Meie, Quantuzi meeskond, (püüame liituda GT kogukonnaga) pakume oma tõlget veebisaidi particleadventure.org osast, mis on pühendatud Higgsi bosonile. Sellest tekstist oleme välja jätnud mitteinformatiivsed pildid (täisversiooni vaata originaalist). Materjal pakub huvi kõigile, kes on huvitatud rakendusfüüsika viimastest saavutustest.
Higgsi bosoni roll
Higgsi boson oli viimane standardmudelis avastatud osake. See on teooria oluline komponent. Tema avastus aitas kinnitada mehhanismi, kuidas põhiosakesed massi omandavad. Need standardmudeli põhiosakesed on kvargid, leptonid ja jõudu kandvad osakesed.1964. aasta teooria
1964. aastal püstitasid kuus teoreetilist füüsikut hüpoteesi uue välja (nagu elektromagnetväli) olemasolu, mis täidab kogu ruumi ja lahendab kriitilise probleemi meie arusaamises universumist.Sõltumatult töötasid teised füüsikud välja fundamentaalsete osakeste teooria, mida lõpuks nimetati standardmudeliks ja mis andis fenomenaalse täpsuse (standardmudeli mõne osa katsetäpsus ulatub 1:10 miljardi kohta. See on samaväärne New Yorgi ja Sani vahelise kauguse ennustamisega). Francisco täpsusega umbes 0,4 mm). Need jõupingutused osutusid omavahel tihedalt seotud. Standardmudel vajas osakeste massi omandamiseks mehhanismi. Väljateooria töötasid välja Peter Higgs, Robert Brout, Francois Englert, Gerald Guralnick, Carl Hagen ja Thomas Kibble.
Boson
Peter Higgs mõistis, et analoogselt teiste kvantväljadega peab selle uue väljaga olema seotud osake. Selle spinn peab olema nulliga võrdne ja seega peab see olema boson - täisarvulise spinniga osake (erinevalt fermionidest, millel on pooltäisarvuline spin: 1/2, 3/2 jne). Ja tõepoolest, see sai peagi tuntuks kui Higgsi boson. Selle ainus puudus oli see, et keegi ei näinud seda.Mis on bosoni mass?
Kahjuks ei täpsustanud bosoni ennustanud teooria selle massi. Möödus aastaid, kuni sai selgeks, et Higgsi boson peab olema üliraske ja suure tõenäosusega väljaspool suurt hadronipõrgutajat (LHC) rajatud rajatisi.Pidage meeles, et vastavalt E=mc 2, mida suurem on osakese mass, seda rohkem on selle loomiseks vaja energiat.
Ajal, mil LHC 2010. aastal andmeid koguma hakkas, näitasid teiste kiirenditega tehtud katsed, et Higgsi bosoni mass peaks olema suurem kui 115 GeV/c2. LHC katsete käigus kavatseti otsida tõendeid bosoni massivahemikus 115–600 GeV/c2 või isegi üle 1000 GeV/c2.
Igal aastal oli eksperimentaalselt võimalik välistada suurema massiga bosoneid. 1990. aastal teati, et nõutav mass peaks olema suurem kui 25 GeV/c2 ja 2003. aastal selgus, et see on suurem kui 115 GeV/c2
Suure hadronipõrguti kokkupõrked võivad tekitada palju huvitavaid asju
Dennis Overbye New York Timesis räägib triljondiksekundi tingimuste taasloomisest pärast Suurt Pauku ja ütleb:« ...[plahvatuse] jäänuseid selles kosmose osas pole nähtud pärast universumi jahtumist 14 miljardit aastat tagasi – elu kevad on põgus, ikka ja jälle kõigis oma võimalikes variatsioonides, justkui oleks universum osalesid oma versioonis filmist Groundhog Day»
Üks neist "jäänustest" võib olla Higgsi boson. Selle mass peab olema väga suur ja see peab lagunema vähem kui nanosekundi jooksul.
Teadaanne
Pärast pool sajandit kestnud ootusärevust muutus draama ägedaks. Füüsikud magasid väljaspool auditooriumi, et võtta istet Genfis CERNi laboris toimunud seminaril.Kümne tuhande miili kaugusel, teisel pool planeeti, Melbourne'is toimunud mainekale rahvusvahelisele osakestefüüsika konverentsile kogunesid sajad teadlased kõigist maakera nurkadest, et kuulata seminari ülekannet Genfist.
Kuid kõigepealt heidame pilgu taustale.
Ilutulestik 4. juulil
4. juulil 2012 esitlesid ATLASe ja CMS-i eksperimentide juhid suures hadronite põrkeseadmes oma viimaseid tulemusi Higgsi bosoni otsimisel. Käisid kuulujutud, et nad kavatsevad esitada rohkemat kui lihtsalt tulemuste aruannet, kuid mida?Muidugi, kui tulemused esitati, teatasid mõlemad katseid läbi viinud koostööpartnerid, et nad on leidnud tõendeid "Higggsi bosonitaolise" osakese olemasolu kohta massiga umbes 125 GeV. See oli kindlasti osake ja kui see pole Higgsi boson, siis on see selle väga kvaliteetne imitatsioon.
Tõendid ei olnud veenvad; teadlastel olid viie sigma tulemused, mis tähendab, et tõenäosus, et andmed olid lihtsalt statistiline viga, oli väiksem kui üks miljonist.
Higgsi boson laguneb teisteks osakesteks
Higgsi boson laguneb teisteks osakesteks peaaegu kohe pärast selle tootmist, seega saame jälgida ainult selle lagunemissaadusi. Kõige tavalisemad lagunemised (nende hulgas, mida näeme) on näidatud joonisel:
Iga Higgsi bosoni lagunemisrežiimi nimetatakse "lagunemiskanaliks" või "lagunemisrežiimiks". Kuigi bb-režiim on levinud, tekitavad paljud teised protsessid sarnaseid osakesi, nii et kui jälgida bb-i lagunemist, on väga raske öelda, kas osakesed on tingitud Higgsi bosonist või millestki muust. Me ütleme, et bb-lagunemisrežiimil on "lai taust".
Parimad lagunemiskanalid Higgsi bosoni otsimiseks on kahe footoni ja kahe Z-bosoni kanalid.*
*(Tehniliselt ei ole 125 GeV Higgsi bosonimassi puhul lagunemine kaheks Z-bosoniks võimalik, kuna Z-bosoni mass on 91 GeV, mistõttu paari massiks on 182 GeV, mis on suurem kui 125 GeV. mida me täheldame, on lagunemine Z-bosoniks ja virtuaalseks Z-bosoniks (Z*), mille mass on palju väiksem.)
Higgsi bosoni lagunemine kuni Z + Z
Z-bosonitel on ka mitu lagunemisrežiimi, sealhulgas Z → e+ + e- ja Z → µ+ + µ-.Z + Z lagunemisrežiim oli ATLAS-i ja CMS-i katsete jaoks üsna lihtne, kusjuures mõlemad Z-bosonid lagunesid ühes kahest režiimist (Z → e+ e- või Z → µ+ µ-). Joonisel on näidatud Higgsi bosoni neli täheldatud lagunemisrežiimi:
Lõpptulemus on see, et mõnikord näeb vaatleja (lisaks mõnele sidumata osakesele) nelja müüoni või nelja elektroni või kahte müüoni ja kahte elektroni.
Milline näeks välja Higgsi boson ATLASe detektoris
Sel juhul näis, et "jet" (joa) langes ja Higgsi boson tõusis, kuid see lagunes peaaegu kohe. Iga kokkupõrkepilti nimetatakse "sündmuseks".
Näide sündmusest koos Higgsi bosoni võimaliku lagunemisega ilusa animatsiooni kujul kahe prootoni kokkupõrkest suures hadronipõrgutis, näete seda allika veebisaidil sellel lingil.
Sel juhul võib tekkida Higgsi boson, mis laguneb kohe kaheks Z-bosoniks, mis omakorda kohe lagunevad (jättes kaks müüoni ja kaks elektroni).
