицу. ^{[118] [o]}

Эти результаты означали, что по состоянию на январь 2013 года ученые были очень уверены, что обнаружили неизвестную частицу с массой ~ 125 ГэВ / c ² , и не были введены в заблуждение экспериментальной ошибкой или случайным результатом. Они также были уверены, из первоначальных наблюдений, что новая частица была своего рода бозоном. Поведение и свойства частицы, исследованные с июля 2012 года, также казались довольно близкими к поведению, ожидаемому от бозона Хиггса. Даже в этом случае это мог быть бозон Хиггса или какой-то другой неизвестный бозон, так как будущие тесты могут показать поведение, не соответствующее бозону Хиггса, поэтому по состоянию на декабрь 2012 года ЦЕРН все еще заявлял, что новая частица «согласуется» с Бозон Хиггса, ^{[21] [23]}и ученые еще не утверждали, что это был бозон Хиггса. ^[121] Несмотря на это, в конце 2012 года широко распространенные сообщения средств массовой информации заявили (ошибочно), что бозон Хиггса был подтвержден в течение года. ^[п]

В январе 2013 года генеральный директор ЦЕРН Рольф-Дитер Хойер заявил, что на основе анализа данных на сегодняшний день ответ может быть возможен «ближе» к середине 2013 года ^[127], а заместитель председателя кафедры физики Брукхейвенской национальной лаборатории заявил в феврале 2013 года. что для «окончательного» ответа может потребоваться «еще несколько лет» после перезапуска коллайдера в 2015 году . ^[128] В начале марта 2013 года директор ЦЕРН по исследованиям Серджио Бертолуччи заявил, что подтверждение спина 0 является основным оставшимся требованием для определения того, является ли частица по крайней мере чем-то вроде бозона Хиггса. ^[129]

Подтверждение существования и текущего статуса [ править ]

14 марта 2013 г. ЦЕРН подтвердил, что:

«CMS и ATLAS сравнили ряд вариантов спиновой четности этой частицы, и все они предпочитают отсутствие спина и даже четность [два фундаментальных критерия бозона Хиггса, согласующиеся со Стандартной моделью]. Это в сочетании с измеренными взаимодействиями новой частицы с другими частицами, убедительно указывает на то, что это бозон Хиггса ». ^[6]

Это также делает частицу первой элементарной скалярной частицей, обнаруженной в природе. ^[24]

Примеры тестов, используемых для подтверждения того, что обнаруженная частица является бозоном Хиггса: ^{[o] [130]}

Результаты с 2013 г. [ править ]

В июле 2017 года ЦЕРН подтвердил, что все измерения все еще согласуются с предсказаниями Стандартной модели, и назвал обнаруженную частицу просто «бозоном Хиггса». ^[1] По состоянию на 2019 год Большой адронный коллайдер продолжал получать результаты, подтверждающие понимание поля и частицы Хиггса в 2013 году. ^{[135] [136]}

Экспериментальная работа LHC с момента перезапуска в 2015 году включала в себя исследование поля и бозона Хиггса с большей степенью детализации и подтверждение правильности менее распространенных прогнозов. В частности, исследования с 2015 года предоставили убедительные доказательства предсказанного прямого распада на фермионы, такие как пары нижних кварков (3,6 σ), - описанные как «важная веха» в понимании его короткого времени жизни и других редких распадов, а также для подтверждения распада. на пары тау-лептонов(5,9 σ). ЦЕРН описал это как имеющее первостепенное значение для установления связи бозона Хиггса с лептонами и представляет собой важный шаг на пути к измерению связи бозона Хиггса с фермионами третьего поколения, очень тяжелыми копиями электронов и кварков, роль которых в природе такова. глубокая тайна ». ^[1] Опубликованные результаты по состоянию на 19 марта 2018 г. при 13 ТэВ для ATLAS и CMS содержали измерения массы Хиггса на124,98 ± 0,28 ГэВ и125,26 ± 0,21 ГэВ соответственно.

В июле 2018 года эксперименты ATLAS и CMS сообщили о наблюдении распада бозона Хиггса на пару нижних кварков, что составляет примерно 60% всех его распадов. ^{[137] [138] [139]}

Теоретические вопросы [ править ]

Теоретическая потребность в Хиггсе [ править ]

Калибровочная инвариантность - важное свойство современных теорий частиц, таких как Стандартная модель , отчасти благодаря ее успеху в других областях фундаментальной физики, таких как электромагнетизм и сильное взаимодействие ( квантовая хромодинамика ). Однако до того, как в 1961 году Шелдон Л. Глэшоу расширил модели электрослабого объединения , возникли большие трудности в разработке калибровочных теорий слабого ядерного взаимодействия или возможного объединенного электрослабого взаимодействия . Фермионы с массовым членом нарушили бы калибровочную симметрию и, следовательно, не могли бы быть калибровочно-инвариантными. (Это можно увидеть, изучивЛагранжиан Дирака для фермиона в терминах левой и правой компонент; мы обнаруживаем, что ни одна из частиц с половиной спина никогда не могла бы изменить спиральность, как требуется для массы, поэтому они должны быть безмассовыми. ^[q] ) W- и Z-бозоны обладают массой, но бозонный массовый член содержит члены, которые явно зависят от выбора калибровки, и поэтому эти массы тоже не могут быть калибровочно-инвариантными. Поэтому кажется, что ни один из фермионов стандартной модели илибозоны могут «начинаться» с массы как встроенного свойства, если не отказываться от калибровочной инвариантности. Чтобы сохранить калибровочную инвариантность, эти частицы должны были приобретать свою массу посредством какого-то другого механизма или взаимодействия. Кроме того, все, что придавало этим частицам их массу, не должно было «нарушать» калибровочную инвариантность как основу для других частей теорий, где она работала хорошо, и не требовалось или не требовалось предсказывать неожиданные безмассовые частицы или дальнодействующие силы (казалось бы, неизбежное следствие теоремы Голдстоуна ), которые на самом деле не существовали в природе.

