Som en teori fungerer standardmodellen godt, på trods af dens manglende evne til at passe tyngdekraften. Takket være dette forudsagde fysikere eksistensen af ​​visse partikler, før de blev opdaget eksperimentelt. Og så dukkede Higgs-bosonen op i horisonten. Lad os finde ud af, hvordan denne partikel passer ind i standardmodellen og universet som helhed.

Higgs-bosonen: den sidste brik i puslespillet

Forskere mener, at hver af disse fire grundlæggende kræfter har en tilsvarende partikel (eller boson), der påvirker stof. Det er svært at forstå. Vi er vant til at tænke på kraft som en mystisk æter, der ligger hinsides væren og ikke-væren, men i virkeligheden er kraft lige så virkelig som materien selv.

Nogle fysikere beskriver bosoner som skæl forbundet med gummibånd til de partikler af stof, der genererer dem. Ved at bruge denne analogi kan vi forestille os, at bosoner konstant skyder ud med gummibånd og bliver viklet ind i andre bosoner i færd med at generere kraft.

Forskere mener, at hver af de fire grundlæggende kræfter har sine egne specifikke bosoner. Elektromagnetiske felter overfører for eksempel elektromagnetisk kraft til stof gennem en foton. Fysikere tror, ​​at Higgs-bosonen har samme funktion, men vil overføre masse.

Men kan stof have masse uden Higgs-bosonen? Ifølge standardmodellen, nr. Men fysikere har fundet en løsning. Hvad hvis alle partikler ikke har deres egen masse, men de får den ved at passere gennem et bestemt felt? Dette felt, kendt som Higgs-feltet, påvirker forskellige partikler forskelligt. Fotoner kan glide forbi uopdaget, men W- og Z-bosoner vil sidde fast i massen. Faktisk siger antagelsen om eksistensen af ​​Higgs-bosonen, at alt, der har masse, interagerer med det allestedsnærværende Higgs-felt, der optager hele universet. Og ligesom andre felter beskrevet af standardmodellen, har Higgs-feltet brug for sin egen bærerpartikel for at påvirke andre partikler. Det kaldes Higgs boson.

Den 4. juli 2012 annoncerede forskere, der arbejder ved Large Hadron Collider, at de havde opdaget en partikel, der opfører sig som Higgs-bosonen. Man kan puste ud – mente fysikerne, men det viste sig, at der kan være flere bosoner, der ligner Higgs, hvilket betyder, at forskning på højere energiniveauer vil fortsætte og fortsætte.

Det bemærkelsesværdige er, at Higgs-bosonen uventet viste sig at være en varsel om universets død. Scriptet er muligt.

Den moderne teori om elementarpartikler er baseret på en vis symmetri mellem elektromagnetiske og svage interaktioner - elektrosvag symmetri. Det menes, at denne symmetri eksisterede i det tidlige univers, og på grund af den var partiklerne i begyndelsen masseløse, men på et tidspunkt brød den spontant sammen, og partiklerne erhvervede masse. I partikelteorien blev den opfundet til denne brydning af elektrosvag symmetri Higgs mekanisme. Dette er, hvad LHC skal studere.

For at gøre dette kræver eksperimentet åbning Higgs boson- et partikel-ekko af Higgs-mekanismen. Hvis denne boson bliver fundet og studeret, vil fysikere lære, hvordan symmetribrud opstod og måske endda skabe en ny, dybere teori om vores verden. Hvis denne boson ikke findes (i nogen form!), vil en seriøs revision af standardmodellen af ​​elementære partikler være påkrævet, da den ikke kan fungere uden Higgs-mekanismen.

Alle eksperimenter, der er udført indtil videre, kunne ikke klare denne opgave på grund af partiklernes utilstrækkelige energi. LHC-kollideren forventes med sin rekordstore protonenergi at give svar på alle nøglespørgsmålene.

Lidt flere detaljer

Den moderne teori om elementarpartikler - Standardmodellen - handler ikke så meget om at opremse fundamentale partikler som om at beskrive deres interaktioner. Det er baseret på ideen om, at to tilsyneladende forskellige interaktioner, såsom elektromagnetiske og svage, faktisk er to sider af "samme mønt" - elektrosvag interaktion.

Inden for rammerne af denne teori viser det sig, at der ved høje temperaturer er symmetri mellem svage og elektromagnetiske vekselvirkninger. Men elektrosvag symmetri er kun mulig, når de fundamentale partikler er masseløse, og vi ved af erfaring, at i vores verden er disse partikler massive. Det betyder, at symmetrien skal brydes. Higgs mekanisme er netop den drivkraft, der bryder denne symmetri. Vi kan sige, at Higgs-mekanismens hovedopgave er at gøre partikler massive.

Det sker sådan her. I kvanteteorien er alle partikler slet ikke "faste kugler", men kvante, oscillerende "stykker" af et felt. Elektroner er svingninger af det elektroniske felt, fotoner er svingninger af det elektromagnetiske felt osv. Hvert felt har en tilstand med den laveste energi - det kaldes "vakuum" af det felt. For almindelige partikler er et vakuum, når der ikke er partikler, det vil sige, når deres felt er nul overalt. Hvis partikler er til stede (det vil sige, at feltet ikke er nul overalt), så har denne tilstand af feltet større energi end vakuum.

Og Higgs-feltet er opbygget på en særlig måde – det har et vakuum ikke-nul. Med andre ord er tilstanden med den laveste energi af Higgs-feltet, når hele rummet er gennemtrængt af et Higgs-felt af en vis styrke, som andre partikler bevæger sig imod. Oscillationer af Higgs-feltet i forhold til dette "vakuumgennemsnit" er Higgs bosoner, kvanta af Higgs-feltet.

Den allestedsnærværende tilstedeværelse af Higgs-baggrundsfeltet påvirker bevægelsen af ​​partikler på en strengt defineret måde - det gør det svært acceleration partikler, men forstyrrer ikke deres ensartede bevægelse. Partiklerne bliver mere inerte, under påvirkning af ydre kræfter begynder de at bevæge sig noget modvilligt - med andre ord udvikler de sig vægt. Denne masse er større, jo stærkere de "klamrer sig til" Higgs-feltet. Nogle partikler, såsom fotoner, klamrer sig dog ikke direkte til Higgs-feltet og forbliver masseløse.

Der er mange forsøg på at forklare essensen af ​​Higgs-mekanismen på fingrene, med de enkleste ord. Nogle af dem er givet på siden Higgs mekanisme i analogier.

Higgs-bosoner er også massive, fordi Higgs-feltet interagerer med sig selv. Et karakteristisk træk ved Higgs-bosoner er, at de interagerer med forskellige partikler i forhold til deres masse – trods alt er Higgs-vakuumgennemsnittet og Higgs-bosonen to manifestationer af det samme Higgs-felt. Denne egenskab af Higgs bosoner er meget vigtig for deres søgning på LHC.

Er alt kendt om Higgs-mekanismen?

Slet ikke! Desuden ved man meget, meget lidt om ham.

Faktum er, at næsten alle de eksperimentelle data, som standardmodellen "voksede" på, kun kræver selve kendsgerningen symmetri overtrædelser, men siger næsten intet om dens mekanisme. Derfor er problemet nu ikke, at fysikere ikke ved, hvordan de skal forklare krænkelsen af ​​elektrosvag symmetri, men at de allerede er kommet med en masse muligheder denne krænkelse.

Nogle af dem er meget enkle - ligesom i Standardmodellen, andre er enkle i konceptet, men lidt mere komplekse i udførelsen (f.eks. i modeller med flere Higgs-bosoner), og nogle er baseret på fundamentalt nye ideer, såsom supersymmetri. , multidimensionelle rum eller en ny type interaktion . Alle disse muligheder kaldes samlet " ikke-minimale Higgs-mekanismer" Hvilken der vil være tættere på virkeligheden, vil vides efter flere års LHC-drift.

Er det muligt at undvære Higgs-mekanismen?

I princippet ja, men så vil du uundgåeligt ende med en meget mere eksotisk teori end Standardmodellen med den sædvanlige Higgs-mekanisme.

Her skal du forstå den logiske kæde. Hvis vi accepterer ideen om elektrosvag symmetri, skal denne symmetri på en eller anden måde brydes. Higgs-mekanismen er den mest naturlige og minimale måde at foretage en sådan overtrædelse på. Der er forsøg på at bygge en Higgs-fri mekanisme, men de er alle meget eksotiske og kræver introduktion af nye partikler, interaktioner eller endda rumlige koordinater. Det vil selvfølgelig være meget interessant, hvis præcis sådan en model bliver realiseret i vores verden, men set ud fra konstruktionsmodellerne er disse meget mere komplekse og mindre naturlige teorier end Higgs-mekanismen.