Mehhanism, mis annab osakestele massi
Higgsi bosoni avastamine on uskumatu vihje selle kohta, kuidas põhiosakesed omandavad massi, nagu väidavad Higgs, Brout, Engler, Gerald, Karl ja Kibble. Mis mehhanism see on? See on väga keeruline matemaatiline teooria, kuid selle peamist ideed saab mõista lihtsa analoogia abil.Kujutage ette ruumi, mis on täidetud Higgsi väljaga, nagu seltskond füüsikuid, kes suhtlevad üksteisega rahulikult kokteilide saatel...
Ühel hetkel siseneb Peter Higgs ja tekitab üle ruumi liikudes elevust, meelitades igal sammul fännide seltskonda...
Enne ruumi sisenemist sai professor Higgs vabalt liikuda. Kuid pärast füüsikuid täis ruumi sisenemist tema kiirus langes. Rühm fänne aeglustas tema liikumist üle ruumi; teisisõnu sai ta massi juurde. See on analoogne massita osakestele, mis omandavad massi, kui nad suhtlevad Higgsi väljaga.
Kuid ta tahtis ainult baari jõuda!
(Analoogia idee kuulub prof David J. Millerile Londoni ülikooli kolledžist, kes võitis auhinna Higgsi bosoni ligipääsetava selgituse eest – © CERN)
Kuidas saab Higgsi boson oma massi?
Teisest küljest, kui uudised ruumis levivad, moodustavad nad ka inimrühmi, kuid seekord ainult füüsikutest. Selline seltskond võib aeglaselt ruumis ringi liikuda. Nagu teisedki osakesed, omandab Higgsi boson massi lihtsalt Higgsi väljaga suhtlemisel.
Higgsi bosoni massi leidmine
Kuidas leida Higgsi bosoni mass, kui see laguneb enne avastamist teisteks osakesteks?Kui otsustate jalgratta kokku panna ja soovite teada selle massi, peaksite liitma jalgrattaosade massid: kaks ratast, raam, juhtraud, sadul jne.
Kuid kui soovite arvutada Higgsi bosoni massi osakeste põhjal, milleks see lagunes, ei saa te masse lihtsalt liita. Miks mitte?
Higgsi bosoni lagunemisosakeste masside liitmine ei toimi, kuna neil osakestel on puhkeenergiaga võrreldes tohutu kineetiline energia (pidage meeles, et puhkeolekus oleva osakese puhul E = mc 2). See tuleneb asjaolust, et Higgsi bosoni mass on palju suurem kui selle lagunemise lõppsaaduste mass, nii et ülejäänud energia läheb kuhugi, nimelt pärast lagunemist tekkivate osakeste kineetilisesse energiasse. Relatiivsusteooria käsib meil kasutada allolevat võrrandit osakeste hulga "invariantse massi" arvutamiseks pärast lagunemist, mis annab meile "vanema", Higgsi bosoni massi:
E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4
Higgsi bosoni massi leidmine selle lagunemissaaduste põhjal
Quantuzi märkus: siin oleme tõlkes pisut ebakindlad, kuna sellega on seotud eriterminid. Soovitame igaks juhuks tõlget allikaga võrrelda.Kui me räägime lagunemisest nagu H → Z + Z* → e+ + e- + µ+ + µ-, siis võivad ülaltoodud neli võimalikku kombinatsiooni tekkida nii Higgsi bosoni lagunemise kui ka taustprotsesside tõttu, seega peame vaatama nende kombinatsioonide nelja osakese kogumassi histogrammi.
Massi histogramm viitab sellele, et me jälgime suurt hulka sündmusi ja märgime nende sündmuste arvu, kui saadakse tulemuseks muutumatu mass. See näeb välja nagu histogramm, kuna muutumatud massiväärtused on jagatud veergudeks. Iga veeru kõrgus näitab sündmuste arvu, mille korral invariantne mass on vastavas vahemikus.
Võiksime ette kujutada, et need on Higgsi bosoni lagunemise tulemused, kuid see pole nii.
Higgsi bosoni andmed taustast
Histogrammi punased ja lillad alad näitavad "tausta", millel on oodata nelja leptoni sündmuste arvu ilma Higgsi bosoni osaluseta.Sinine ala (vt animatsioon) tähistab "signaali" ennustust, milles nelja leptoni sündmuste arv viitab Higgsi bosoni lagunemise tulemusele. Signaal asetatakse tausta ülaossa, kuna sündmuste prognoositud koguarvu saamiseks liidate lihtsalt kokku kõik sündmuste võimalikud tagajärjed.
Mustad punktid näitavad vaadeldud sündmuste arvu, samas kui punkte läbivad mustad jooned tähistavad nende numbrite statistilist ebakindlust. Andmete tõus (vt järgmist slaidi) 125 GeV juures on märk uuest 125 GeV osakesest (Higgsi boson).
Algsel veebisaidil on animatsioon Higgsi bosoni andmete arengust, kui need akumuleeruvad.
Higgsi bosoni signaal tõuseb aeglaselt taustast kõrgemale.
Andmed Higgsi bosoni lagunemisest kaheks footoniks
Lagunemine kaheks footoniks (H → γ + γ) on veelgi laiema taustaga, kuid sellest hoolimata on signaal selgelt eristatav.
See on Higgsi bosoni kaheks footoniks lagunemise muutumatu massi histogramm. Nagu näha, on taust võrreldes eelmise graafikuga väga lai. Seda seetõttu, et kahte footoni tekitavaid protsesse on palju rohkem kui nelja leptonit tekitavaid protsesse.
Katkendlik punane joon näitab tausta ja paks punane joon näitab tausta ja signaali summat. Näeme, et andmed on heas kooskõlas uue osakesega, mis on umbes 125 GeV.
Esimeste andmete puudused
Andmed olid veenvad, kuid mitte täiuslikud ja neil oli olulisi piiranguid. 4. juuliks 2012 ei olnud piisavalt statistikat, et määrata kindlaks osakese (Higgsi bosoni) lagunemise kiirus erinevateks vähemmassiivsete osakeste komplektideks (nn hargnemisproportsioonid), mida standardmudel ennustas."Hargnevussuhe" on lihtsalt tõenäosus, et osake laguneb antud lagunemiskanali kaudu. Neid proportsioone ennustab standardmudel ja mõõdetakse samade osakeste lagunemist korduvalt jälgides.
Järgmine graafik näitab parimaid hargnemisproportsioonide mõõtmisi, mida saame teha 2013. aasta seisuga. Kuna need on standardmudeli ennustatud proportsioonid, on ootus 1,0. Punktid on praegused mõõtmised. Ilmselgelt on vearibad (punased jooned) enamasti siiski liiga suured, et teha tõsiseid järeldusi. Neid segmente lühendatakse uute andmete vastuvõtmisel ja punktid võivad liikuda.
Kuidas teate, et inimene jälgib Higgsi bosoni kandidaatsündmust? Selliseid sündmusi eristavad ainulaadsed parameetrid.
Kas osake on Higgsi boson?
Kuigi tuvastati uue osakese lagunemine, oli selle toimumise kiirus 4. juuliks endiselt ebaselge. Ei olnud isegi teada, kas avastatud osakesel olid õiged kvantarvud – st kas sellel oli Higgsi bosoni jaoks vajalik spinn ja paarsus.Teisisõnu, 4. juulil nägi osake välja nagu part, kuid me pidime veenduma, et see ujub nagu part ja vuliseb nagu part.
Kõik Large Hadron Collider (ja ka Tevatroni põrkur Fermilabis) katsete ATLAS ja CMS tulemused pärast 4. juulit 2012 näitasid märkimisväärset kokkusobivust eeldatavate hargnemisproportsioonidega viie ülalkirjeldatud lagunemisrežiimi puhul ja eeldatava spinniga. (võrdne nulliga) ja paarsus (võrdne +1), mis on põhilised kvantarvud.