Решение все эти перекрывающихся проблем пришло с открытием ранее незамеченного пограничным случае скрытого в математике теоремы Голдстоуна, ^[к] , что при определенных условиях может быть теоретически возможно для нарушения симметрии без нарушения калибровочной инвариантности и без любые новые безмассовые частицы или силы и имеющие "разумные" ( перенормируемые ) результаты математически. Это стало известно как механизм Хиггса .

Стандартная модель предполагает наличие поля, ответственного за этот эффект, называемого полем Хиггса (символ:) , которое имеет необычное свойство ненулевой амплитуды в основном состоянии ; т.е. ненулевое значение математического ожидания вакуума . Он может иметь такой эффект из-за своего необычного потенциала в форме «мексиканской шляпы», самая низкая «точка» которого не находится в его «центре». Проще говоря, в отличие от всех других известных полей, поле Хиггса требует меньше энергии, чтобы иметь ненулевое значение, чем нулевое значение, поэтому в конечном итоге оно везде имеет ненулевое значение . Ниже определенного чрезвычайно высокого уровня энергии существование этого ненулевого ожидания вакуума спонтанно нарушает электрослабое${\displaystyle \phi }$ калибровочная симметрия, которая, в свою очередь, порождает механизм Хиггса и запускает приобретение массы этими частицами, взаимодействующими с полем. Этот эффект возникает из-за того, что компоненты скалярного поля поля Хиггса «поглощаются» массивными бозонами в виде степеней свободы и связываются с фермионами через взаимодействие Юкавы , тем самым производя ожидаемые массовые члены. Когда в этих условиях нарушается симметрия , возникающие голдстоуновские бозоны взаимодействуют между собой.с полем Хиггса (и с другими частицами, способными взаимодействовать с полем Хиггса) вместо того, чтобы стать новыми безмассовыми частицами. Сложные проблемы обеих базовых теорий «нейтрализуют» друг друга, и в результате элементарные частицы приобретают постоянную массу в зависимости от того, насколько сильно они взаимодействуют с полем Хиггса. Это простейший известный процесс, способный придать массу калибровочным бозонам , оставаясь при этом совместимым с калибровочными теориями . ^[140] Его квант будет скалярным бозоном , известным как бозон Хиггса. ^[141]

Альтернативные модели [ править ]

Минимальная стандартная модель, описанная выше, является простейшей известной моделью механизма Хиггса с одним полем Хиггса. Однако также возможен расширенный сектор Хиггса с дополнительными дублетами или тройками частиц Хиггса, и многие расширения Стандартной модели имеют эту функцию. Неминимальный сектор Хиггса, одобренный теорией, - это модели с двумя дублетами Хиггса (2HDM), которые предсказывают существование квинтета скалярных частиц: двух CP-четных нейтральных бозонов Хиггса h ⁰ и H ⁰ , CP-нечетных нейтральных частиц. Бозон Хиггса A ⁰ и две заряженные частицы Хиггса H ^± . Суперсимметрия («SUSY») также предсказывает отношения между массами бозонов Хиггса и массами калибровочных бозонов и может учитывать 125 ГэВ / c ² нейтральный бозон Хиггса.

Ключевой метод, позволяющий различать эти разные модели, включает изучение взаимодействий частиц («связь») и точных процессов распада («коэффициентов ветвления»), которые могут быть измерены и испытаны экспериментально при столкновениях частиц. В модели 2HDM типа I один дублет Хиггса связывается с верхними и нижними кварками, а второй дублет не связывается с кварками. Эта модель имеет две интересные пределы, в которых самые легкие хиггсовские пары , чтобы просто фермионов ( «калибровочно фобические „) или только калибровочных бозонов (“fermiophobic»), но не оба. В модели 2HDM типа II один дублет Хиггса связывается только с кварками восходящего типа, а другой - только с кварками нижнего типа. ^[142] Сильно исследовал минимальная Суперсимметричная Стандартная модель(MSSM) включает в себя сектор Хиггса 2HDM типа II, поэтому его можно опровергнуть свидетельством наличия 2HDM Хиггса типа I. ^{[ необходима цитата ]}

В других моделях скаляр Хиггса представляет собой составную частицу. Например, в technicolor роль поля Хиггса играют сильно связанные пары фермионов, называемые техникварками . В других моделях присутствуют пары топ-кварков (см. Конденсат топ-кварков ). В других моделях поле Хиггса вообще отсутствует, а электрослабая симметрия нарушается дополнительными измерениями. ^{[143] [144]}

Дальнейшие теоретические вопросы и проблема иерархии [ править ]