Hvis vi ikke accepterer ideen om elektrosvaghedssymmetri, er Higgs-mekanismen ikke længere nødvendig, men så vil det være nødvendigt at skabe en anden teori om svage interaktioner, der ville forklare alle de observerede egenskaber af partikler. Lad mig minde dig om, at standardmodellen ikke kun klarer dette perfekt, men det var på dens grundlag, at egenskaberne af W- og Z-bosonerne, der var ansvarlige for den svage interaktion, blev forudsagt og derefter bekræftet i eksperimentet. Der er endnu ingen anden teori, der kan erstatte standardmodellen.

Svarer Higgs-mekanismen på alle spørgsmål?

Igen, nej. Higgs-mekanismen forklarer ikke alt, den fuldender kun standardmodellen, hvilket gør den til en teori, der er egnet til beregninger ved energier meget mindre end 1 TeV.

Derfor opstår der problemer, når man forsøger at ekstrapolere Standardmodellen til meget høje energier. Lad os understrege, at disse ikke er problemer med selve Higgs-mekanismen, men hele standardmodellen. De afspejler det faktum, at SM ikke er komplet og kun er en "tilnærmet" teori, der kun fungerer godt ved lave energier.

Ved høje energier burde der i stedet for Standardmodellen fungere en eller anden ny, dybere og endnu ikke konstrueret teori, hvor disse problemer (delvis?) vil blive løst. Hvilken slags teori dette er, vides ikke med sikkerhed, men der er allerede en masse udvikling. Derfor er hovedopgaven for LHC at forsøge i det mindste at få et glimt af manifestationerne af denne teori for at forstå, hvor man skal bevæge sig næste gang. De fleste fysikere er sikre på, at dette kan opnås netop gennem forskning i Higgs-mekanismen.

Yderligere litteratur:

• Grundlæggende information om Higgs-mekanismen kan findes i bogen af ​​L. B. Okun " Partikelfysik"(på niveau med ord og billeder) og " Leptoner og kvarker"(på et seriøst, men tilgængeligt niveau).
• S. Dawson. Introduktion til Electroweak Symmetry Breaking // hep-ph/9901280 - 83-siders foredrag om Higgs-mekanismen og Higgs-bosonens egenskaber i standardmodellen og i supersymmetriske teorier.
• C. Quigg. Spontan symmetribrud som grundlag for partikelmasse // Rep. Prog. Phys. 70 1019-1053 (2007); artiklen er frit tilgængelig.

Elementarpartiklen Higgs-boson, opkaldt efter den britiske fysiker Peter Higgs, som teoretisk forudsagde dens eksistens tilbage i 1964, er måske en af ​​de mest mystiske og fantastiske i moderne fysik. Det var hende, der forårsagede en masse kontrovers og diskussion i det videnskabelige samfund, og nogen tildelte hende endda et så usædvanligt tilnavn som "et stykke af Gud." Der er også skeptikere, der hævder, at Higgs-bosonen ikke eksisterer, og alt dette er intet andet end en videnskabelig fup. Hvad Higgs boson faktisk er, hvordan det blev opdaget, hvilke egenskaber det har, læs mere om det.

Hvad er Higgs-bosonen: en forklaring i et enkelt sprog

For at forklare essensen af ​​Higgs-bosonen så enkelt og klart som muligt, ikke kun for en videnskabelig fysiker, men også for en almindelig person, der er interesseret i videnskab, er det nødvendigt at ty til sproget for allegorier og sammenligninger. Selvom alle allegorier og sammenligninger, der vedrører elementarpartiklernes fysik, selvfølgelig ikke kan være sande og nøjagtige. Det samme elektromagnetiske felt eller kvantebølge er hverken et felt eller en bølge i den forstand, som folk normalt forestiller sig dem, ligesom atomerne i sig selv på ingen måde er reducerede kopier af Solsystemet, hvor elektroner kredser om atomkernen som planeter. omkring dem. Og selvom allegorier og sammenligninger stadig ikke formidler selve essensen af ​​de ting, der sker i kvantefysikken, tillader de os alligevel at komme tættere på at forstå disse ting.

Interessant kendsgerning: I 1993 annoncerede den britiske undervisningsminister endda en konkurrence om den enkleste forklaring på, hvad Higgs-bosonen er. Vinderen var en forklaring relateret til festen.

Så forestil dig en overfyldt fest, så kommer en berømthed (for eksempel en "rockstjerne") ind i lokalet, og gæster begynder straks at følge hende, alle vil gerne kommunikere med "stjernen", mens "rockstjernen" selv bevæger sig langsommere end alle de andre gæster. Så samles folk i separate grupper, hvor de diskuterer nogle nyheder eller sladder relateret til denne rockstjerne, mens folk bevæger sig kaotisk fra gruppe til gruppe. Som et resultat ser det ud til, at folk diskuterer sladder tæt omkring berømtheden, men uden hans direkte deltagelse. Så alle de mennesker, der deltager i festen, er Higgs-feltet, grupper af mennesker er en forstyrrelse af feltet, og berømtheden selv, på grund af hvilken de blev dannet, er Higgs-bosonen.

Hvis denne allegori ikke er helt klar for dig, så er her en anden: forestil dig et glat billardbord, hvorpå der er bolde - elementære partikler. Disse bolde spredes let i forskellige retninger og bevæger sig overalt uden forhindringer. Forestil dig nu, at et billardbord er dækket af en slags klæbrig substans, der gør det svært for kuglerne at bevæge sig hen over det. Denne klæbrige masse er Higgs-feltet, massen af ​​dette felt er lig med massen af ​​de partikler, der klæber til det. Higgs-bosonen er den partikel, der svarer til dette klæbrige felt. Det vil sige, at hvis du slår hårdt på et billardbord med denne klæbrige masse, så vil en lille mængde af denne meget klæbrige masse midlertidigt danne en boble, som snart vil sprede sig over bordet igen, og så er denne boble Higgs-bosonen.

Opdagelsen af ​​Higgs-bosonen

Som vi skrev i begyndelsen, blev Higgs-bosonen først opdaget teoretisk af den britiske fysiker Peter Higgs, som foreslog, at en eller anden hidtil ukendt elementær partikel var involveret i processen med spontan elektrosvag symmetribrud i standardmodellen for partikelfysik. Dette skete i 1964, umiddelbart efter at søgningen efter den virkelige eksistens af denne elementære partikel begyndte, men i mange år mislykkedes de. På grund af dette begyndte nogle videnskabsmænd i spøg at kalde Higgs-bosonen for den "forbandede partikel" eller "Guds partikel".

Og så, for at bekræfte eller benægte eksistensen af ​​denne mystiske "Guds partikel", blev der bygget en gigantisk partikelaccelerator i 2012. Eksperimenter på den bekræftede eksperimentelt eksistensen af ​​Higgs-bosonen, og opdageren af ​​partiklen, Peter Higgs, vandt Nobelprisen i fysik i 2013 for denne opdagelse.

For at vende tilbage til vores analogi om billardbordet, for at se Higgs-bosonen, var fysikere nødt til at ramme denne klæbrige masse, der ligger på bordet, med den rette kraft for at få en boble ud af den, selve Higgs-bosonen. Så partikelacceleratorerne fra det sidste 20. århundrede var ikke så kraftige, at de gav et "hit på bordet" med den nødvendige kraft, og kun Large Hadron Collider, skabt i begyndelsen af ​​vores 21. århundrede, som de siger, hjalp fysikere "slår i bordet" med den rette kraft og ser med dine egne øjne "et stykke af Gud."

Fordelene ved Higgs boson

For en person langt fra videnskab i almindelighed og fra fysik i særdeleshed kan søgen efter en bestemt elementarpartikel virke meningsløs, men opdagelsen af ​​Higgs-bosonen er af betydelig betydning for videnskaben. Først og fremmest vil vores viden om bosonen hjælpe med beregninger, der udføres i teoretisk fysik, når vi studerer universets struktur.

Især har fysikere foreslået, at hele rummet omkring os er fyldt med Higgs-bosoner. Når de interagerer med andre elementarpartikler, giver bosoner deres masse til dem, og hvis det er muligt at beregne massen af ​​visse elementarpartikler, så kan massen af ​​Higgs-bosonen også beregnes. Og hvis vi har massen af ​​Higgs-bosonen, så ved at bruge den i den modsatte retning, kan vi også beregne masserne af andre elementarpartikler.

Selvfølgelig er alt dette meget amatøragtigt ræsonnement fra akademisk fysiks synspunkt, men vores magasin er også populærvidenskab, for at tale om alvorlige videnskabelige spørgsmål i et enkelt og forståeligt sprog.

Faren for Higgs-bosonen

Bekymringer om Higgs-bosonen og eksperimenter med det blev identificeret af den britiske videnskabsmand Stephen Hawking. Ifølge Hawking er Higgs-bosonen en ekstremt ustabil elementarpartikel og kan som følge af et vist sæt omstændigheder føre til vakuumets henfald og fuldstændig forsvinden af ​​begreber som rum og tid. Men bare rolig, for at noget som dette kan ske, er det nødvendigt at bygge en kollider på størrelse med hele vores planet.