Need parameetrid on olulised otsustamaks, kas uus osake on tõesti Higgsi boson või mõni muu ootamatu osake. Seega viitavad kõik kättesaadavad tõendid standardmudeli Higgsi bosonile.
Mõned füüsikud pidasid seda pettumuseks! Kui uus osake on Higgsi boson standardmudelist, siis on standardmudel sisuliselt valmis. Kõik, mida nüüd teha saab, on mõõta juba avastatud asju järjest suurema täpsusega.
Kuid kui uus osake osutub millekski, mida standardmudel ei ennusta, avab see ukse paljudele uutele teooriatele ja ideedele, mida testida. Ootamatud tulemused nõuavad alati uusi selgitusi ja aitavad teoreetilist füüsikat edasi lükata.
Kust tuli mass universumist?
Tavalises aines sisaldub suurem osa massist aatomites ja täpsemalt prootonitest ja neutronitest koosnevas tuumas.Prootonid ja neutronid koosnevad kolmest kvargist, mis saavad oma massi Higgsi väljaga suhtlemisel.
AGA... kvarkide massid annavad umbes 10 MeV, mis on umbes 1% prootoni ja neutroni massist. Kust siis ülejäänud mass tuleb?
Selgub, et prootoni mass tuleneb teda moodustavate kvarkide kineetilisest energiast. Nagu te muidugi teate, on mass ja energia seotud võrdsusega E=mc 2.
Seega kuulub Higgsi mehhanismi vaid väike osa universumi tavalise aine massist. Kuid nagu järgmises osas näeme, oleks Universum ilma Higgsi massita täiesti elamiskõlbmatu ja Higgsi mehhanismi avastajaks poleks kedagi!
Kui Higgsi välja poleks?
Kui Higgsi välja poleks, siis milline oleks universum?See pole nii ilmne.
Kindlasti ei seoks miski aatomites olevaid elektrone. Nad lendaksid valguse kiirusel laiali.
Kuid kvarke seob tugev vastastikmõju ja nad ei saa eksisteerida vabas vormis. Mõned kvarkide seotud olekud võivad säilida, kuid prootonite ja neutronite kohta pole selge.
Kõik see oleks tõenäoliselt tuumataoline aine. Ja võib-olla kukkus see kõik kokku gravitatsiooni mõjul.
Fakt, milles oleme kindlad: universum oleks külm, pime ja elutu.
Seega päästab Higgsi boson meid külmast, pimedast ja elutust universumist, kus pole inimesi, kes Higgsi bosonit avastaksid.
Kas Higgsi boson on standardmudeli boson?
Teame kindlalt, et osake, mille me avastasime, on Higgsi boson. Teame ka, et see on väga sarnane standardmudeli Higgsi bosoniga. Kuid on kaks punkti, mida pole ikka veel tõestatud:1. Hoolimata asjaolust, et Higgsi boson pärineb standardmudelist, on väikeseid lahknevusi, mis viitavad uue füüsika olemasolule (praegu teadmata).
2. Higgsi bosoneid on rohkem kui üks, erineva massiga. See viitab ka sellele, et tuleb uurida uusi teooriaid.
Ainult aeg ja uued andmed paljastavad kas standardmudeli ja selle bosoni puhtuse või uued põnevad füüsikateooriad.
Elementaarosake Higgsi boson, mis sai nime Briti füüsiku Peter Higgsi järgi, kes ennustas selle olemasolu teoreetiliselt juba 1964. aastal, on ehk üks salapärasemaid ja hämmastavamaid tänapäeva füüsikas. Just tema tekitas teadusringkondades palju poleemikat ja arutelusid ning keegi määras talle isegi sellise ebatavalise epiteedi nagu "tükk jumalast". On ka skeptikuid, kes väidavad, et Higgsi bosonit pole olemas ja see kõik pole midagi muud kui teaduslik pettus. Mis Higgsi boson tegelikult on, kuidas see avastati, millised omadused sellel on, loe selle kohta edasi.
Mis on Higgsi boson: seletus lihtsas keeles
Et selgitada Higgsi bosoni olemust võimalikult lihtsalt ja selgelt mitte ainult teadusfüüsikule, vaid ka tavalisele teadushuvilisele inimesele, on vaja kasutada allegooriate ja võrdluste keelt. Kuigi loomulikult ei saa kõik allegooriad ja võrdlused, mis on seotud elementaarosakeste füüsikaga, olla tõesed ja täpsed. Seesama elektromagnetväli ehk kvantlaine ei ole väli ega laine selles mõttes, nagu inimesed neid tavaliselt ette kujutavad, nagu ka aatomid ise ei ole mingil juhul Päikesesüsteemi vähendatud koopiad, milles elektronid tiirlevad ümber aatomituuma nagu planeedid. nende ümber. Ja kuigi allegooriad ja võrdlused ei anna ikka veel kvantfüüsikas toimuvate asjade olemust edasi, võimaldavad need siiski nende asjade mõistmisele lähemale jõuda.
Huvitav fakt: 1993. aastal kuulutas Briti haridusminister välja isegi konkursi kõige lihtsama selgituse saamiseks, mis on Higgsi boson. Võitjaks osutus peoga seotud selgitus.
Niisiis, kujutage ette rahvarohket pidu, siis siseneb ruumi mõni kuulsus (näiteks "rokistaar") ja külalised hakkavad talle kohe järgnema, kõik tahavad "staariga" suhelda, samal ajal kui "rokistaar" ise liigub aeglasemalt. kui kõik teised külalised. Seejärel kogunevad inimesed eraldi gruppidesse, kus arutatakse selle rokkstaariga seotud uudiseid või kuulujutte, samal ajal liiguvad inimesed kaootiliselt grupist rühma. Selle tulemusena tundub, et inimesed arutavad kuulujutte, ümbritsedes kuulsust tihedalt, kuid ilma tema otsese osaluseta. Niisiis, kõik peol osalevad inimesed on Higgsi väli, inimgrupid on välja häirijad ja kuulsus ise, kelle tõttu nad tekkisid, on Higgsi boson.
Kui see allegooria pole teile täiesti selge, siis siin on veel üks: kujutage ette siledat piljardilauda, millel on pallid - elementaarosakesed. Need pallid hajuvad kergesti erinevatesse suundadesse ja liiguvad kõikjal ilma takistusteta. Kujutage nüüd ette, et piljardilaud on kaetud mingi kleepuva ainega, mis raskendab pallide liikumist üle selle. See kleepuv mass on Higgsi väli, selle välja mass on võrdne sellele kleepuvate osakeste massiga. Higgsi boson on osake, mis vastab sellele kleepuvale väljale. See tähendab, et kui lööte selle kleepuva massiga kõvasti vastu piljardilauda, siis väike kogus sellest väga kleepuvast massist moodustab ajutiselt mulli, mis levib peagi uuesti üle laua ja nii, see mull on Higgsi boson.
Higgsi bosoni avastamine
Nagu alguses kirjutasime, avastas Higgsi bosoni teoreetiliselt esmakordselt Briti füüsik Peter Higgs, kes väitis, et osakeste füüsika standardmudeli spontaanse elektronõrga sümmeetria purunemise protsessis osales mõni senitundmatu elementaarosake. See juhtus 1964. aastal, kohe pärast seda hakati otsima selle elementaarosakese tegelikku olemasolu, kuid aastaid ebaõnnestusid. Seetõttu hakkasid mõned teadlased Higgsi bosonit naljaga pooleks nimetama "neetud osakeseks" või "jumalaosakeseks".
Selle salapärase "jumalaosakese" olemasolu kinnitamiseks või ümberlükkamiseks ehitati 2012. aastal hiiglaslik osakeste kiirendi. Sellega tehtud katsed kinnitasid eksperimentaalselt Higgsi bosoni olemasolu ja osakese avastaja Peter Higgs võitis selle avastuse eest 2013. aastal Nobeli füüsikaauhinna.