Стандартная модель оставляет массу бозона Хиггса параметром, который необходимо измерить, а не вычисляемым значением. Это рассматривается как теоретически неудовлетворительное, особенно потому, что квантовые поправки (связанные с взаимодействием с виртуальными частицами ), очевидно, должны привести к тому, что частица Хиггса будет иметь массу, намного превышающую наблюдаемую, но в то же время Стандартная модель требует массы порядка От 100 до 1000 ГэВ для обеспечения унитарности (в данном случае для унитарного рассеяния продольных векторных бозонов). ^[145]Согласование этих точек, по-видимому, требует объяснения, почему существует почти идеальное сокращение, приводящее к видимой массе ~ 125 ГэВ, и неясно, как это сделать. Поскольку слабое взаимодействие примерно в 10 ³² раз сильнее гравитации, и (в связи с этим) масса бозона Хиггса намного меньше, чем масса Планка или энергия великого объединения , похоже, что либо существует какая-то основная связь, либо причина для этого. наблюдения, которые неизвестны и не описываются Стандартной моделью, или некоторые необъяснимые и чрезвычайно точные настройки параметров - однако в настоящее время ни одно из этих объяснений не доказано. Это известно как проблема иерархии . ^[146]В более широком смысле проблема иерархии сводится к беспокойству о том, что будущая теория элементарных частиц и взаимодействий не должна иметь чрезмерных тонких настроек или чрезмерно тонких сокращений и должна позволять вычислять массы частиц, таких как бозон Хиггса. Проблема в некотором смысле уникальна для частиц со спином 0 (таких как бозон Хиггса), что может вызвать проблемы, связанные с квантовыми поправками, которые не влияют на частицы со спином. ^[145] Был предложен ряд решений , включая суперсимметрию , конформные решения и решения через дополнительные измерения, такие как модели мира на бране .

Существуют также проблемы квантовой тривиальности , из которых следует, что создание последовательной квантовой теории поля, включающей элементарные скалярные частицы, может оказаться невозможным. ^[147] Однако, если избежать квантовой тривиальности, ограничения тривиальности могут ограничить массу бозона Хиггса.

Свойства [ править ]

Свойства поля Хиггса [ править ]

В Стандартной модели поле Хиггса является скалярным тахионным полем - скалярным, что означает, что оно не преобразуется при преобразованиях Лоренца , а тахионное означает, что поле (но не частица) имеет мнимую массу и в определенных конфигурациях должно подвергаться нарушению симметрии . Он состоит из четырех компонентов: двух нейтральных и двух полей заряженных компонент . Обе заряженные компоненты и одно из нейтральных полей являются бозонами Голдстоуна , которые действуют как продольные компоненты третьей поляризации массивных W + , W - и Z бозонов.. Квант оставшейся нейтральной компоненты соответствует (и теоретически реализуется как) массивному бозону Хиггса. ^[148] Этот компонент может взаимодействовать с фермионами посредством взаимодействия Юкавы, чтобы придать им массу.

Математически поле Хиггса имеет мнимую массу и, следовательно, является тахионным полем. ^[149] В то время как тахионы ( частицы , движущиеся быстрее света ) являются чисто гипотетической концепцией, поля с мнимой массой стали играть важную роль в современной физике. ^{[150] [151]} Ни при каких обстоятельствах возбуждения никогда не распространяются быстрее света в таких теориях - наличие или отсутствие тахионной массы никак не влияет на максимальную скорость сигналов (нет нарушения причинно-следственной связи ). ^[152]Вместо частиц быстрее скорости света воображаемая масса создает нестабильность: любая конфигурация, в которой одно или несколько полевых возбуждений являются тахионными, должны спонтанно распадаться, и полученная конфигурация не содержит физических тахионов. Этот процесс известен как тахионная конденсация и теперь считается объяснением того, как в природе возникает сам механизм Хиггса, и, следовательно, причиной нарушения электрослабой симметрии.

Хотя представление о воображаемой массе может показаться тревожным, квантуется только поле, а не сама масса. Следовательно, операторы поля в пространственно-подобных разделенных точках по-прежнему коммутируют (или антикоммутируют) , а информация и частицы по-прежнему не распространяются быстрее света. ^[153] Тахионная конденсация переводит физическую систему, которая достигла локального предела - и можно было бы наивно ожидать, что она произведет физические тахионы - в альтернативное стабильное состояние, где физических тахионов не существует. Когда тахионное поле, такое как поле Хиггса, достигает минимума потенциала, его кванты больше не тахионы, а скорее обычные частицы, такие как бозон Хиггса. ^[154]

Свойства бозона Хиггса [ править ]

Этот раздел необходимо обновить . Причина этого заключается в следующем: теперь, когда бозон Хиггса подтвержден эмпирически, абзацы о массе следует перефразировать, чтобы было ясно, что они касаются того, что можно было предсказать до этого наблюдения. Обновите эту статью, чтобы отразить недавние события или новую доступную информацию. ( Июль 2018 г. )

Поскольку поле Хиггса скалярно , бозон Хиггса не имеет спина . Бозон Хиггса также является собственной античастицей , он CP-четный и имеет нулевой электрический и цветной заряд . ^[155]

Стандартная модель не предсказывает массу бозона Хиггса. ^[156] Если эта масса составляет от 115 до180 ГэВ / c ² (в соответствии с эмпирическими наблюдениями125 ГэВ / c ² ), то Стандартная модель может быть действительна в масштабах энергий вплоть до планковского (10 ¹⁹ ГэВ). ^[157] Многие теоретики ожидают появления новой физики за пределами Стандартной модели в масштабе ТэВ, основанной на неудовлетворительных свойствах Стандартной модели. ^[158] Максимально допустимый масштаб массы бозона Хиггса (или другого механизма нарушения электрослабой симметрии) составляет 1,4 ТэВ; за пределами этой точки Стандартная модель становится несовместимой без такого механизма, потому что унитарность нарушается в некоторых процессах рассеяния. ^[159]