Higgs bosonets egenskaber

• Higgs-bosonen er ligesom andre elementarpartikler underlagt indflydelse.
• Higgs-bosonen har nul spin (vinkelmoment af elementarpartikler).
• Higgs-bosonen har en elektrisk ladning og farveladning.
• Der er 4 hovedkanaler til fødslen af ​​Higgs-bosonen: efter fusionen af ​​2 gluoner (hoved), fusionen af ​​WW- eller ZZ-par, ledsaget af en W- eller Z-boson, sammen med topkvarker.
• Higgs-bosonen henfalder til et b-quark-b-antiquark-par, til 2 fotoner, til to elektron-positron- og/eller myon-antimuon-par eller til et elektron-positron- og/eller myon-antimuon-par med et par.

Et ord til skeptikerne

Selvfølgelig er der skeptikere, der hævder, at der ikke eksisterer nogen Higgs-boson i virkeligheden, og at alt dette er opfundet af videnskabsmænd med det egoistiske formål at tage skatteydernes penge, som angiveligt går til videnskabelig forskning af elementarpartikler, men faktisk i lommerne af visse personer.

Higgs boson, video

Og afslutningsvis en interessant dokumentarvideo om Higgs-bosonen.

For nylig svandt fanfaren i anledning af en stor videnskabelig begivenhed - opdagelsen af ​​Higgs-bosonen. De uddelte priser, glædede sig sammen med forskerne, men... Så én ting er stadig uklart: hvorfor har vi brug for netop denne boson? Hvorfor søgte fysikere efter ham så længe og vedholdende? Vi rettede disse spørgsmål til den førende forsker ved Laboratoriet for højenergielektroner fra Lebedev Physical Institute, Sergei Pavlovich Baranov.

Der er gået meget tid, siden opdagelsen af ​​en ny partikel blev annonceret på et seminar på CERN (4. juli 2012). Beviserne for opdagelsen af ​​det berømte boson er siden blevet stærkere og mere fuldstændige.

Der er naturligvis stadig to uafhængige forsøgsfaciliteter (ATLAS og CMS) - på grund af det unikke ved dem begge, samt hele LHC-acceleratoren - men inden for hvert af samarbejderne, akkumulering af nye data og bearbejdning af tidligere akkumulerede data er fortsat hele denne tid. Til dato har resultaterne af dette arbejde resulteret i følgende.

Den nye partikel H observeres i seks henfaldskanaler: i to Z-bosoner, hvoraf den ene er virtuel (H → ZZ*); ind i to W-bosoner, hvoraf den ene er virtuel (H → WW*); ind i to fotoner (H → yy); til smukke (aka smukke) kvarker (H → ); til tau leptoner (H → τ+τ –); på Z-boson og foton(H → Zy).

Forholdet mellem sandsynligheden for forskellige henfald svarer godt til teoretiske forventninger. Bosonen har de korrekte kvantetal ved et konfidensniveau på 97,8 %: nul spin og positiv paritet. Tilstedeværelsen af ​​henfald i to fotoner udelukker muligheden for et spin lig med en, og baseret på vinkelfordelingerne af henfaldsprodukter i andre tilstande er et spin lig med to også udelukket.

I det store og hele er der ikke noget at klage over, og der er kun tilbage at forstå, hvad denne boson betyder i vores liv. Forstå - det gælder for dig og mig, har fysikere allerede forstået.

Strålekollisionszone ved Large Hadron Collider og ATLAS-detektoren placeret i den ()

- Sergei Pavlovich, man får det indtryk, at Higgs-bosonen er en meget "vigtig person", som fysikere har jagtet så længe og meget vedholdende. Men hvorfor var der så meget brug for ham?

- Det tog faktisk lang tid at komme til opdagelsen af ​​Higgs-bosonen. Leon Lederman, der havde opbrugt sin tålmodighed, navngav endda bosonen i en af ​​sine artikler " Forbandede partikler", dvs. "forbandet partikel", med henvisning til bosonens undvigelighed. Bladredaktøren droppede "forbandet" og forlod "Gud" - det viste sig at være "partikel af Gud". Det fængende tilnavn blev samlet op af journalister og sat fast. Det, der forekommer mig mest overraskende i denne historie, er, at Higgs-bosonen ikke er nødvendig af naturen, men af ​​matematikere. Men først ting først.

Fordomme

Der er en opfattelse af, at opdagelsen af ​​Higgs-bosonen afklarede noget i universets tidlige historie og endda kastede lys over dets oprindelse. Dette er ikke helt rigtigt. Ifølge moderne koncepter er Higgs-bosonen (eller feltet) faktisk ansvarlig for den hurtige udvidelse af universet i æraen før Big Bang (den såkaldte "inflation" eller "bloat"), men det følger ikke nogen steder fra at den boson, der for nylig blev opdaget på CERN, er den samme boson. Det kunne sagtens være en anden boson. Navnet Higgs bosoner er et fællesnavn for en hel klasse af partikler (felter), der har bestemte egenskaber, mens forskellige bosoners rolle i naturen kan være helt forskellig. Under alle omstændigheder har de krav, som vi stiller til den "kosmologiske" boson og til den nuværende "CERN", meget lidt til fælles med hinanden.

Diagram over strålekollisioner i Large Hadron Collider-tunnelen,
hvilket resulterede i opdagelsen af ​​Higgs-bosonen

Der er en anden populær tro på, at Higgs-bosonen forklarer, hvor partiklerne får deres masser, og at dette er dens vigtigste værdi for teorien. Dette skal også afklares. Han forklarede det, men antallet af uforklarlige størrelser i teorien faldt ikke. Noget i retning af ommærkning skete. Tidligere, i pre-Higgs-æraen, vidste vi, at elementære partikler har masse (hver type partikel har sin egen), men vi vidste ikke, hvorfor størrelsen af ​​denne masse er præcis, hvad den er. I den nuværende "Higgs"-terminologi siger vi, at de observerede partikelmasser er resultatet af deres interaktion med Higgs-feltet; styrken af ​​denne vekselvirkning er bestemt af værdien af ​​den tilsvarende koblingskonstant (konstanten er strengt proportional med massen), men vi ved stadig ikke, hvorfor disse konstanter er præcis, hvad de er. Hvor mange masser - så mange konstanter.

For så almindelige partikler som protonen og neutronen, hvorfra atomer er bygget - og derfor alt, hvad vi kalder stof - skyldes 99% af massen det såkaldte kvark-gluon-kondensat, og slet ikke Higgs-bosonen. . På dette punkt har videnskabens mening ikke ændret sig: det var sådan før opdagelsen af ​​bosonen, og det er det nu. Strengt taget er Higgs-mekanismen kun ansvarlig for masserne af partikler, der er kvanta for den svage interaktion (W + , W – og Z 0 bosoner), for masserne af leptoner (inklusive elektronen) og for den såkaldte strøm bestanddel af kvarkmassen. Andelen af ​​denne nuværende masse i den samlede masse (kaldet "bestanddel") er forskellig for forskellige kvarker. Kvarker udgør andre partikler, hadroner; Der er rigtig mange af dem (inklusive protonen og neutronen), men at beskæftige sig med strukturen af ​​sammensatte partikler er en separat historie; vi vil ikke have tid til at dække alt i en artikel.

Lad os vende tilbage til de "ægte elementære" partikler – W ± og Z bosoner, leptoner, kvarker. Efter opfindelsen af ​​Higgs-mekanismen begyndte hele deres sæt at opføre sig anderledes, anderledes end vi troede før, og dette gjorde det muligt for os at opbygge en matematisk konsistent teori om svage interaktioner. Det er her, Higgs kommer til sin ret.

Pre-Higgs problemer

Men for at forstå, hvilke problemer teorien stod over for, og hvordan Higgs-bosonen hjalp med at overvinde dem, lad os først tale om teorien, hvor disse problemer blev løst uden hjælp fra Higgs-bosonen - om den mere eller mindre velkendte teori om elektricitet (elektrodynamik). ). De, der gik i skole, husker måske Coulombs lov: den elektriske feltstyrke skabt af en punktladning opfører sig som det omvendte kvadrat af afstanden til ladningen (E ~ r –2). Et elektrisk felt er et materielt objekt, og forbundet med det er en volumetrisk energitæthed, der er proportional med kvadratet af feltstyrken. Hvis vi vil beregne feltets samlede energi, så skal denne energitæthed integreres over hele rummet - over alle afstande fra nul til uendelig - og så vil vi se, at integralet divergerer (og med små afstande, hvilket er synonymt) med store energier). Det betyder, at den samlede energi i feltet, der skabes af en punktladning, bliver til uendelig, og ifølge Einsteins forhold, hvor energi er, er der masse, hvilket betyder, at massen af ​​enhver punktladet partikel (f.eks. en elektron) skal være uendelig - i modstrid med fakta! Strengt taget kan vi ikke garantere, at elektronen virkelig er punktlignende, men under alle omstændigheder er dens radius (hvis den findes) ifølge kendte målinger mange størrelsesordener mindre end den værdi, den skulle have, hvis hele elektronens masse skyldtes energien i det felt, det skaber.