Tulles tagasi meie analoogia juurde piljardilaua kohta, siis selleks, et näha Higgsi bosonit, pidid füüsikud lööma seda laual lebavat kleepuvat massi õige jõuga, et saada sealt välja mull, Higgsi boson ise. Niisiis, eelmise 20. sajandi osakeste kiirendid ei olnud nii võimsad, et anda nõutava jõuga "löögi lauale" ja ainult meie 21. sajandi alguses loodud suur hadronite põrkur aitas, nagu öeldakse. füüsikud "löövad lauale" õige jõuga ja näevad oma silmaga "tükki Jumalat".
Higgsi bosoni eelised
Teadusest üldiselt ja füüsikast eriti kaugel inimesele võib teatud elementaarosakese otsimine tunduda mõttetuna, kuid Higgsi bosoni avastamine on teaduse jaoks arvestatava tähtsusega. Esiteks on meie teadmised bosonist abiks arvutustes, mida teoreetilises füüsikas Universumi struktuuri uurides tehakse.
Eelkõige on füüsikud väitnud, et kogu meid ümbritsev ruum on täidetud Higgsi bosonitega. Teiste elementaarosakestega suheldes annavad bosonid neile oma massi ja kui on võimalik arvutada teatud elementaarosakeste mass, siis saab arvutada ka Higgsi bosoni massi. Ja kui meil on Higgsi bosoni mass, siis seda kasutades, vastupidises suunas liikudes, saame arvutada ka teiste elementaarosakeste massid.
Muidugi on see kõik akadeemilise füüsika seisukohalt väga amatöörlik arutluskäik, aga ka meie ajakiri on populaarteaduslik, et rääkida tõsistest teaduslikest asjadest lihtsas ja arusaadavas keeles.
Higgsi bosoni oht
Mure Higgsi bosoni ja sellega tehtud katsete pärast tuvastas Briti teadlane Stephen Hawking. Hawkingi sõnul on Higgsi boson äärmiselt ebastabiilne elementaarosake ja võib teatud asjaolude kogumi tulemusena viia vaakumi lagunemiseni ning selliste mõistete nagu ruum ja aeg täieliku kadumiseni. Kuid ärge muretsege, selleks, et midagi sellist juhtuks, on vaja ehitada kogu meie planeedi suurune põrkur.
Higgsi bosoni omadused
- Higgsi boson, nagu ka teised elementaarosakesed, on mõjutatud.
- Higgsi bosonil on nullspinn (elementaarosakeste nurkimpulss).
- Higgsi bosonil on elektri- ja värvilaeng.
- Higgsi bosoni sünniks on 4 peamist kanalit: pärast 2 gluoni (põhi) ühinemist WW või ZZ paaride ühinemine, millega kaasneb W või Z boson koos tippkvarkidega.
- Higgsi boson laguneb paariks b-kvark-b-antikvark, 2 footoniks, kaheks elektron-positroni ja/või müüon-antimuon paariks või elektron-positroni ja/või müüon-antimuon paariks koos neutriinopaariga.
Mõni sõna skeptikutele
Muidugi leidub skeptikuid, kes väidavad, et Higgsi bosonit tegelikkuses ei eksisteeri ja selle kõik leiutasid teadlased omakasupüüdlikul eesmärgil võtta maksumaksja raha, mis väidetavalt läheb elementaarosakeste teaduslikuks uurimiseks, kuid tegelikult taskusse. teatud inimestest.
Higgsi boson, video
Ja lõpetuseks üks huvitav dokumentaalvideo Higgsi bosonist.
Pikka aega tabamatuks jäänud nn jumalaosake on lõpuks tabatud. Higgsi boson oli standardmudeliks nimetatud pusle puuduv tükk. Teadlased usuvad, et see boson vastutab osakeste massi eest. Eelkõige ehitati Large Hadron Collider spetsiaalselt Higgsi bosoni otsimiseks, mis sai oma põhiülesandega hakkama. Teadlaste jaoks on aga kerkinud esile uued mõistatused: kas tõesti on üks Higgsi boson? Lisaks ei selgitanud selle bosoni avastamine kuidagi tumeaine paradoksaalset olemasolu, mis on viimasel ajal füüsikuid üha enam hõivanud.
Füüsikud on lõpuks näinud, et esmalt suures hadronipõrgutis avastatud põhiosake laguneb kaheks ilukvarkiks, eksootilisteks lühiealisteks osakesteks, mis tekivad sageli pärast suure energiaga osakeste kokkupõrkeid. Saime seda tabamatut protsessi jälgida alles nüüd, esimest korda kuue aasta jooksul pärast Higgsi bosoni avastamist. Kahe LHC eksperimendi, ATLAS ja CMS, teadlased teatasid oma tulemustest samaaegselt CERNis 28. augustil toimunud seminaril.
Võime panustada suure summa peale, et enamikul teist (kaasa arvatud teadushuvilised) ei ole väga head ettekujutust sellest, mida füüsikud suure hadronite põrgataja juurest leidsid, miks nad seda nii kaua otsisid ja mis edasi saab. .
Seetõttu lühike lugu sellest, mis on Higgsi boson.
Alustada tuleb sellest, et inimesed on üldiselt väga halvad, et kujutada oma mõtetes ette mikrokosmoses, elementaarosakeste skaalal toimuvat.
Näiteks kujutavad paljud koolipõlvest ette, et elektronid on väikesed kollased pallid, nagu miniplaneedid, mis tiirlevad ümber aatomituuma, või näeb see välja nagu vaarikas, mis koosneb punastest ja sinistest prootonitest-neutronitest. Need, kes on populaarsetest raamatutest kvantmehaanikaga mõnevõrra tuttavad, kujutavad elementaarosakesi ette uduste pilvedena. Kui meile öeldakse, et iga elementaarosake on ka laine, kujutame ette laineid merel (või ookeanis): perioodiliselt võnkuva kolmemõõtmelise keskkonna pinda. Kui meile öeldakse, et osake on sündmus teatud väljas, siis kujutame ette välja (miski sumiseb tühjas, nagu trafokarp).
See kõik on väga halb. Sõnad "osake", "väli" ja "laine" peegeldavad tegelikkust äärmiselt halvasti ja neid pole võimalik ette kujutada. Mis iganes visuaalne pilt teile meelde tuleb, on vale ja segab arusaamist. Elementaarosakesed ei ole põhimõtteliselt nähtavad või „puudutavad“ ja meie, ahvide järeltulijad, oleme loodud ainult selliseid asju ette kujutama. Ei ole tõsi, et elektron (või footon või Higgsi boson) „on nii osake kui laine”; see on midagi kolmandat, mille jaoks pole meie keeles kunagi sõnu olnud (nagu mittevajalik). Meie (selles mõttes, inimkond) teame, kuidas nad käituvad, saame teha mõningaid arvutusi, korraldada nendega katseid, kuid me ei leia nende jaoks head vaimset pilti, sest asjad, mis on elementaarosakestega vähemalt ligikaudu sarnased, ei ole meie skaalal üldse leitud.
Professionaalsed füüsikud ei püüa mikromaailmas toimuvat visuaalselt (või muul viisil inimtunnete mõttes) ette kujutada; see on halb tee, see ei vii kuhugi. Neil tekib järk-järgult intuitsioon selle kohta, millised objektid seal elavad ja mis nendega juhtub, kui nad seda ja teist teevad, kuid tõenäoliselt ei suuda mitteprofessionaal seda dubleerida.
Nii et ma loodan, et te ei mõtle enam väikestele pallidele. Nüüd sellest, mida nad suure hadronite põrgataja juures otsisid ja leidsid.
Üldtunnustatud teooriat selle kohta, kuidas maailm töötab väikseimas mastaabis, nimetatakse standardmudeliks. Tema sõnul toimib meie maailm nii. See sisaldab mitut põhimõtteliselt erinevat tüüpi ainet, mis suhtlevad üksteisega erineval viisil. Mõnikord on mugav rääkida sellistest interaktsioonidest nagu teatud "objektide" vahetus, mille jaoks saab mõõta kiirust, massi, kiirendada või suruda neid üksteise vastu jne. Mõnel juhul on mugav neid nimetada (ja mõelda neist) kandjaosakesteks. Selliseid osakesi on mudelis 12 tüüpi. Tuletan meelde, et kõik, millest ma praegu kirjutan, on endiselt ebatäpne ja rüvetav; kuid ma loodan, et siiski palju vähem kui enamik meediakajastusi. (Näiteks 4. juuli “Moskva kaja” paistis silma lausega “5 punkti sigmaskaalal”, teadjamad hindavad seda).