Также возможно, хотя экспериментально сложно, косвенно оценить массу бозона Хиггса. В Стандартной модели бозон Хиггса имеет ряд косвенных эффектов; прежде всего петли Хиггса приводят к крошечным поправкам к массам W- и Z-бозонов. Прецизионные измерения электрослабых параметров, таких как постоянная Ферми и массы W- и Z-бозонов, могут быть использованы для расчета ограничений на массу Хиггса. По состоянию на июль 2011 года прецизионные электрослабые измерения говорят нам, что масса бозона Хиггса, вероятно, будет меньше примерно161 ГэВ / c ² при уровне достоверности 95% . ^[r] Эти косвенные ограничения основаны на предположении, что Стандартная модель верна. Возможно, еще удастся обнаружить бозон Хиггса выше этих масс, если он будет сопровождаться другими частицами, помимо тех, которые предусмотрены Стандартной моделью. ^[161]

Производство [ править ]

Если теории частиц Хиггса верны, то частица Хиггса может быть произведена так же, как и другие частицы, которые изучаются, в коллайдере частиц . Это включает ускорение большого количества частиц до чрезвычайно высоких энергий и чрезвычайно близких к скорости света , а затем позволяет им столкнуться друг с другом. Протоны и ионы свинца (голые ядра атомов свинца) используются на LHC. При экстремальных энергиях этих столкновений время от времени будут производиться желаемые эзотерические частицы, и это может быть обнаружено и изучено; любое отсутствие или отклонение от теоретических ожиданий также может быть использовано для улучшения теории. Соответствующая теория частиц (в данном случае Стандартная модель) определит необходимые типы столкновений и детекторов. Стандартная модель предсказывает, что бозоны Хиггса могут образовываться разными способами, ^{[84] [162] [163],} хотя вероятность образования бозона Хиггса при любом столкновении всегда ожидается очень малой - например, только один бозон Хиггса. бозона на 10 миллиардов столкновений в Большом адронном коллайдере. ^[m] Наиболее частыми ожидаемыми процессами образования бозона Хиггса являются:

• Синтез глюонов . Если столкнувшиеся частицы являются адронами, такими как протон или антипротон,  как в случае с LHC и Тэватроном, то наиболее вероятно, что два глюона, связывающих адрон, столкнутся. Самый простой способ создать частицу Хиггса - это если два глюона объединятся, чтобы сформировать петлю виртуальных кварков. Поскольку взаимодействие частиц с бозоном Хиггса пропорционально их массе, этот процесс более вероятен для тяжелых частиц. На практике достаточно учесть вклад виртуальных верха и низа.кварки (самые тяжелые кварки). Этот процесс является доминирующим на LHC и Тэватроне, он примерно в десять раз более вероятен, чем любой другой процесс. ^{[84] [162]}
• Хиггс Strahlung . Если элементарный фермион сталкивается с антифермионом - например, кварк с антикварком или электрон с позитроном  - эти два могут объединиться, образуя виртуальный W- или Z-бозон, который, если он несет достаточную энергию, может затем испускать бозон Хиггса. Этот процесс был основным способом производства на LEP, где электрон и позитрон столкнулись, чтобы сформировать виртуальный Z-бозон, и это был второй по величине вклад в образование Хиггса на Тэватроне. На LHC этот процесс является только третьим по величине, потому что LHC сталкивает протоны с протонами, делая столкновение кварк-антикварк менее вероятным, чем на Тэватроне. Хиггс Strahlung также известен как ассоциированное производство . ^{[84] [162][163]}
• Слабый синтез бозонов . Другая возможность, когда два (анти) фермиона сталкиваются, состоит в том, что они обмениваются виртуальным W- или Z-бозоном, который излучает бозон Хиггса. Сталкивающиеся фермионы не обязательно должны быть одного типа. Так, например, верхний кварк может обмениваться Z-бозоном с анти-нижним кварком. Этот процесс является вторым по важности для производства частиц Хиггса на LHC и LEP. ^{[84] [163]}
• Топ-фьюжн . Последний процесс, который обычно рассматривается, является наименее вероятным (на два порядка). В этом процессе участвуют два сталкивающихся глюона, каждый из которых распадается на тяжелую кварк-антикварковую пару. Кварк и антикварк из каждой пары могут затем объединиться, чтобы сформировать частицу Хиггса. ^{[84] [162]}

Распад [ править ]

Квантовая механика предсказывает, что если частица может распасться на набор более легких частиц, то в конечном итоге это произойдет. ^[164] Это верно и для бозона Хиггса. Вероятность того, что это произойдет, зависит от множества факторов, в том числе от разницы в массе, силы взаимодействий и т. Д. Большинство этих факторов фиксируются Стандартной моделью, за исключением массы самого бозона Хиггса. Для бозона Хиггса с массой125 ГэВ / c ² SM предсказывает среднее время жизни около1,6 × 10 ⁻²²  с . ^[b]

Поскольку он взаимодействует со всеми массивными элементарными частицами СМ, ​​бозон Хиггса имеет много различных процессов, посредством которых он может распадаться. Каждый из этих возможных процессов имеет свою вероятность, выраженную как коэффициент ветвления ; часть общего числа убывает, что следует за этим процессом. SM предсказывает эти коэффициенты ветвления как функцию массы Хиггса (см. График).