Dette problem løses ved hjælp af en matematisk teknik kaldet renormalisering. Essensen af ​​teknikken er, at vi tilskriver elektronen en uendelig stor negativ "frø"-masse og postulerer, at det uendelige negative frøbidrag, tilføjet til det uendelige positive bidrag fra Coulomb-feltet, giver præcis den observerede masse af partiklen. Uanset om det er smukt eller ej, så fastlægger vi på den måde spillereglerne for at reducere uendeligheder og fra nu af kan vi entydigt udføre beregninger uden at støde på modsætninger. Og sammenlign derefter beregningsresultaterne med måleresultaterne. Og indtil videre har aftalen i alle tilfælde været simpelthen fantastisk. Og det faktum, at "frø"-massen er negativ, er ikke et problem. Når alt kommer til alt, måles hverken "frø"- eller "mark"-massen separat, da vi i princippet aldrig kan adskille en ladet partikel fra den mark, den skaber. Det betyder, at ingen af ​​disse "masser" er en fysisk størrelse i sig selv, og kun deres sum har fysisk betydning.

Ud over masse er der yderligere to typer divergenser i elektrodynamikken, så interaktionskonstanten med fotonen (elektronladning) og fotonbølgefunktionen skal også renormaliseres. Men efter at have lavet en "aftale med samvittigheden" tre gange, får vi et komplet sæt spilleregler til alle lejligheder. Der er et vidunderligt teorem inden for elektrodynamik: uanset hvor komplekse beregningerne er, vil der aldrig opstå nye typer af divergenser; alt kommer nødvendigvis ned til disse tre, som vi allerede har aftalt, hvordan vi skal håndtere. Teorier, hvor alle divergenser er elimineret af et begrænset antal overensstemmelser, kaldes renormaliserbare.

Teorien om svage interaktioner er generelt konstrueret på modellen for elektrodynamik, men med nogle vigtige forskelle. Af en eller anden grund havde naturen brug for partikler svarende til fotonen og ansvarlige for overførslen af ​​svage interaktioner (dvs. W + , W - og Z bosoner) for at være massive, i modsætning til fotonen. Dette er en eksperimentel kendsgerning - da alle de nævnte bosoner bliver opdaget og deres masser måles - og det har de mest alvorlige konsekvenser for renormaliserbarheden. Efterhånden som beregningerne bliver mere komplekse, kan der nemlig opstå et uendeligt stort antal nye typer af divergenser, som kræver den tilsvarende indførelse af et uendeligt antal nye regler for at håndtere dem. Det er klart, at dette ikke længere kan kaldes en teori, og intet er tilbage af dens forudsigelseskraft. Higgs-bosonen hjalp med at bringe den renormaliserbare ynde tilbage, vi nød i elektrodynamik. Lad os se, hvordan det lykkedes ham - og for dette er vi nødt til at lave yderligere to tilbagetog.

Hvad er et vakuum

Når vi taler om egenskaberne ved Higgs-bosonen, må vi opgive mange velkendte ideer. Især ud fra synet på vakuum som tomt rum (selve dets navn, som på russisk har en fælles rod med "evakuering" og "ledig stilling"), minder os om "tomheden" i vakuumet). I den moderne definition er et vakuum ikke et tomrum, men en tilstand med den lavest mulige energi. I dette tilfælde kan vakuumet fyldes med fysiske felter af den mest forskelligartede karakter. Ideer om vakuum som et materielt miljø begyndte at tage form i første halvdel af det tyvende århundrede. Og i disse dage er vakuummet fyldt med alt - her er Dirac-elektronhavet (hullerne, hvori kaldes positroner), og de uundgåelige kvanteudsving i alle felter, der eksisterer i naturen, og det allerede nævnte gluonkondensat... og, endelig Higgs-bosonen. Du kan spørge, hvordan kunne vi leve før og ikke have nogen idé om den materielle udfyldning af vakuumet? Og nogenlunde på samme måde, som vi kunne leve og ikke aner noget om atmosfærisk tryk. Prøv at placere så mange spande vand på dig selv, så de når en højde på ti meter - det er præcis trykket i én atmosfære. Men vi mærker det ikke, for pres virker på os fra alle sider, og kræfterne ophæver hinanden. Vi mærker ikke selve trykket, men kun dets forskel, for eksempel når vinden blæser. På samme måde bemærker vi ikke Higgs-kondensatets "atmosfære", mens det er roligt. Men når bølger strejfer i den, registrerer vi excitationen og kalder den partikler – Higgs-bosoner, ligesom vi kalder elektromagnetiske bølger fotoner.

Når vi antager (eller postulerer) eksistensen af ​​Higgs-feltet, tillægger vi det også visse egenskaber. Nemlig at dette felt interagerer med sig selv, og på en sådan måde, at energitæthedens afhængighed af feltstyrken ser ud som i figur 1. Denne type potentiel energi følger ikke nogen steder fra, det er netop postulatet, eller den teoriens udgangsposition: lad os antage, at egenskaberne felterne er som følger, og lad os se, hvilke bemærkelsesværdige konsekvenser der kommer af dette.

Figur 1. Afhængighed af energitæthed U af feltstyrken H (Higgs-feltet)

Figuren med en endimensionel akse for feltstørrelsen er naturligvis meget forenklet: Higgs-feltet kan tage ikke kun reelle, men også komplekse værdier. Derudover har den et svagt isotopisk spin, det vil sige, at det kan tage forskellige retninger i et svagt isotopisk rum. Men for vores kvalitative ræsonnement er disse komplikationer ikke så vigtige nu. Det vigtige er, at tilstanden med nul Higgs-felttæthed ikke er et energiminimum og derfor er ustabil. Enhver af de minima, der er placeret til højre eller til venstre, kunne lige så godt være et vakuum, og naturen vil helt sikkert glide ind i et af dem; hvilken der er et spørgsmål om tilfældigheder (spontant valg af natur), men uanset hvilket minimum naturen vælger, vil værdien af ​​Higgs-feltet i denne tilstand være ikke-nul. Hele grafen som helhed er fuldstændig symmetrisk, ligesom ligningerne, der beskriver den, er symmetriske; men enhver løsning af disse ligninger, svarende til det fysiske krav om minimal energi, er uundgåeligt asymmetrisk. Der opstod et såkaldt spontant symmetribrud. Dette er et nøglepunkt i Higgs-mekanismen.

Her er der i øvrigt en fuldstændig analogi med den spontane magnetisering af ferromagneter: deres laveste energitilstand svarer også til et makroskopisk magnetfelt, der ikke er nul. Feltets retning kan være en hvilken som helst, men dens absolutte værdi er ikke nul, men en veldefineret værdi. Og det samme: alle retninger i rummet var ens i magnetismens oprindelige ligninger, men deres lighed i det fysisk realiserede system gik tabt - fra de lige muligheder valgte systemet selv en. Samtidig er de fundamentale ligninger ikke holdt op med at være symmetriske - og dette faktum vil snart være nyttigt for os. Lad os prøve ikke at glemme ham.

Hvad er masse

Samspillet mellem partikler og Higgs-feltet, der fylder hele rummet, fører til, at der opstår masse i partiklerne. Partiklerne "sætter sig fast" i dette kondensat og får inerti. Populære beretninger nævner normalt en issælger, der er dækket af børn, eller en dronning omgivet af sine undersåtter - meningen er, at mobiliteten for en issælger eller dronning omgivet af en menneskemængde er stærkt reduceret, og de ser ud til at "blive massiv." Mere stringent videnskabeligtanalogier kan findes i faststoffysik. Således bevæger en ledningselektron sig i en krystal som en partikel med en eller anden "effektiv" masse, kraftigtforskellig fra dens sande masse. Denne effektive masse er i aktionkraft er resultatet af en elektrons interaktion med dens omgivelser. For at beregne ledningsevne er det meget mere bekvemt at bruge den "effektive masse" end at genere en komplet beskrivelse af mediet. Det er også praktisk og ganske acceptabelt at betragte et hul i en halvleder som en partikel.p-type. Vi forstår, at hullet ikke er en sand partikel, og at elektronen har en helt anden sand masse, men kun fordi vi kan tage elektronen ud af krystallen og undersøge den isoleret. Vi kan dog aldrig fjerne en elementær partikel fra vakuumet, altså fra rummet, og derfor er den masse, som partiklen fik ved at interagere med Higgs-vakuumet, dens sande masse.

Hvordan det virker

Så vi postulerede et udtryk for Higgs-feltets potentielle energi på en sådan måde, at i den laveste energitilstand (i vakuum) var felttætheden ikke-nul, se igen på figur 1. Naturen kunne vælge det rigtige minimum, eller den venstre, men under alle omstændigheder viser billedet sig at være skævt - små excitationer over vakuumet er uundgåeligt asymmetriske, de er altid bundet til den minimale potentielle energi.
Yderligere postulerede vi interaktionen mellem elementarpartikler og Higgs-feltet, på grund af hvilket partiklerne opnåede en masse, der var proportional med vakuumgennemsnittet af Higgs-feltet. Forskellen fra situationen, hvor massen oprindeligt er angivet "i hånden" (den såkaldte hårde introduktion af masse), er, at den masse, der indføres gennem Higgs-feltet (den såkaldte bløde introduktion), ikke er en konstant værdi. Det ændrer sig, hvis Higgs-feltet ændres.