Nii või teisiti on standardmudeli 12 osakesest 11 juba varem vaadeldud. 12. on Higgsi väljale vastav boson – mis annab paljudele teistele osakestele massi. Väga hea (aga muidugi ka ebakorrektne) analoogia, mis pole minu poolt välja mõeldud: kujutage ette täiesti siledat piljardilauda, millel on piljardipallid - elementaarosakesed. Nad hajuvad kergesti erinevatesse suundadesse ja liiguvad kõikjal ilma segamiseta. Kujutage nüüd ette, et laud on kaetud mingi kleepuva massiga, mis takistab osakeste liikumist: see on Higgsi väli ja osakese kleepumise ulatus sellise katte külge on selle mass. Higgsi väli ei suhtle mingil viisil mõne osakesega, näiteks footonitega, ja nende mass on vastavalt null; Võib ette kujutada, et footonid on õhuhokis nagu litter ja katet ei panda üldse tähele.
Kogu see analoogia on näiteks vale, sest mass, erinevalt meie kleepuvast kattest, ei lase osakesel liikuda, küll aga kiirendada, kuid see annab mingi arusaama illusiooni.
Higgsi boson on sellele "kleepuvale väljale" vastav osake. Kujutage ette, et lööte piljardilauda väga tugevalt, kahjustate vilti ja purustate väikese koguse kleepuvat ainet mullilaadseks voldiks, mis voolab kiiresti tagasi. See on see.
Tegelikult on just seda suur hadronite põrgataja kõik need aastad teinud ja umbes selline nägi välja Higgsi bosoni hankimise protsess: me lööme kõigest jõust vastu lauda, kuni riie ise hakkab muutuma staatiline, kõva ja kleepuv pind millekski huvitavamaks (või kuni juhtub midagi veelgi imelisemat, mida teooria ei ennusta). Seetõttu on LHC nii suur ja võimas: nad on juba proovinud vähema energiaga lauale lüüa, kuid edutult.
Nüüd kurikuulsast 5 sigmast. Ülaltoodud protsessi probleem seisneb selles, et me saame ainult koputada ja loota, et sellest midagi tuleb; Garanteeritud retsepti Higgsi bosoni saamiseks pole. Veelgi hullem, kui ta lõpuks maailma sünnib, peab meil olema aega tema registreerimiseks (loomulikult on teda võimatu näha ja ta eksisteerib vaid tühise sekundi murdosa). Ükskõik, millist detektorit me kasutame, võime vaid öelda, et näib, et oleme täheldanud midagi sarnast.
Kujutage nüüd ette, et meil on eriline stants; see langeb juhuslikult ühele kuuest tahkest, kuid kui Higgsi boson on just sel ajal selle lähedal, siis kuus ei kuku kunagi välja. See on tüüpiline detektor. Kui viskame ühe korra täringut ja lööme samal ajal kõigest jõust vastu lauda, siis ükski tulemus ei ütle meile midagi: kas see tuli 4-ga? Täiesti tõenäoline sündmus. Kas viskasite 6? Võib-olla tabasime lihtsalt valel hetkel kergelt vastu lauda ja bosonil, kuigi see oli olemas, ei olnud aega õigel hetkel sündida või suutis vastupidi laguneda.
Kuid me saame seda katset teha mitu korda ja isegi mitu korda! Suurepärane, veeretame täringut 60 000 000 korda. Oletame, et kuus tuli "ainult" 9 500 000 korda, mitte 10 000 000; Kas see tähendab, et aeg-ajalt ilmub boson või on see lihtsalt aktsepteeritav kokkusattumus – me ei usu, et stants peaks olema kuus sile 10 miljonit korda 60-st?
Noh uh. Selliseid asju ei saa silmaga hinnata, tuleb arvestada, kui suur on kõrvalekalle ja kuidas see on seotud võimalike õnnetustega. Mida suurem on kõrvalekalle, seda vähem on tõenäoline, et luu lihtsalt kogemata nii pikali jäi ja seda suurem on tõenäosus, et aeg-ajalt (mitte alati) tekkis mõni uus elementaarosake, mis ei lase tal kuuena lamada. Keskmisest kõrvalekallet on mugav väljendada sigmades. “Üks sigma” on “kõige ootuspärasem” hälbe tase (selle konkreetse väärtuse saab välja arvutada iga füüsika- või matemaatikateaduskonna kolmanda kursuse üliõpilane). Kui katseid on päris palju, siis 5 sigma suurune hälve on tase, mil arvamus “juhuslikkus on ebatõenäoline” muutub absoluutselt kindlaks kindlustundeks.
Füüsikud teatasid ligikaudu sellise hälbe taseme saavutamisest kahel erineval detektoril 4. juulil. Mõlemad detektorid käitusid väga sarnaselt sellele, kuidas nad käituksid siis, kui tugevalt vastu lauda lüües tekkiv osake oleks tegelikult Higgsi boson; Rangelt võttes ei tähenda see, et just tema on meie ees, me peame mõõtma kõikvõimalikke muid selle omadusi kõikvõimalike muude detektoritega. Kuid kahtlusi on vähe.
Lõpetuseks sellest, mis meid tulevikus ees ootab. Kas "uus füüsika" on avastatud ja kas on tehtud läbimurre, mis aitab meil luua hüperkosmosemootoreid ja absoluutset kütust? Ei; ja isegi vastupidi: sai selgeks, et selles füüsika osas, mis uurib elementaarosakesi, imesid ei juhtu ja loodus on üles ehitatud peaaegu nii, nagu füüsikud olid kogu aeg eeldanud (noh, või peaaegu nii). See on isegi veidi kurb.
Olukorra teeb keeruliseks asjaolu, et me teame täiesti kindlalt, et põhimõtteliselt ei saa seda täpselt niimoodi üles ehitada. Standardmudel on puhtalt matemaatiliselt kokkusobimatu Einsteini üldise relatiivsusteooriaga ja mõlemad lihtsalt ei saa olla korraga tõesed.
Ja kuhu nüüd kaevata, pole veel väga selge (asi pole selles, et mõtteid poleks, pigem vastupidi: erinevaid teoreetilisi võimalusi on liiga palju ja nende testimiseks on palju vähem võimalusi). Võib-olla on see kellelegi selge, aga mulle kindlasti mitte. Läksin juba ammu selles postituses oma pädevusest kaugemale. Kui ma kuskil halvasti valetasin, parandage mind.
7. juunil 2018 toimus kultuuri- ja hariduskeskuses "Arche" RAS-i akadeemiku Valeri Rubakovi loeng Higgsi bosonist ja praegu LHC-s toimuvast uurimistööst. "Arche" lahkel nõusolekul avaldame volitatud B . A. Rubakov selle loengu esitlus, mille koostas Boriss Stern.
Higgsi bosoni avastamisest teatati 4. juulil 2012 CERNis toimunud seminaril. Üsna ettevaatlikult öeldi: avastati uus osake ja selle omadused olid kooskõlas Higgsi bosoni ennustatud omadustega. Ja järgnevate aastate jooksul veendusime järk-järgult, et omadused on täpselt sellised, nagu teoreetikud ennustasid ja seda kõige naiivsema mudeli järgi. Kõige tähtsam on see, et see, nagu teoreetikud ütlevad, pole lihtsalt uus osake, vaid uue elementaarosakeste sektori - Higgsi sektori - esindaja.