Один из способов распада Хиггса - это расщепление на пару фермион-антифермион. Как правило, Хиггс с большей вероятностью распадется на тяжелые фермионы, чем на легкие фермионы, потому что масса фермиона пропорциональна силе его взаимодействия с Хиггсом. ^[116] Согласно этой логике, чаще всего должен происходить распад на пару топ- антитоп-кварк. Однако такой распад был бы возможен только в том случае, если бы Хиггс был тяжелее ~346 ГэВ / c ² , что вдвое превышает массу топ-кварка. Для массы Хиггса125 ГэВ / c ² СМ предсказывает, что наиболее распространенный распад происходит на пару нижний- антидонный кварк, что происходит в 57,7% случаев. ^[3] Второй наиболее распространенный распад фермиона с такой массой - это распад пары тау – антитау, который происходит только примерно в 6,3% случаев. ^[3]

Другая возможность - это разделение Хиггса на пару массивных калибровочных бозонов. Наиболее вероятно, что бозон Хиггса распадется на пару W-бозонов (голубая линия на графике), что происходит примерно в 21,5% случаев для бозона Хиггса с массой125 ГэВ / c ² . ^[3] W-бозоны могут впоследствии распадаться либо на кварк и антикварк, либо на заряженный лептон и нейтрино. Распады W-бозонов на кварки трудно отличить от фона, а распады на лептоны не могут быть полностью реконструированы (поскольку нейтрино невозможно обнаружить в экспериментах по столкновению частиц). Более чистый сигнал дает распад на пару Z-бозонов (что происходит примерно в 2,6% случаев для Хиггса с массой125 ГэВ / c ² ), ^[3], если каждый из бозонов впоследствии распадется на пару легко обнаруживаемых заряженных лептонов ( электронов или мюонов ).

Распад на безмассовые калибровочные бозоны (т. Е. Глюоны или фотоны ) также возможен, но требует промежуточного контура виртуальных тяжелых кварков (верхних или нижних) или массивных калибровочных бозонов. ^[116] Наиболее распространенный такой процесс - распад на пару глюонов через петлю виртуальных тяжелых кварков. Этот процесс, противоположный процессу слияния глюонов, упомянутому выше, происходит примерно в 8,6% случаев для бозона Хиггса с массой125 ГэВ / c ² . ^[3] Гораздо реже распад на пару фотонов происходит через петлю из W-бозонов или тяжелых кварков, что происходит только дважды на каждую тысячу распадов. ^[3] Однако этот процесс очень важен для экспериментального поиска бозона Хиггса, потому что энергия и импульс фотонов могут быть измерены очень точно, что дает точную реконструкцию массы распадающейся частицы. ^[116]

Публичное обсуждение [ править ]

Именование [ править ]

Имена, используемые физиками [ править ]

Имя, наиболее тесно связанное с частицей и полем, - это бозон Хиггса ^{[82] : 168} и поле Хиггса. Некоторое время частица была известна под комбинацией имен ее авторов PRL (включая иногда Андерсона), например, частица Браута – Энглерта – Хиггса, частица Андерсона – Хиггса или Энглерта – Браута – Хиггса – Гуральника – Хагена– Механизм Киббла, ^[ы], и они все еще используются время от времени. ^{[53] [166]} Отчасти вызванное проблемой признания и потенциальной совместной Нобелевской премии, ^{[166] [167]} наиболее подходящее название время от времени оставалось темой дебатов до 2013 года. ^[166]Сам Хиггс предпочитает называть частицу аббревиатурой всех участников, либо «скалярный бозон», либо «так называемая частица Хиггса». ^[167]

О том, как имя Хиггса стало использоваться исключительно, написано немало. Предлагаются два основных объяснения. Во-первых, Хиггс предпринял шаг, который в его статье был либо уникальным, либо более ясным, либо более явным, в формальном предсказании и исследовании частицы. Из авторов статей PRL только статья Хиггса явно предлагала как предсказание существования массивной частицы и рассчитывала некоторые из ее свойств; ^{[82] : 167 [168]} поэтому он был «первым, кто постулировал существование массивной частицы» согласно Природе . ^[166] Физик и писатель Фрэнк Клоуз и физик-блогер Питер Войткак комментарий о том , что статья ГОК также была завершена после Хиггса и Браут-Englert были представлены в Physical Review Letters , , ^{[82] : 167 [169]} и что Хиггс одна привлекли внимание к предсказанному массивному скалярному бозону, а все остальные были сосредоточены на массивных векторных бозонах; ^{[82] : 154, 166, 175 [169]} Таким образом, вклад Хиггса также предоставил экспериментаторам важную «конкретную цель», необходимую для проверки теории. ^[170] Однако, с точки зрения Хиггса, Браут и Энглерт прямо не упомянули бозон, поскольку его существование явно очевидно в их работе, ^{[57] : 6}в то время как, согласно Гуральнику, статья GHK представляет собой полный анализ всего механизма нарушения симметрии, математическая строгость которого отсутствует в двух других статьях, и в некоторых решениях может существовать массивная частица. ^{[83] : 9 В} статье Хиггса также содержится «особенно резкое» изложение проблемы и ее решения, согласно историку науки Дэвиду Кайзеру. ^[167]

Альтернативное объяснение состоит в том, что это имя было популяризировано в 1970-х годах из-за его использования в качестве удобного сокращения или из-за ошибки при цитировании. Многие источники (в том числе собственная ^{[57] : 7} ) Хиггса приписывают имя "Хиггс" физику Бенджамину Ли (по- корейски : Ли Ви-со ). Ли был значительным популистом в теории на ранних этапах, и с 1972 года ^{[11] [166] [171] [172] [173]} и в at at at at at at at at at at http://www.html.com/articles/articles/2008/2008/2008/2008/2008/2004/ по крайней мере один экземпляр с 1966 года. ^[174]Хотя Ли пояснил в своих сносках, что «Хиггс - это сокращение от Хиггса, Киббла, Гуральника, Хагена, Браута, Энглерта» ^[171], он использовал этот термин (а также, возможно, ошибочное цитирование Стивена Вайнберга статьи Хиггса как Впервые в своей основополагающей статье 1967 г. ^{[82] [175] [174]} ) означал, что примерно к 1975–1976 гг. другие также начали использовать имя «Хиггс» исключительно как сокращение. ^[t] В 2012 году физик Фрэнк Вильчек , которому приписывают название аксион элементарной частицы (вместо альтернативного предложения «Хигглет»), поддержал название «бозон Хиггса», заявив: «История сложна, и где бы вы ни проводили черту. будет кто-то чуть ниже него ".^[167]