Lad os nu vende blikket mod den øverste del af figuren, til området med høje energier. Fra denne højde er små detaljer af relieffet nær bunden af ​​den potentielle brønd ikke længere vigtige, og hele vores systems opførsel bliver symmetrisk, som det var typisk for vores grundlæggende ligninger. Higgs-feltet ruller frit fra en brønd til en anden, og dens gennemsnitsværdi har en tendens til nul. Det vil sige, at den adfærd, der ville eksistere for masseløse partikler, genoprettes (som om den potentielle brønd kun havde et minimum). Vores spontant brudte symmetri genoprettes – og i dette tilfælde begynder renormaliseringssætningen at virke igen. Med et symmetrisk design af systemet reduceres de mest skadelige divergenser, og kun dem, vi kan håndtere gennem renormaliseringsproceduren, er tilbage.

I de videnskaber, hvor bærerne af interaktioner allerede oprindeligt var masseløse, som fotoner i elektrodynamik og gluoner i kromodynamik, var alt umiddelbart renormaliserbart og praktisk til beregninger. Men bærerne af svage interaktioner - W- og Z-bosoner - viste sig at være massive af en eller anden grund. Og vi skulle kæmpe mod det. Og så kom vi frem til Higgs-bosonen og mekanismen for spontant symmetribrud, som gav os en overgang fra massive W- og Z-bosoner ved lave energier (i det væsentlige nær vakuummet, i det område, der er tilgængeligt for vores observation) til masseløse bosoner kl. høje energier (hvor divergens uheldige integraler). Resultaterne kan udtrykkes i form af næsten en aforisme - Higgs-mekanismen forklarede ikke så meget massens oprindelse, men hjalp med at slippe af med denne masse.

Verden over og verden nedenfor (før og efter spontan krænkelse af symmetri)

Så meningen med eksistensen af ​​Higgs-bosonen for os er, at den tillod os at forbinde tilsyneladende uforenelige ting: området med høj-højenergier, hvor W- og Z-bosonerne ikke bør have masser (så der ikke opstår uafløselige divergenser ) med området med lav energi, hvor W- og Z-bosonerne har masse som et eksperimentelt faktum. Naturen mødte matematikerne halvvejs og der, i "bjerghøjderne", gav ikke bosonerne en masse. Partikler opnår kun masse for livet i bunden; massen opstår som følge af interaktion med forskellige vakuumkondensater.

Det har naturen gjort mere end én gang. Kan du huske, da vi sagde, at protonens masse skyldes gluonkondensatet? Så med en stigning i energi forsvinder gluonkondensatet, og med det forsvinder massen af ​​kvarkerne, der danner protonen. I dette tilfælde ophører protonen med at eksistere som en helhed og henfalder til ubundne kvarker. Hvilke resultater kaldes kvark-gluon plasma. Men vi taler om det engang næste gang; Stærke interaktioner er ansvarlige for dens egenskaber, men for nu har vi travlt med svage. Men nogle erfaringer kan drages af analogien. Hvis det ikke lykkedes os at opdage Higgs-bosonen som en uafhængig fundamental partikel, ville der stadig være håb om at redde teorien om svage interaktioner ved at organisere Higgs-bosonen som et sammensat objekt.

Selvom hvis du ser mere bredt ud over elementarpartiklernes fysik, viser det sig, at vi allerede har lært denne lektie. Vi så den mest perfekte ækvivalent til Higgs-mekanismen med et sammensat kondensat i faststoffysik, i teorien om superledning. Der var det et kondensat af Cooper-elektronpar. Der er ikke noget nyt under solen.

Om skønhed

Higgs-mekanismen løste ikke kun vores tekniske problemer, men tillod os også at indrette livet smukt. Fordi det er smukt, når alle sådanne tilsyneladende forskellige interaktioner kan beskrives fra en samlet position, og de grundlæggende ligninger for dem kan udledes af et enkelt generelt princip. Dette princip kaldes lokal gauge-invarians. Alle interaktioner følger det samme mønster og adskiller sig kun i enheden af ​​den tilsvarende ladning. Elektrisk ladning er kun et tal. Positivt eller negativt, det er bare et tal, og ladningen af ​​et komplekst system opnås ved simpel aritmetisk addition af ladningerne af dets dele.

En svag ladning ligner matematisk et spin, kun den drejer i forskellige retninger, ikke i vores almindelige rum, men i dets gauge (svage isotopiske) rum. Systemets tilstand er ikke længere givet af et tal, men af ​​to: det samlede svage spin og dets projektion på en bestemt akse i målerummet. Reglen om "brutto" addition er ikke egnet til et fuldt spin, men der er strenge regler, det samme som for et almindeligt spin.

En stærk ladning kaldes farve. Til en vis grad ligner det også spin, kun endnu mere kompliceret. Hans målerum er ikke tredimensionelt, men ottedimensionalt, og systemets tilstand beskrives med tre tal: "fuld farve" og dets projektioner på to bestemte akser i målerummet. Professionelle i stedet for ordene "fuld farve" siger "dimension af en irreducerbar repræsentation."

Og nu går vi videre til denne levende legemliggørelse af demokratiske friheder og universel tolerance - princippet om lokal måleinvarians. Dens essens er, at observatører placeret på forskellige punkter i rummet har ret til at indstille orienteringen af ​​akserne i målerummet hver på deres egen måde, som enhver kan lide, og ingen har ret til at fratage dem denne frihed (med eneste begrænsning, at ændringen i sporviddekoordinatsystemet sker fra punkt til punkt kontinuerligt). Men samtidig postulerer vi, at ligningerne for partikelbevægelse bør se ens ud for ethvert valg.

Hvordan opfylder man dette krav? Bevægelsesligningerne for frie partikler (f.eks. kvarker eller elektroner eller andre leptoner) indeholder en derivat, og nu er både den "sande" ændring i partiklens bølgefunktion og den "tilsyneladende" ændring forbundet med en ændring i koordinatsystemet. viklet ind i det. Du kan slippe af med den ekstra term i derivatet ved at bruge yderligere "kompenserende" felter. Det vil sige, at vi udover de oprindelige felter for leptonen eller kvarken introducerer andre felter i ligningssystemet, som også ændrer sig, når akserne drejes i målerummet, men på en sådan måde, at denne ændring nøjagtigt kompenserer for "ekstra" udtryk. Det er klart, at ligningerne for disse kompenserende felter er etableret helt entydigt, fordi man ved præcis, hvad der skal kompenseres. Så det viser sig, at for en elektrisk ladning er et sådant kompenserende felt et elektromagnetisk - sammen med Maxwells ligninger, der følger direkte af måleprincippet. For en svag ladning er disse felterne for W ± og Z bosoner, og for en stærk ladning er disse felterne for gluoner. Analoger af Maxwells ligninger i de sidste to tilfælde kaldes Yang-Mills ligninger. (Denne trehovede stærk-svage elektromagnetiske drage kaldes faktisk Standardmodellen. Naturligvis i forbindelse med en liste over alle fundamentale partikler og deres klassificering efter ladningstypen.)

Og alt ville være fantastisk, hvis det ikke var for en irriterende lille ting. Fermioner (elektroner eller andre leptoner, såvel som kvarker) deltager i svage interaktioner på forskellige måder afhængigt af deres helicitet. Eksperimentel kendsgerning. Svage interaktioner er de eneste, vi kender til, der skelner mellem venstre- og højrehåndede tilstande. Dette er ikke dårligt i sig selv, men fordi begrebet helicitet for massive partikler viser sig at være tvetydigt. Husk, at helicitet er projektionen af ​​en partikels spin på dens momentum. Og hvis en partikel har en masse, der ikke er nul, så bevæger den sig altid langsommere end ved lysets hastighed, og derfor kan partiklen altid "overhales", det vil sige gå til en referenceramme, der bevæger sig i samme retning, kun kl. en højere hastighed. Og i et sådant referencesystem vil partiklens momentum allerede have den modsatte retning, og med det vil tegnet og heliciteten ændre sig. Men hvis vekselvirkningskraften, karakteriseret ved en betinget "ladning", afhænger af referencerammen, betyder det, at en sådan invariant ladning simpelthen ikke kan bestemmes. Eller rettere sagt, det er umuligt at definere det på en sådan måde, at det bevares. Og så kollapser hele dette smukke skema med udledningen af ​​alle ligninger fra et enkelt princip. Fordi overholdelse af måleinvarians og eksistensen af ​​en tilsvarende bevaret ladning fra et matematisk synspunkt er en og samme ting. Noethers sætning. Selvfølgelig ville det være muligt ikke at udlede ligningerne, men blot postulere dem, som de er; dette påvirker ikke forudsigelseskraften. Men det er en skam. Der er en smertefuld følelse af, at vi har fat i et vigtigt mønster i naturen.