Lubage mul teile meelde tuletada standardmudeli põhiprintsiipe. Kogu selle osakeste “loomaaed” mahub ühele slaidile. Prootonid, neutronid, π-mesonid – kõik need on liitosakesed. Elementaarosakesi pole palju. See on leptonite perekond, kvarkide perekond, mis moodustab fermioonisektori. Teine sektor on nende vastastikmõju eest vastutavad osakesed: footonid, W- ja Z-bosonid, gluoonid ja gravitonid. Bosonid suhtlevad mitte ainult fermionidega, vaid ka üksteisega. Kõige kuulsam neist osakestest on footon.
Nende ilmingutes on kõige huvitavamad gluoonid, mis seovad kvarke prootoniks nii, et neid on võimatu lahti tõmmata. W- ja Z-bosonid on oma rolli poolest sarnased footoniga, kuid nad on massiivsed ja vastutavad nõrkade interaktsioonide eest, mis on seotud elektromagnetilise vastasmõjuga, kuigi nad näevad välja erinevad. Peab olema ka gravitoni osake. Gravitatsioonilained on ju juba avastatud ja kus on laineid, seal peavad olema ka osakesed. Teine asi on see, et ilmselt ei saa me kunagi gravitoneid individuaalselt vastu võtta ja registreerida.
Ja lõpuks Higgsi boson, mis on meie slaidil eraldi sektor. See on veel üks osake, mis eristub kogu loomaaias, mis koosneb väikesest arvust erinevatest liikidest.
Mis on Higgsi boson?
Alustuseks: mis on boson? Igal osakesel, nagu tipul, on omamoodi sisemine pöördemoment ehk spin (see on kvantmehaaniline nähtus). Plancki konstandi ühikutes on täis- ja pooltäisarv. Osakesi, mille pöörlemine on 1/2 või 3/2 (mis tahes pooltäisarvuline spin), nimetatakse fermionideks. Bosonitel on integraalne spin, mis põhjustab nende osakeste omadustes põhimõttelisi erinevusi (bosonidele meeldib akumuleeruda ühes kvantmehaanilises olekus, nagu footonid raadiolainetes; fermioonid, vastupidi, väldivad seda, mistõttu elektronid hõivavad erinevaid aatomeid kestad. - Ed.). Niisiis, Higgsi bosoni spinn on 0 (mis on samuti täisarv).
Higgsi boson on raske osake. Selle mass on 125 GeV (võrdluseks: prootoni mass on umbes 1 GeV, raskeima osakese, t-kvargi mass on 172 GeV). Higgsi boson on elektriliselt neutraalne.
Kiirendites avastatakse uusi osakesi, need sünnivad osakeste kokkupõrgetes, antud juhul prootonite kokkupõrgetes. Seejärel registreeritakse soovitud osakese lagunemissaadused. Higgsi boson laguneb keskmiselt 10–22 sekundiga. Raskete osakeste jaoks pole see nii lühike ajavahemik – näiteks tippkvark elab 500 korda vähem.
Ja Higgsi bosonil on palju erinevaid lagunemisviise. Üks lagunemise "kuldne kanal" - lagunemine kaheks footoniks - on üsna haruldane: Higgsi boson laguneb kahel juhul tuhandest. Kuid see tee on tähelepanuväärne selle poolest, et mõlemad footonid on kõrge energiaga. Higgsi bosoni ülejäänud kaadris on iga footoni energia 62,5 GeV, mis on palju energiat. Need footonid on selgelt nähtavad, nende liikumissuundi ja energiat saab mõõta. Veelgi puhtam lagunemiskanal on lagunemine neljaks leptoniks: kaheks paariks e + ja e -, e +, e - ja µ +, µ - või neljaks müüoniks. Tulemuseks on neli suure energiaga laetud osakest, mis on samuti hästi nähtavad ning nende energiat ja väljumissuunda saab mõõta.
Kuidas me teame, et see, mida me näeme, on Higgsi bosoni lagunemine? Oletame, et tuvastasime kaks footonit. Samal ajal toimub palju muid protsesse, mis viivad kahe footoni sünnini. Aga kui footonid pärinevad teatud osakese lagunemisest, siis saab nende järgi määrata selle massi. Selleks peame arvutama kahe footoni energia võrdluskaadris, kus nad lendavad sama energiaga vastassuundades – massikaadri keskpunktis. Meie võrdlusraamistikus on see väga konkreetne kombinatsioon footoni energiatest ja nendevahelisest hajumise nurgast. Seda nimetatakse osakeste süsteemi muutumatuks massiks. Kui footonid on Higgsi bosoni lagunemissaadused, peab nende muutumatu mass olema mõõtmisvigadeni võrdne bosoni massiga. Sama juhtub ka siis, kui boson laguneb neljaks osakeseks.
Joonisel fig. Joonisel 2 on näidatud sündmuste jaotus kahe footoni muutumatu massi vahel. Viimane joonistatakse piki horisontaaltelge ja sündmuste arv piki vertikaaltelge. Seal on pidev taust ja 125 GeV muutumatu massi piirkonnas on "laks". Võite naerda, kuid see "laks" on Higgsi boson. Sarnane tipp ilmneb nelja leptoni muutumatus massis (e + , e - , µ + , µ -), milleks see samuti laguneb. Seda juhtub ainult ühel lagunemisel kümnest tuhandest. See tähendab, et on vaja genereerida miljon Higgsi bosonit, et koguda sada lagunemist kaheks leptoonipaariks. Ja saigi tehtud.
Laetud elektroni või müüoni energiat ja emissiooni suunda (seega impulsi) on võimalik mõõta palju suurema täpsusega kui footoni puhul. Just selleks on detektoril tugev magnetväli: laetud osakese trajektoori kõverus magnetväljas võimaldab määrata selle impulsi (nagu ka laengu märki). Lisaks sünnib vähe isoleeritud kõrge energiaga leptoneid ja veelgi enam, isoleeritud leptonite (isoleeritud, s.t väljaspool hadronijoa) neljakordsete arv on väike. Seetõttu on neljaks leptoniks lagunemise taust väike.
Lõpuks valisid LHC teadlased välja sündmused, mille puhul ühe vastasmärgiga leptonipaari muutumatu mass on võrdne Z-bosoni massiga (Higgs laguneb reaalseks Z-ks ja virtuaalseks Z-ks), mis avaldab veelgi suuremat survet taustal. Kuid lagunemine neljaks leptoniks pole tegelikult parem kui lagunemine kaheks footoniks, kuna kahe footoni lagunemise tõenäosus on palju suurem, selle mõõtmise vead kompenseeritakse suurema statistikaga.
Miks avastati Higgsi boson alles hiljuti?
Siin on kaks asjaolu. Esiteks on soovitud osake raske. See tähendab, et vajame suure energiatarbega kiirendit. Teiseks on vajalik, et kiirte intensiivsus oleks suur, et kokkupõrgete arv oleks piisav. Füüsikud kasutavad sõna "heledus", et kirjeldada kokkupõrgete arvu ajaühikus. Teil peaks olema palju kokkupõrkeid.
Energiaga paistis kõik korras olevat, sest enne Large Hadron Colliderit töötas USA põrkur Tevatron. Selle koguenergia oli 2 TeV. Tundub, et pole paha, sest Higgsi boson on 125 GeV. Põhimõtteliselt võiks Tevatroni energia toota Higgsi bosoneid. Kuid sellel oli ebapiisav heledus. Tal ei olnud piisavalt sündinud Higgsi bosoneid.
Paar sõna BAKist
Large Hadron Collider on igas mõttes tähelepanuväärne struktuur. See on maa all asuv ülijuhtiv salvestuskiirendi. Selle rõnga pikkus on 27 km ja kogu see rõngas koosneb magnetitest, mis hoiavad selles rõngas prootoneid, ülijuhtivaid magneteid. LHC ehitamise ajal oli see uusim tehnoloogiline saavutus. Nüüd on tehtud üsna edukaid katseid magnetites võimsama magnetvälja saamiseks. Aga sel ajal oli see parim. Üldiselt on kõik, mis seal tehakse, moodsa tehnoloogia tipp, inimvõimete piirimail.