Псевдоним [ править ]

Бозон Хиггса часто упоминается как «частица Бога» в популярных СМИ за пределами научного сообщества. ^{[176] [177] [178] [179] [180]} Это прозвище происходит от названия книги 1993 года о бозоне Хиггса и физике элементарных частиц «Божественная частица: если Вселенная - ответ, то в чем вопрос?» по лауреат Нобелевской премии физики и Fermilab режиссер Леон Ледер- . ^[17] Ледерман написал в контексте непринятия поддержки правительства США для сверхпроводящего Супер коллайдера , ^[181] частично построен титанические ^{[182] [183]} конкурентБольшой адронный коллайдер с запланированной энергией столкновения 2 × 20 ТэВ, который поддерживал Ледерман с момента его создания ^{[181] [184] [185]} и был закрыт в 1993 году. такой проект перед лицом возможной потери финансирования. ^[186] Ледерман, ведущий исследователь в этой области, пишет, что хотел назвать свою книгу «Проклятая частица: если Вселенная - это ответ, то в чем вопрос?» Редактор Ледермана решил, что название было слишком спорным, и убедил его изменить название на «Частица Бога: если Вселенная - это ответ, то в чем вопрос?» ^[187]

Хотя использование этого термина в СМИ, возможно, способствовало более широкой осведомленности и интересу ^[188], многие ученые считают, что это название неуместно ^{[11] [12] [189],} поскольку оно является сенсационной гиперболой и вводит читателей в заблуждение; ^[190] частица также не имеет ничего общего с Богом , оставляет открытыми многочисленные вопросы фундаментальной физики и не объясняет окончательное происхождение Вселенной . Сообщалось, что Хиггс , атеист , был недоволен и заявил в интервью 2008 года, что он нашел это «смущающим», потому что это был «вид злоупотребления ... который, я думаю, может оскорбить некоторых людей». ^{[190][191] [192]} Это прозвище высмеивали и в основных СМИ. ^[193] Научный писатель Ян Сэмпл заявил в своей книге 2010 года о поиске, что это прозвище «универсально ненавидят [d]» физики и, возможно, «высмеивает хуже всех» в истории физики , но что (по словам Ледермана) издатель отклонил все заголовки, в которых упоминается "Хиггс" как лишенный воображения и слишком неизвестный. ^[194]

Ледерман начинает с обзора долгих человеческих поисков знаний и объясняет, что его ироничное название проводит аналогию между влиянием поля Хиггса на фундаментальные симметрии при Большом взрыве и очевидным хаосом структур и частиц. , силы и взаимодействия, которые привели и сформировали нашу нынешнюю вселенную, с библейской историей Вавилона, в которой изначальный единый язык раннего Бытия был фрагментирован на множество несопоставимых языков и культур. ^[195]

Сегодня ... у нас есть стандартная модель, которая сводит всю реальность к дюжине или около того частиц и четырем силам. ... Это с трудом завоеванная простота [... и ...] удивительно точная. Но он также неполный и, по сути, внутренне противоречивый ... Этот бозон настолько важен для современного состояния физики, настолько важен для нашего окончательного понимания структуры материи, но настолько неуловим, что я дал ему прозвище : Частица Бога. Почему Бог Частица? Две причины. Во-первых, издатель не позволил бы нам называть это проклятой частицей, хотя это могло бы быть более подходящим названием, учитывая его злодейский характер и расходы, которые оно вызывает. И, во- вторых , есть своего рода связь с другой книгой , гораздо более старой ...

-  Леон М. Ледерман и Дик Терези, Частица Бога: Если Вселенная является ответом, в чем вопрос ^[17] с. 22

Ледерман спрашивает, был ли бозон Хиггса добавлен только для того, чтобы сбить с толку и сбить с толку тех, кто ищет знания о Вселенной, и будут ли физики сбиты с толку этим, как рассказывается в этой истории, или в конечном итоге преодолеют проблему и поймут, «насколько прекрасна Вселенная [Бог ] сделали". ^[196]

Другие предложения [ править ]

Конкурс на переименование, проведенный британской газетой The Guardian в 2009 году, привел к тому, что их научный корреспондент выбрал название « бозон бутылки шампанского » как лучший материал: «Дно бутылки шампанского имеет форму потенциала Хиггса и часто используется в качестве иллюстрации в лекциях по физике. Так что это не слишком грандиозное имя, оно запоминающееся и [оно] имеет некоторую связь с физикой ». ^[197] Имя Хиггсон также было предложено в авторской статье в онлайн-публикации Physicsworld.com Института физики . ^[198]

Образовательные объяснения и аналогии [ править ]

Было много публичных обсуждений аналогий и объяснений частицы Хиггса и того, как поле создает массу, ^{[199] [200],} включая освещение попыток объяснения самих по себе и соревнование в 1993 году за лучшее популярное объяснение тогдашней Великобританией. Министр науки сэр Уильям Вальдегрейв ^[201] и статьи в газетах по всему миру.