Hypotesen om spontant symmetribrud tegner et andet billede for os. I dette billede er der plads til en verden af ​​indledningsvis ubrudt symmetri, hvor alle ligninger er måle-invariante, partikler ikke har nogen masser, begrebet helicitet er unikt defineret og ladninger bevares. Intet forhindrer os i at udlede Yang-Mills-ligningerne fra gauge-princippet. Og så ned i verden nedenfor. Partiklerne vil så optage masse, og samtidig vil den svage ladning ikke længere bevares. Men nu er vi ikke bange for dette, for Higgs-mekanismen indikerer tydeligt, hvor den manglende ladning kommer fra, og hvor den ekstra går. Svar: smelter sammen i et vakuum. Ind i et vakuum, hvor dets uudtømmelige reserver akkumuleres i Higgs-kondensatet. Det vil sige, at der stadig er en svag ladning, men hvordan kan der bevares, hvis systemet ikke er lukket? Vi udveksler konstant svag ladning med vakuum. Så igen er uforenelige ting forbundet - der er en afgift som synonym for bevaringsloven, men der er ingen bevaring i sig selv. Matematik!

For at fuldende fornøjelsen er det tilbage at præcisere frihedsgraderne.

Vi ved, at systemer med spin lig med en har tre kvantetilstande. Nogle vil huske tripletniveauer i atomfysik, men i vores tilfælde vil vi tale om polariseringen af ​​vektorpartikler, som alle er gauge bosoner. Hvis partiklen er massiv, så har den tre polariseringstilstande (to tværgående og en langsgående), og hvis den er masseløs, som en foton, så kun to, tværgående. Lad os nu huske på den tværgående polarisering af fotoner, vi fik at vide om det i skolen. Nu er det tid til at begynde at bekymre sig, for i en verden af ​​ubrudt symmetri havde de masseløse stamfædre af W ± og Z 0 bosonerne to polariseringstilstande, og de massive har nu tre.

Hvor kom disse ekstra frihedsgrader fra? Og det er her, det kommer fra: I en verden af ​​ubrudt symmetri havde Higgs-feltet ikke én frihedsgrad, men fire. Jeg har allerede sagt, at Higgs-feltet tager komplekse værdier (og hvert komplekst tal svarer til to reelle) og at det har et svagt spin (som i sit svage isotopiske rum kan rettes "op" eller "ned") . Og det er ikke tilfældigt, at jeg nu kaldte masseløse felter i verden af ​​ubrudt symmetri for forfædre til gauge-bosoner, og ikke bosonerne selv, fordi de blev til fotonen, W + , W – og Z 0-bosoner, vi ikke direkte kender til. , men ved at danne en eller anden kvantesuperposition med hinanden . Higgs-markerne deltog også i denne kvantesuperposition. Og som et resultat ændrede tre af de fire Higgs-felter deres registrering og fik et job som de tredje (langsgående) komponenter i polariseringen af ​​massive bosoner. Kun én mark var tilbage under sit tidligere navn, og vi opdagede den på CERN. Omfordelingen af ​​frihedsgrader er en af ​​de væsentlige komponenter i den generelle teori om elektrosvage interaktioner.

Ideologisk gennembrud? - Ja; den består i det gæt, at de oprindelige love, ifølge Guds plan, er perfekte og symmetriske (og dermed giver os renormaliserbarhed og bevarelse af ladninger), og "skævheden" af lovene, som vi ser i verden nedenfor, er kun tilsyneladende , det er resultatet af den skæve struktur af vakuumet, som blev sådan, fordi for Higgs bosoninterferens. Så vi fandt den skyldige. Og hvorfor skulle Higgs-bosonen ikke kaldes djævlepartiklen? Men i den guddommelige perfekte verden er der plads til mennesket?

For at finde svaret på dette bør vi tale om to andre, børns, spørgsmål.

Hvad ville der ske, hvis...

Hvad ville der ske, hvis der slet ikke var nogen svage vekselvirkninger i naturen? Ville vi på en eller anden måde bemærke dette med det blotte øje?

Ja, du ville have bemærket! Så ville Solen ikke skinne. Fordi to protoner, der kolliderer, ikke kunne blive til en deuteriumkerne – og det er det første trin i kæden af ​​reaktioner, der omdanner brint til helium og tjener som hovedkilden til solenergi.

Hvad ville der ske, hvis svage bosoner var masseløse?

Så ville Solen højst sandsynligt have forskellige dimensioner; det ville sandsynligvis være større end Jordens nuværende kredsløb og endda end nogen af ​​planeternes kredsløb. Størrelsen af ​​enhver stjerne bestemmes af balancen mellem gravitationskræfter, som afhænger af stjernens masse, og termisk tryk, som afhænger af intensiteten af ​​energifrigivelsen i kernereaktioner. Med masseløse W-bosoner ville omdannelsen af ​​brint til helium være meget nemmere og hurtigere (mange billioner af gange), og termisk tryk ville ikke tillade Solen at skrumpe til sin nuværende størrelse.

I begge tilfælde ville livet i den form, vi kender, være umuligt.

– Sergei Pavlovich, lad mig stille dig endnu et barnligt spørgsmål: hvor stor er opdagelsen af ​​Higgs-bosonen? Eller mere seriøst, vil denne opdagelse bringe noget nyt til det allerede eksisterende billede af verden?

Der er en opfattelse, og den deler jeg, at det ikke var nødvendigt at give Nobelprisen. Nå, virkelig - hvem? Higgs-mekanismen har været kendt i faststoffysikken i ret lang tid, siden 1965, så der er nok ikke den store nyhed i den som sådan. Den grundlæggende nyhed var, da det var muligt at tilpasse det til behovene i elementær partikelfysik og konstruere en generel teori om elektrosvage interaktioner med dens hjælp. Men teoretikere Sheldon Glashow, Steven Weinberg og Abdus Salam modtog allerede deres Nobelpris for denne teori i 1979, samt, med en lang forsinkelse, Yochiro Nambu i 2008 for mekanismen til spontant symmetribrud i partikelfysikken.

Eksperimentel verifikation af teorien krævede opdagelsen af ​​W- og Z-bosonerne forudsagt af den - kvantebærere af svage interaktioner, og eksperimentatorerne Carlo Rubbia og Van der Meer modtog også deres Nobelpris for deres opdagelse i 1984. Da samarbejdet omfattede flere hundrede medforfattere, blev æren formuleret som "et afgørende bidrag til et stort projekt."

To samarbejder på mere end tre tusinde mennesker hver, CMS og ATLAS, arbejdede på opdagelsen af ​​Higgs-bosonen. Hvem skal jeg give bonussen til? Igen til ledere? Men i samarbejder er der et rotationsprincip - lederne skifter hvert andet år - og selve samarbejderne har eksisteret i 20 år, og man kan sige, at det kun var tilfældigt, at de nuværende ledere fandt sig selv i embedet, da opdagelsen skete. Eller rettere, når der er akkumuleret statistik, der er tilstrækkelig til forsigtige konklusioner.

Men på den anden side var det også umuligt ikke at give bonus. LHC blev i det store og hele bygget netop af hensyn til Higgs boson. Higgs-bosonen blev brugt som en undskyldning for finansielle organisationer.

Der er formentlig ingen tvivl om, at en ny partikel er blevet opdaget, og at den partikel, som Standardmodellen havde brug for, er blevet opdaget. Men spørgsmålet er stadig: er opdagelserne afsluttet? Var det den sidste af de endnu uopdagede partikler, eller bare den letteste af en ny familie? Nogle af problemerne i den gamle teori blev triumferende løst, men meget forblev uforklaret, herunder problemet med hierarkiet af partikelmasser og problemet med strålingskorrektioner til selve Higgs-bosonets masse. For at forklare dem er det mere naturligt at antage eksistensen af ​​nogle nye objekter på en skala af størrelsesordenen TeV; ellers skal der forudsættes en tilfældig finjustering af parametrene.

Jeg vil hellere være enig med V.A. Rubakov, som mener, at vi går ind i en ny æra, og at vores boson kun er spidsen af ​​tråden. Men selv i de almindelige partiklers verden regnede opdagelserne ned: For første gang, og i stort antal på én gang, blev der opdaget nye typer mesoner, der gik ud over det klassiske kvark-antikvark-skema. Nej, nej, jeg er ved slutningen af ​​tråden!

- Efter din mening, er bebrejdelserne mod moderne videnskab og videnskabsmænd - videnskaben forværres, der er ingen virkelig store videnskabsmænd - rimelige? Eller er alting helt anderledes?

Stillet fra filmen Spring (Mosfilm, 1947).
Helten fra R. Plyatt forklarer detaljerne i videnskabsmænds arbejde:
"Hvordan fungerer de? Så jeg satte mig ned og tænkte... Jeg åbnede den!
Det vigtigste er at tænke... Det er det. Og alt er i orden!"