Esiteks kiirendas LHC prootoneid koguenergiani 7 TeV, seejärel - 8 TeV. Iga prootoni kokkupõrke energia oli 4 TeV. 2010. aastal stabiilselt 7 TeV energiaga töötama hakanud LHC lülitus 2011. aastal üle 8 TeV energiale ja selle projektenergia on 14 TeV. Nüüd ei ole me kavalate tehnilistel põhjustel ikka veel 14 TeV-ni jõudnud; Alates 2015. aastast töötab kiirendi koguenergial 13 TeV. Selle heledus on kõigi standardite järgi väga kõrge, CERNi spetsialistid on loomulikult suured meistrid. Ja tegelikud osakeste kokkupõrked toimuvad neljas kohas, meid huvitavad neist kaks, kus asuvad ATLAS- ja CMS-detektorid. Umbes selline näeb välja CMS – kompaktne müoniline solenoid (joonis 4).
Kõige ekstreemsem on müüonikamber, mis võimaldab salvestada ja mõõta müüonide parameetreid, mis lendavad läbi kogu detektori, torgates selle otse läbi. Kõik see on suletud magnetvälja, et mõõta selle impulssi osakese liikumise kõveruse järgi.
ATLAS – veelgi enam. See on mitmekorruseline hoone, mis on täielikult varustatud seadmetega.
Need detektorid mõõdavad energiat, impulsse, osakeste liikumissuundi, määravad, kas tegemist oli elektroni, footoni, müüoni või tugevalt interakteeruva osakesega nagu prooton või neutron – neil kõigil on oma signatuur.
Omaette huvitav lugu on seotud sellega, kuidas on organiseeritud füüsikute rühmad – koostööd, mis selle asjaga tegelevad. Selge on see, et sellise hiigelmasina arendamiseks, loomiseks ja hooldamiseks, andmete püüdmiseks ja töötlemiseks, selle tagamiseks, et midagi ei rikuks ning erinevate sündmuste ja huvitavate nähtuste otsimiseks on vaja suuri meeskondi. Nad kogunevad üle kogu maailma. Tüüpiline arv on 3,5 tuhat füüsikut igas koostöös ATLAS-is ja CMS-is. Need rühmad on rahvusvahelised: lisaks Euroopa omadele on spetsialiste Ameerikast, Jaapanist, Hiinast, Venemaalt jne. Instituute on kokku umbes 200; 150–200 igas koostöös. Tore, et see on iseorganiseeruv süsteem. See on "altpoolt" organiseeritud süsteem, millel olid oma "asutajaisad", kes hakkasid 1990. aastatel järk-järgult huvi tundma füüsikute vastu. Rahvast on kogunenud palju, aga juhte pole peale valitud, kõik on jagatud gruppidesse, alagruppidesse, igaüks vastutab oma eest, nii see kõik on korraldatud. Vaatamata sellele, et tegemist on väga erineva kultuuriga inimestega, see kõik toimib. Nad ei tülitsenud, nad ei tülitsenud omavahel.
Pean ütlema, et Venemaa saab ja on uhke, et me kogu selles tegevuses osaleme. Kõik CERNis ja selle ümbruses mõistavad ja rõhutavad, et Venemaa panus on üsna märkimisväärne ja tõsine. Märkimisväärne osa kiirendist valmistati Novosibirskis. Siin valmistati ka märkimisväärne osa detektorielementidest. Ja meie osalejaid on palju, erinevatest linnadest, erinevatest asutustest. Ligikaudu raha, ressursside ja inimeste arvele jääb Venemaale 5–7% Cernovi detektoritest (olenevalt konkreetsest detektorist). Mis on meie riigi jaoks täiesti normaalne.
Miks on vaja Higgsi bosonit?
Liigume edasi teoreetilise osa juurde, võib-olla veidi igav ja kõle, aga mulle tundub, et kasulik on vähemalt kvalitatiivselt mõista ja selgitada, miks Engler, Brout ja Higgs järsku otsustasid, et peaks olema uus osake. Täpsemalt otsustas Higgs, et peab olema uus osake ning Engler ja Brout mõtlesid välja bosonivälja.
Kõigepealt peame meeles pidama, et iga osake on seotud väljaga. Osake on alati teatud välja kvant. Seal on elektromagnetväli, elektromagnetlained ja nendega on seotud footon – elektromagnetvälja kvant. Ka siin: Higgsi boson on teatud välja kvant. Võib küsida: milleks meil uut valdkonda vaja on? Engler ja Brout said sellest esimesena aru.
Siin peame natuke kõrvale minema. Maailma valitsevad kõikvõimalikud sümmeetriad. Näiteks spatiotemporaalne, mis on seotud aja ja ruumi nihkega: homme on füüsika sama, mis eile, füüsika siin on sama, mis Hiinas. Nende sümmeetriatega on seotud energia ja impulsi jäävuse seadused. Samuti on meie igapäevakogemuse seisukohast vähem ilmsed sümmeetriad - sisemised. Näiteks elektrodünaamikas on sümmeetria, mis viib elektrilaengu jäävuse seaduseni. See pole nähtav peale valemite, kuid see on olemas. Koos energia jäävuse seadusega keelab see sümmeetria elektronil laguneda. On tähelepanuväärne, et sama sümmeetria keelab footonil massi omada ja tal seda tegelikult pole. Samal põhjusel on gluoonid ka massivabad – nende mass on keelatud “värviga” seotud sümmeetria tõttu. Kvargid on laetud "värviga" ja gluoonid on seotud "värviga", nagu footonid on seotud laenguga.
Kuid nõrga vastasmõju eest vastutavad osakesed – W- ja Z-bosonid – on massiivsed. Häda on selles, et nad on väga sarnased footonitega: elektron võib elektronil hajuda, vahetades footoni või võib-olla Z-bosoni. Protsessid on väga sarnased, ma tahaksin omistada nõrkadele interaktsioonidele sama tüüpi sümmeetriat, mis on elektromagnetilistel (seda nimetatakse gabariidi sümmeetriaks), kuid nõrga interaktsiooni kandjate W ja Z mass seda ei võimalda. , see rikub gabariidi sümmeetriat.
Miks see ilus sümmeetria katkes? Selgub, et tegemist on looduses üsna universaalse nähtusega: esmastes loodusseadustes eksisteerib palju sümmeetriaid, kuid tegelikus Universumis osutus see rikutuks. Seda nähtust nimetatakse "spontaanseks sümmeetria purunemiseks".
Kujutagem ette, et sina ja mina oleme väikesed inimesed, kes elavad püsimagnetis, magnetiseeritud rauatükis. Teeme katse elektronidega: saame elektron-positroni paarid (meil on seal väike kiirendi, me kiirgame elektrone). Niisiis, need elektronid ei lenda magnetis sirgjooneliselt. Magnetvälja olemasolu tõttu "tuulevad" nad selle ümber ja lendavad spiraalselt. Sina ja mina mõõdame neid ja ütleme: poisid, meil on määratud suund, meie maailm ei ole isotroopne, meil on spetsiaalne telg, millele on keritud elektronid.
Aga kui teie ja mina oleme targad teoreetikud, siis arvame, et asi pole selles, et ruumil on kindel suund, vaid selles, et selles ruumis on magnetväli. Saame aru: kui meil õnnestuks see magnetväli eemaldada, oleksid ruumis kõik suunad võrdsed. Otsustame, et pöörlemise suhtes on sümmeetria, kuid seda rikub asjaolu, et ruumis on magnetväli. Ja kui me oleksime veel targemad teoreetikud, siis, olles mõistnud, et on olemas selline uus väli, mis tagab sümmeetria murdumise, ütleksime, et selles peab olema ka kvant. Ja nad ennustasid footoni. Ja nad oleks õigesti ennustanud! Sümmeetria võib puruneda, kui ruumis on hajutatud väli, mis seda sümmeetriat rikub.