Образовательное сотрудничество с участием физика LHC и преподавателя средней школы в ЦЕРНе предполагает, что дисперсия света,  ответственная за радугу и дисперсионную призму,  является полезной аналогией нарушения симметрии поля Хиггса и эффекта образования массы. ^[202]

Мэтт Страсслер использует электрические поля в качестве аналогии: ^[203]

Некоторые частицы взаимодействуют с полем Хиггса, а другие - нет. Те частицы, которые чувствуют поле Хиггса, действуют так, как будто у них есть масса. Нечто подобное происходит в электрическом поле  - заряженные объекты притягиваются, а нейтральные объекты могут проходить сквозь них, не подвергаясь воздействию. Таким образом, вы можете думать о поиске Хиггса как о попытке создать волны в поле Хиггса [ создать бозоны Хиггса ], чтобы доказать, что оно действительно существует.

Аналогичное объяснение было предложено The Guardian : ^[204]

Бозон Хиггса - это, по сути, рябь в поле, которое, как утверждается, возникло при рождении Вселенной и охватывает космос по сей день ... Однако частица имеет решающее значение: это дымящийся пистолет , свидетельство, необходимое для подтверждения теории правильно.

Влияние поля Хиггса на частицы было классно описано физиком Дэвидом Миллером как сродни комнате, полной партийных работников, равномерно распределенных по комнате: толпа тяготеет к известным людям и замедляет их, но не замедляет других. ^[u] Он также обратил внимание на хорошо известные эффекты в физике твердого тела, когда эффективная масса электрона может быть намного больше, чем обычно, в присутствии кристаллической решетки. ^[205]

Аналогии, основанные на эффектах сопротивления , в том числе аналогии с « сиропом » или « патокой », также хорошо известны, но могут вводить в заблуждение, поскольку их можно понять (неправильно) как утверждающие, что поле Хиггса просто сопротивляется движению одних частиц, но не других ». - простой резистивный эффект также может противоречить третьему закону Ньютона . ^[207]

Признание и награды [ править ]

До конца 2013 года велась серьезная дискуссия о том, как распределить заслугу, если бозон Хиггса будет доказан, и станет более заметным как Нобелевская премияожидалось, и очень широкая база людей, имеющих право на рассмотрение. В их число входят ряд теоретиков, которые сделали возможной теорию механизма Хиггса, теоретиков статей PRL 1964 года (включая самого Хиггса), теоретиков, выведших из них рабочую теорию электрослабого взаимодействия и саму Стандартную модель, а также экспериментаторов из ЦЕРНа и США. другие институты, которые сделали возможным доказательство поля и бозона Хиггса на самом деле. Нобелевская премия ограничена тремя людьми, которые могут разделить награду, и некоторые возможные победители уже являются обладателями призов за другие работы или умерли (премия присуждается только лицам, при жизни). Существующие призы за работы, относящиеся к полю, бозону или механизму Хиггса, включают:

• Нобелевская премия по физике (1979) - Глэшоу , Салам и Вайнберг , за вклад в теорию единого слабого и электромагнитного взаимодействия между элементарными частицами ^[208]
• Нобелевская премия по физике (1999) - 'т Хоофт и Велтман , за разъяснение квантовой структуры электрослабых взаимодействий в физике ^[209]
• Премия Дж. Дж. Сакураи в области теоретической физики элементарных частиц (2010 г.) - Хаген, Энглерт, Гуральник, Хиггс, Браут и Киббл за выяснение свойств спонтанного нарушения симметрии в четырехмерной релятивистской калибровочной теории и механизма последовательной генерации векторных массы бозонов ^[80] (для описанных выше статей 1964 г. )
• Приз Вольфа (2004) - Энглерт, Браут и Хиггс
• Премия за прорыв в фундаментальной физике (2013 г.) - Фабиола Джанотти и Питер Дженни , представители сотрудничества ATLAS, и Мишель Делла Негра, Техиндер Сингх Вирди, Гвидо Тонелли и Джозеф Инкандела, бывшие и настоящие представители сотрудничества CMS, "За [их ] ведущая роль в научных усилиях, которые привели к открытию новой частицы, подобной Хиггсу, сотрудниками ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа ». ^[210]
• Нобелевская премия по физике (2013) - Хиггс и Франсуа Энглер , для теоретического открытия механизма , который способствует нашему пониманию происхождения масс элементарных частиц, и который недавно был подтвержден через открытие предсказанной элементарной частицы, с помощью эксперименты ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа ^[211] Соавтор Энглерта Роберт Браут умер в 2011 году, и Нобелевская премия обычно не вручается посмертно . ^[212]

Кроме того, в 50-летнем обзоре Physical Review Letters (2008 г.) были признаны статьи 1964 г. о нарушении симметрии ПРЛ и статья Вайнберга 1967 г. «Модель лептонов» (наиболее цитируемая статья в физике элементарных частиц по состоянию на 2012 г.) «знаковыми буквами». ^[77]

После сообщения о наблюдении частицы, подобной Хиггсу в июле 2012 года, несколько индийских СМИ сообщили о предполагаемом пренебрежении чести индийского физика Сатьендра Натха Боса, в честь которого в 1920-х годах был назван класс частиц « бозоны » ^{[213] [214 ]} (хотя физики описали связь Бозе с открытием как незначительную). ^[215]

Технические аспекты и математическая формулировка [ править ]

Потенциал для поля Хиггса, построенный как функция от и . Он имеет профиль в виде мексиканской шляпы или бутылки шампанского на земле.${\displaystyle \phi ^{0}}$${\displaystyle \phi ^{3}}$

В стандартной модели, поле Хиггса является четыре компонентой поля скаляра, образует комплекс дублет из слабого изоспина SU (2) симметрии:

${\displaystyle \phi ={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left({\begin{array}{c}\phi ^{1}+i\phi ^{2}\\\phi ^{0}+i\phi ^{3}\end{array}}\right)\ ,}$

в то время как поле имеет заряд + ½ при слабой гиперзарядной симметрии U (1) . ^[216]