En videnskabsmand er et paradoksalt erhverv, hans skæbne er at gøre, hvad ingen ved, hvordan man gør, inklusive ham selv, for når en løsning er fundet, flytter problemet sig fra kategorien videnskabelig til kategorien ingeniør, og så gør andre mennesker det , og videnskabsmanden står igen alene alene med det ukendte.

Med videnskab er alt noget anderledes, end det ser ud til for den almindelige iagttager. Dette gælder især for grundvidenskab, som har både direkte og indirekte effekter. De fleste moderne tekniske innovationer og "civilisationens bekvemmeligheder" er i virkeligheden et biprodukt af grundlæggende videnskab. For eksempel det samme internet, uden hvilket vi ikke kan forestille os i dag. Brugen af ​​opdagelser "til deres tilsigtede formål" sker også, men ikke altid og ikke hurtigt. Videnskab er beslægtet med en ekspedition, som vi udstyrer uden at vide, hvad der venter os: bjerge, sletter, ørkener, sumpe... Og vi drager faktisk i blinde afsted, kun akkumuleret viden og erfaring kommer os til hjælp (hvis der er nogen i dette felt) og en videnskabsmands intuition.

Livet er struktureret på en sådan måde, at vi sætter os selv fuldstændigt "legetøjs"-opgaver, tilsyneladende ubrugelige for nogen. Vi leder efter denne uforståelige Higgs-boson, tester "styrken" af standardmodellen og forsøger at simulere universets fødsel. Men under påskud af disse opgaver, kunstige for mennesker langt fra videnskaben, udvikler vi de mest avancerede teknologier, som så kommer ind i vores liv og ændrer det radikalt.

Efter Newtons teori ændrede næsten intet sig i 200 år. Og dette var en tid med akkumulering af viden, afprøvning af, hvad og hvor meget det passer inden for rammerne af denne fysik. Og så dukkede der problemer op, der ikke kunne passe ind i det: bestemmelse af lysets hastighed, forklaring af strålingsspektret af et fast legeme (som følge heraf "sprang Plancks konstant ud") og meget mere. Vi blev interesserede i kaos og indså pludselig, at den newtonske mekanik er undtagelsen snarere end livsreglen. Kvantemekanik og generelle og specielle relativitetsteorier begyndte at udvikle sig. Forresten, et meget legetøjsspørgsmål - " Hvorfor er det mørkt om natten? (såkaldte Olbers' fotometriske paradoks - Ca. redaktionen ) - førte til udviklingen af ​​en hel astrofysisk retning. Og dette spørgsmål blev endelig først løst i det 20. århundrede: de søgte efter et svar i omkring hundrede år!

Jeg tror, ​​at vi allerede nu er på stadiet af forståelse, akkumulering af erfaring baseret på viden og opdagelser, der allerede er erhvervet. Især når vi vender tilbage til Higgs-bosonen, er en af ​​opgaverne her bekræftelsen af ​​standardmodellen, søgen efter, hvad der kan være uden for dens rammer. Og på et tidspunkt i denne erkendelsesproces dukker endnu et barnligt spørgsmål op, som vil sætte gang i ny fysik, som nu er usynlig.

Interviewet af E. Lyubchenko, ANI "FIAN-inform"

___________________________________________

Lederman Leon Max- Amerikansk fysiker, vinder af Nobelprisen i fysik i 1988 for opdagelsen af ​​myonneutrinoen ("For the neutrino beam method and the demonstration of the doublet structure of the leptons through the discovery of the muon neutrino").

Rubakov Valery Anatolievich– Russisk teoretisk fysiker, en af ​​verdens førende videnskabsmænd inden for kvantefeltteori, elementær partikelfysik og kosmologi, akademiker ved det russiske videnskabsakademi, doktor i fysiske og matematiske videnskaber. I øjeblikket har han stillingen som vicedirektør for Institut for Nuklear Forskning (INR) i Det Russiske Videnskabsakademi.

Higgs-bosonen, dens plads i rækken af ​​elementarpartikler og teoretisk forudsagte egenskaber. Vigtigheden af ​​søgen efter bosonen for det fysiske billede af verden. Eksperimenter...

Fra Masterweb

10.06.2018 14:00

I fysik er Higgs-bosonen en elementær partikel, som forskerne mener spiller en grundlæggende rolle i dannelsen af ​​masse i universet. At bekræfte eller modbevise eksistensen af ​​denne partikel var et af hovedmålene med at bruge Large Hadron Collider (LHC), den kraftigste partikelaccelerator i verden, som er placeret ved European Particle Physics Laboratory (CERN) nær Genève.

Hvorfor var det så vigtigt at finde Higgs-bosonen?

I moderne partikelfysik er der en bestemt standardmodel. Den eneste partikel, som denne model forudsiger, og som videnskabsmænd har kæmpet for at opdage i lang tid, er bosonen. Standardmodellen af ​​partikler (ifølge eksperimentelle data) beskriver alle interaktioner og transformationer mellem elementarpartikler. Imidlertid forblev den eneste "blanke plet" i denne model - manglen på et svar på spørgsmålet om massens oprindelse. Vigtigheden af ​​masse er hævet over enhver tvivl, for uden den ville universet være helt anderledes. Hvis elektronen ikke havde masse, ville atomer og stoffet i sig selv ikke eksistere, der ville ikke være nogen biologi og kemi, og i sidste ende ville der ikke være noget menneske.

For at forklare begrebet masses eksistens, havde flere fysikere, herunder briten Peter Higgs, en hypotese om eksistensen af ​​det såkaldte Higgs-felt tilbage i 60'erne af forrige århundrede. I analogi med fotonen, som er en partikel af det elektromagnetiske felt, kræver Higgs-feltet også eksistensen af ​​sin bærerpartikel. Således er Higgs-bosoner med enkle ord partikler fra den mængde, som Higgs-feltet er dannet af.

Higgs-partiklen og det felt, den skaber

Alle elementære partikler kan opdeles i to typer:

• Fermioner.
• Bosoner.

Fermioner er de partikler, der danner det stof, vi kender, såsom protoner, elektroner og neutroner. Bosoner er elementære partikler, der bestemmer eksistensen af ​​forskellige typer af interaktioner mellem fermioner. For eksempel er bosoner fotonen - bæreren for den elektromagnetiske vekselvirkning, gluonen - bæreren af ​​den stærke eller nukleare vekselvirkning, Z- og W-bosonerne, som er ansvarlige for den svage vekselvirkning, altså for transformationer mellem elementarpartikler.

Hvis vi i enkle vendinger taler om Higgs-bosonen og betydningen af ​​hypotesen, der forklarer massens udseende, så bør vi forestille os, at disse bosoner er fordelt i universets rum og danner et kontinuerligt Higgs-felt. Når et legeme, atom eller elementarpartikel oplever "friktion" om dette felt, det vil sige interagerer med det, så manifesterer denne interaktion sig som eksistensen af ​​masse for denne krop eller partikel. Jo mere et legeme "gnider" en partikel mod Higgs-feltet, jo større er dets masse.

Hvordan man opdager og hvor man graver efter Higgs-bosonen

Dette boson kan ikke detekteres direkte, da det (ifølge teoretiske data) efter dets fremkomst øjeblikkeligt henfalder til andre mere stabile elementarpartikler. Men de partikler, der dukkede op efter henfaldet af Higgs-bosonen, kan allerede påvises. De er "sporene", der indikerer eksistensen af ​​denne vigtige partikel.

Forskere kolliderede højenergistråler af protoner for at detektere Higgs bosonpartikel. Den enorme energi af protoner under en kollision kan blive til masse, ifølge Albert Einsteins berømte ligning E = mc2. I protonkollisionszonen i kollideren er der mange detektorer, der gør det muligt at registrere eventuelle partiklers udseende og henfald.

Massen af ​​Higgs-bosonen var ikke teoretisk fastlagt, men kun et muligt sæt af dets værdier blev bestemt. For at detektere en partikel kræves kraftige acceleratorer. Large Hadron Collider (LHC) er i øjeblikket den mest kraftfulde accelerator på planeten Jorden. Med dens hjælp var det muligt at kollidere protoner med en energi tæt på 14 tetraelektronvolt (TeV). Den opererer i øjeblikket ved energier på omkring 8 TeV. Men selv disse energier viste sig at være nok til at opdage Higgs-bosonen eller gudpartiklen, som mange også kalder det.

Tilfældige og virkelige begivenheder

I partikelfysik vurderes eksistensen af ​​en begivenhed med en vis sandsynlighed "sigma", som bestemmer tilfældigheden eller virkeligheden af ​​denne begivenhed opnået i eksperimentet. For at øge sandsynligheden for en hændelse er det nødvendigt at analysere et stort antal data. Søgningen efter og opdagelsen af ​​Higgs-bosonen er en af ​​disse typer af sandsynlige begivenheder. For at opdage denne partikel genererede LHC omkring 300 millioner kollisioner i sekundet, så mængden af ​​data, der skulle analyseres, var enorm.