Примечание: В этой статье используется масштабирование конвенции , где электрический заряд, Q , то слабые изоспиновой , Т ₃ , а слабый гиперзаряд, Y _W , связаны соотношением Q = T ₃ + Y _W . Разные конвенции , используемые в большинстве других статей Википедии есть Q = Т ₃ + ½  Y _Вт . ^{[217] [218] [219]}

Хиггсовская часть лагранжиана равна ^[216]

${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{H}}=\left|\left(\partial _{\mu }-igW_{\mu \,a}{\tfrac {1}{2}}\sigma ^{a}-i{\tfrac {1}{2}}g'B_{\mu }\right)\phi \right|^{2}+\mu _{\text{H}}^{2}\phi ^{\dagger }\phi -\lambda (\phi ^{\dagger }\phi )^{2}\ ,}$

где и являются калибровочных бозонов по SU (2) и U (1) симметрии, и их соответствующих констант связи , являются матрицы Паули (полный набор генераторы SU (2) симметрии), а также и , таким образом , чтобы почва состояние нарушает SU (2) -симметрию (см. рисунок).${\displaystyle W_{\mu \,a}}$${\displaystyle B_{\mu }}$${\displaystyle g}$${\displaystyle g'}$${\displaystyle \sigma ^{a}}$${\displaystyle \lambda >0}$${\displaystyle \mu _{\text{H}}^{2}>0}$

Основное состояние поля Хиггса (нижняя часть потенциала) вырождено с различными основными состояниями, связанными друг с другом калибровочным преобразованием SU (2). Всегда можно выбрать такой датчик в основном состоянии . Тогда математическое ожидание в основном состоянии ( математическое ожидание вакуума или VEV) равно , где . Измеренное значение этого параметра составляет ~${\displaystyle \phi ^{1}=\phi ^{2}=\phi ^{3}=0}$${\displaystyle \phi ^{0}}$${\displaystyle \langle \phi ^{0}\rangle ={\tfrac {1}{\sqrt {2\,}}}v}$${\displaystyle v={\tfrac {1}{\sqrt {\lambda \,}}}\left|\mu _{\text{H}}\right|}$246 ГэВ / c ² . ^[116] Он имеет единицы массы и является единственным свободным параметром Стандартной модели, который не является безразмерным числом. Квадратичные члены в и возникают, которые дают массы W- и Z - бозонов: ^[216]${\displaystyle W_{\mu }}$${\displaystyle B_{\mu }}$

${\displaystyle m_{\text{W}}={\tfrac {1}{2}}v\left|\,g\,\right|\ ,}$

${\displaystyle m_{\text{Z}}={\tfrac {1}{2}}v{\sqrt {g^{2}+{g'}^{2}\ }}\ ,}$

с их отношением определения угла Вайнберга , и оставить безмассовый U (1) фотона , . Масса самого бозона Хиггса определяется выражением${\displaystyle \cos \theta _{\text{W}}={\frac {m_{\text{W}}}{\ m_{\text{Z}}\ }}={\frac {\left|\,g\,\right|}{\ {\sqrt {g^{2}+{g'}^{2}\ }}\ }}}$${\displaystyle \gamma }$

${\displaystyle m_{\text{H}}={\sqrt {2\mu _{\text{H}}^{2}\ }}\equiv {\sqrt {2\lambda v^{2}\ }}.}$

Кварки и лептоны взаимодействуют с полем Хиггса через условия взаимодействия Юкавы :

${\displaystyle {\begin{aligned}{\mathcal {L}}_{\text{Y}}=&-\lambda _{u}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{0}-i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {u}}_{\text{L}}^{i}u_{\text{R}}^{j}+\lambda _{u}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}-i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {d}}_{\text{L}}^{i}u_{\text{R}}^{j}\\&-\lambda _{d}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{0}+i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {d}}_{\text{L}}^{i}d_{\text{R}}^{j}-\lambda _{d}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}+i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {u}}_{\text{L}}^{i}d_{\text{R}}^{j}\\&-\lambda _{e}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{0}+i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {e}}_{\text{L}}^{i}e_{\text{R}}^{j}-\lambda _{e}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}+i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {\nu }}_{\text{L}}^{i}e_{\text{R}}^{j}+{\textrm {h.c.}}\ ,\end{aligned}}}$

где - левый и правый кварки и лептоны i- го поколения , - матрицы юкавских констант, где hc обозначает эрмитово сопряжение всех предыдущих слагаемых. В основном состоянии, нарушающем симметрию, остаются только содержащиеся члены , что дает массовые члены для фермионов. Вращая кварковые и лептонные поля к базису, где матрицы юкавских взаимодействий диагональны, получаем${\displaystyle (d,u,e,\nu )_{\text{L,R}}^{i}}$${\displaystyle \lambda _{\text{u,d,e}}^{i\,j}}$${\displaystyle \phi ^{0}}$

${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{m}}=-m_{\text{u}}^{i}{\overline {u}}_{\text{L}}^{i}u_{\text{R}}^{i}-m_{\text{d}}^{i}{\overline {d}}_{\text{L}}^{i}d_{\text{R}}^{i}-m_{\text{e}}^{i}{\overline {e}}_{\text{L}}^{i}e_{\text{R}}^{i}+{\textrm {h.c.}},}$

где массы фермионов равны , и обозначают собственные значения матриц Юкавы. ^[216]${\displaystyle m_{\text{u,d,e}}^{i}={\tfrac {1}{\sqrt {2\ }}}\lambda _{\text{u,d,e}}^{i}v}$${\displaystyle \lambda _{\text{u,d,e}}^{i}}$

См. Также [ править ]

Стандартная модель

Другой

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]