Vi kan tale om en reel observation af en specifik begivenhed med tillid, hvis dens "sigma" er lig med 5 eller mere. Dette svarer til hændelsen af ​​en mønt (hvis du vender den, og den lander på hoveder 20 gange i træk). Dette resultat svarer til en sandsynlighed på mindre end 0,00006%.

Når først denne "nye" virkelige begivenhed er opdaget, er det nødvendigt at studere den i detaljer og besvare spørgsmålet om, hvorvidt denne begivenhed nøjagtigt svarer til Higgs-partiklen eller er det en anden partikel. For at gøre dette er det nødvendigt at omhyggeligt studere egenskaberne af henfaldsprodukterne af denne nye partikel og sammenligne dem med resultaterne af teoretiske forudsigelser.

LHC eksperimenter og opdagelse af massepartiklen

Søgninger efter massepartiklen, som blev udført ved LHC-kollidererne i Genève og Tevatron ved Fermilab i USA, fastslog, at God-partiklen skal have en masse større end 114 gigaelektronvolt (GeV), hvis den udtrykkes i energiækvivalent. Lad os for eksempel sige, at massen af ​​en proton omtrent svarer til 1 GeV. Andre eksperimenter, der var rettet mod at søge efter denne partikel, fandt ud af, at dens masse ikke kan overstige 158 GeV.

De første resultater af søgningen efter Higgs-bosonen ved LHC blev præsenteret tilbage i 2011 takket være analysen af ​​data, der blev indsamlet ved kollideren i løbet af et år. I løbet af denne tid blev der udført to hovedeksperimenter på dette problem - ATLAS og CMS. Ifølge disse eksperimenter har bosonet en masse mellem 116 og 130 GeV eller mellem 115 og 127 GeV. Det er interessant at bemærke, at i begge disse eksperimenter ved LHC, ifølge mange funktioner, er bosonmassen i et snævert område mellem 124 og 126 GeV.

Peter Higgs modtog sammen med sin kollega Frank Englert Nobelprisen den 8. oktober 2013 for opdagelsen af ​​en teoretisk mekanisme til at forstå eksistensen af ​​masse i elementarpartikler, hvilket blev bekræftet i ATLAS- og CMS-eksperimenterne ved LHC på CERN (Geneve), da det eksperimentelt forudsagte boson blev opdaget.

Betydningen af ​​opdagelsen af ​​Higgs-partiklen for fysikken

For at sige det enkelt markerede opdagelsen af ​​Higgs-bosonen begyndelsen på et nyt stadie i partikelfysikken, da denne begivenhed gav nye måder til yderligere udforskning af universets fænomener. For eksempel studiet af sort stofs natur og karakteristika, som ifølge generelle skøn udgør omkring 23% af hele det kendte univers, men hvis egenskaber forbliver et mysterium den dag i dag. Opdagelsen af ​​Gud-partiklen gjorde det muligt at gennemtænke og udføre nye eksperimenter på LHC, som vil hjælpe med at afklare dette spørgsmål.

Boson egenskaber

Mange af egenskaberne ved Gud-partiklen, som er beskrevet i standardmodellen for elementarpartikler, er nu fuldt etablerede. Denne boson har nul spin, ingen elektrisk ladning og ingen farve, så den interagerer ikke med andre bosoner såsom fotonen og gluonen. Den vekselvirker dog med alle partikler, der har masse: kvarker, leptoner og de svage vekselvirkningsbosoner Z og W. Jo større massen af ​​partiklen er, jo stærkere vekselvirker den med Higgs-bosonen. Derudover er denne boson sin egen antipartikel.

Partiklens masse, dens gennemsnitlige levetid og interaktionen mellem bosoner forudsiges ikke af teorien. Disse mængder kan kun måles eksperimentelt. Resultaterne af eksperimenter ved LHC ved CERN (Genève) fastslog, at massen af ​​denne partikel ligger i området 125-126 GeV, og dens levetid er cirka 10-22 sekunder.

Opdaget boson og rumapokalypse

Opdagelsen af ​​denne partikel betragtes som en af ​​de vigtigste i menneskehedens historie. Eksperimenter med denne boson fortsætter, og videnskabsmænd opnår nye resultater. En af dem var det faktum, at en boson kunne føre universet til ødelæggelse. Desuden er denne proces allerede begyndt (ifølge videnskabsmænd). Essensen af ​​problemet er dette: Higgs-bosonen kan kollapse af sig selv i en del af universet. Dette vil skabe en energiboble, der gradvist vil sprede sig og absorbere alt på sin vej.

På spørgsmålet om, hvorvidt verden vil ende, svarer enhver videnskabsmand positivt. Faktum er, at der er en teori kaldet "stjernemodellen". Den postulerer et åbenlyst udsagn: alt har sin begyndelse og sin afslutning. Ifølge moderne ideer vil slutningen af ​​universet se sådan ud: Universets accelererede udvidelse fører til spredning af stof i rummet. Denne proces vil fortsætte, indtil den sidste stjerne går ud, hvorefter universet vil dykke ned i evigt mørke. Ingen ved, hvor lang tid det vil tage, før det sker.

Med opdagelsen af ​​Higgs-bosonen dukkede en anden dommedagsteori op. Faktum er, at nogle fysikere mener, at den resulterende bosonmasse er en af ​​de mulige midlertidige masser; der er andre værdier. Disse masseværdier kan også realiseres, da Higgs-bosonen (forenklet sagt) er en elementær partikel, der kan udvise bølgeegenskaber. Det vil sige, at der er mulighed for dens overgang til en mere stabil tilstand svarende til en større masse. Hvis en sådan overgang indtræffer, vil alle naturlove, som er kendt af mennesket, antage en anden form, og derfor vil slutningen af ​​det Univers, der er kendt for os, komme. Derudover kunne denne proces allerede have fundet sted i en del af universet. Menneskeheden har ikke meget tid tilbage til sin eksistens.

Fordelene ved LHC og andre partikelacceleratorer for samfundet

Teknologier, der udvikles til partikelacceleratorer, er også nyttige til medicin, datalogi, industri og miljø. For eksempel kan kolliderende magneter lavet af superledende materialer, ved hjælp af hvilke elementarpartikler accelereres, bruges til medicinske diagnostiske teknologier. Moderne detektorer af forskellige partikler produceret i kollideren kan bruges i positrontomografi (en positron er en elektrons antipartikel). Derudover kan teknologier til dannelse af stråler af elementære partikler i LHC bruges til at behandle forskellige sygdomme, for eksempel kræft.

Hvad angår fordelene ved forskning ved hjælp af LHC ved CERN (Genève) til informationsteknologi, skal det siges, at det globale computernetværk GRID, såvel som internettet selv, i høj grad skylder deres udvikling eksperimenter med partikelacceleratorer, som producerede enorme mængder af data. Behovet for at dele disse data blandt videnskabsmænd rundt om i verden førte til oprettelsen på CERN af World Wide Web (WWW) sproget, som internettet er baseret på, af Tim Bernels-Lee.

Stråler af partikler, som blev og er ved at blive dannet i forskellige typer acceleratorer, er i øjeblikket meget brugt i industrien til at studere egenskaberne af nye materialer, strukturen af ​​biologiske objekter og kemiske industriprodukter. Præstationer inden for partikelfysik bruges til at designe solenergipaneler, oparbejde radioaktivt affald og så videre.

Indvirkningen af ​​opdagelsen af ​​Higgs-partiklen på litteratur, film og musik

Følgende fakta indikerer den sensationelle karakter af nyheden om opdagelsen af ​​en massepartikel i fysik:

• Efter opdagelsen af ​​denne partikel blev den populærvidenskabelige bog "The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question" udgivet? Lev Liederman. Fysikere siger, at det er en overdrivelse at kalde Higgs-bosonen for en Gud-partikel.
• Filmen Angels and Demons, som er baseret på bogen af ​​samme navn, bruger også navnet "God particle" boson.
• Sci-fi-filmen Solaris, med George Clooney og Natascha McElhone i hovedrollerne, fremsætter en teori, der nævner Higgs-feltet og dets vigtige rolle i at stabilisere subatomære partikler.
• I science fiction-bogen Flashforward, skrevet af Robert Sawyer i 1999, forårsager to videnskabsmænd global katastrofe, når de udfører eksperimenter for at opdage Higgs-bosonen.
• Den spanske serie "Ark" fortæller historien om en global katastrofe, hvor alle kontinenter blev oversvømmet som følge af eksperimenter ved Large Hadron Collider, og kun folkene på skibet "Polar Star" overlevede.
• Den musikalske gruppe fra Madrid "Aviador Dro" dedikerede i deres album "Voice of Science" en sang til den opdagede masseboson.
• Den australske sanger Nick Cave kaldte i sit album "Push the Sky Away" en af ​​sangene "Blue Higgs Boson".

Kievyan Street, 16 0016 Armenia, Yerevan +374 11 233 255