Ja just see juhtub mikromaailma füüsikas. Mõne erinevusega. Erinevused seisnevad selles, et sümmeetria ei ole ruumiline, mitte ruumiliste pöörlemiste suhtes, nagu magnetis, vaid sisemine. Ja meil pole siin rauda, see sümmeetria on vaakumis rikutud. Lõpuks, erinevalt magnetväljast, on siin vaja uut välja. See on Engleri, Brouti ja Higgsi väli, mis põhjustab selle häire. Ja peensus seisneb selles, et magnetväli on vektor, sellel on suund, kuid see väli peab olema skalaar, et mitte rikkuda sümmeetriat ruumiliste pöörlemiste suhtes. Seda ei tohiks kuhugi suunata. Selle välja osakese spinn peab olema võrdne nulliga.
Sellise pildi pakkusid välja ja panid valemitesse Engler ja Brout, seejärel Higgs. Kuid Engler ja Brout ei pööranud millegipärast tähelepanu sellele, et nende teooria ennustas uut osakest. Ja Higgs, kes avaldas oma töö veidi hiljem, juhtis sellele tähelepanu ja seda arvustaja ettepanekul, kes küsis, kas Higgsil on artiklis uusi asju, mida Engler ja Brout ei öelnud. Higgs mõtles ja mõtles ning teatas, et peab olema uus osake. Sellepärast nimetati seda "Higgsi bosoniks".
Mis järgmiseks?
Siiani on kõik olnud “tervislik”. Aga küsimused jäävad. Ühest küljest on pilt Higgsi bosoniga ühtlane. Formaalselt saab kõike arvutada, kõike saab arvutada, omades selle teooria teadaolevaid parameetreid - sidestuskonstandid, massid. Kuid see pilt ei paku lõplikku rahulolu. Ja üks olulisemaid asju, mis füüsikutel rahulikult magada ei lase, on see, et looduses on koostoimete energiaskaalad väga erinevad.
Kvarkide ja gluoonide tugeval vastasmõjul on oma iseloomulik skaala. See on jämedalt öeldes prootoni mass - 1 GeV. On olemas nõrkade interaktsioonide skaala, 100 GeV (W, Z mass, Higgsi boson). Ja see skaala on täpselt Higgsi välja skaala - ligikaudu 100 GeV. Ja see poleks midagi, kuid seal on ka Plancki mass - gravitatsiooniskaala. Mis on koguni 10 19 GeV. Ja muidugi on juba imelik: mis ajalugu see on, miks need mastaabid nii erinevad on?
Tugevate vastastikmõjude skaaladega sellist probleemi pole: on mehhanism, mis võimaldab meil mõista selle skaala erinevust gravitatsioonilisest (noh, pühkige vähemalt meie hämmeldus vaiba alla). Kuid Higgsi bosoni ulatus on halb. Miks? Sest tegelikult on looduses vaakum – osakesteta olek. Ja see pole üldse absoluutne tühjus – selles mõttes, et virtuaalsed protsessid toimuvad kogu aeg vaakumis: osakeste paaride sünd ja hävimine ning väljade kõikumised. Elu käib seal kogu aeg. Kuna aga tegemist on vaakumiga ja selles pole osakesi, siis me seda otseselt ei näe. Ja kaudselt - see on väga nähtav. Näiteks virtuaalsete paaride sünniprotsessid mõjutavad aatomite omadusi ja muudavad nende energiataset. See on ammu tuntud Lambi nihe, mis arvutati 1930. aastatel ja mõõdeti 1940. aastatel. Reeglina ei ole mõju väga tugev. See Lambi aatomitasemete nihe on vaid protsendi murdosa.
Kuid on üks koht, kus vaakum "tulistab" 100%. See on täpselt Higgsi bosoni mass. Selgub, et kui hakata arvestama virtuaalosakeste teket ja hävimist ning püüda naiivselt välja arvutada, kui palju need protsessid Higgsi bosoni massi suurendavad, siis veendute, et need nähtused kipuvad tõmbama enda massi. Higgsi boson Plancki massi poole. Need ei lase Higgsi bosonil olla kerge.
Ja see on tõesti kohutav asi. Ma tõesti tahan aru saada, miks tegelikkuses on elektronõrk skaala looduses nii väike võrreldes 10 19 GeV gravitatsiooniskaalaga. Seda võib seletada asjaoluga, et me ei tunne füüsikat hästi mitte väga kõrgetel energiatel, 1 TeV skaalal. Fakt on see, et kui füüsika muutub teraelektronvoltide skaalal, siis võib-olla juhtub seal imesid: vaakumi mõju osutub mingil põhjusel väikeseks, tähtsusetuks. Selline mõte. Võib-olla pole LHC veel kõike avastanud ja seal peavad olema uued nähtused, mis on talle kättesaadavad. Selle energia, lubage mul teile meelde tuletada, on 14 TeV. Tõsi, need on prootoni-prootoni kokkupõrked. Kvargiga kvargil on kokkupõrkeenergia umbes kuus korda väiksem. Seetõttu on LHC poolt uuritav tegelik energiaskaala 2–3 TeV. Kuid ikkagi on see just see skaala, millel (nagu me tahaksime) tekkida uus füüsika, täiesti uued füüsikalised nähtused.
Ja ma pean teile ütlema, et tegelikult on praegune olukord väga kurb. Kuna LHC on juba peaaegu oma disainienergiaga – 13 TeV – töötanud, töötas see 2017. aastal sellega hästi ja nüüd see töö jätkub. Ja neid pole veel – mitte ühtegi! - märgid selle uue füüsika kohta, mida me kõik loodame. Kõik need kaalutlused, millest ma teile räägin, ei ole kinnitatud. Kas pole piisavalt heledust, pole piisavalt kokkupõrkeid ega piisavalt statistikat. Võib-olla on siin midagi täiesti valesti ja kõik need üsna veenvad, kuid mitte täiesti raudsed argumendid võivad olla valed.
Milline uus füüsika võiks olla? Supersümmeetriale pandi väga suured lootused. See on tähelepanuväärne selle poolest, et see on teooria, millel on kõigi teadaolevate suhtes täiendav sümmeetria. Mis ühendab osakesi täis- ja pooltäisarvulise spinniga – bosoneid ja fermione. Muide, selle sümmeetria pakkusid välja teoreetikud siin Moskvas, Lebedevi füüsikainstituudis, 1970. aastatel.
Osakestefüüsika kontekstis tähendab see järgmist: kui sul on kvark spinniga 1/2, siis peab sellel olema partner, mida ilma kaks korda mõtlemata nimetati skalaarkvarkiks – “skvarkiks” spinniga 0. Elektron peab olema partner - skalaarelektron , footoni partner peab olema fotono spinniga 1/2, gluoni partner peab olema gluino ja gravitoni partner peab olema gravitino.
Peale gravitinooste peaksid kõik need osakesed, kui nad on kerged, sündima Suures Hadronipõrgutis. Üldiselt ütlesid kuumapead nii: kui LHC sisse lülitub, ei leia nad esimese asjana Higgsi bosonit, vaid supersümmeetriat. Ja seda arvamust jagasid mitte ainult paljud teoreetikud, vaid ka vaesed katsetajad, kelle aju teoreetikud lolliks tegid. Supersümmeetriat pole aga veel avastatud, ainult ülaltoodud osakeste massidele on kehtestatud piirangud. Üldiselt ei tundu enam, et supersümmeetria eksisteerib looduses mitte väga kõrgete energiate juures.
Miks on supersümmeetria hea? Selgub, et virtuaalsete osakeste panusel Higgsi bosoni massi on erinevate spinnide puhul erinevad märgid. Supersümmeetria korral vähendatakse bosonite ja fermioonide panust nullini ning kui teil on footonid ja fotonoosid või W-bosonid ja veinid, vähendatakse ka nende panust nullini. Kui osakeste ja nende superpartnerite massid on erinevad – ja nii see ongi, elektroniga sama massiga skalaarelektroni pole olemas, me teame seda kindlalt –, siis see taandamine nullini ei toimu. Aga kui superpartnerite massid on teraelektronvoltide piirkonnas, siis lihtsalt selgub, et nende panuste skaala ulatub sadadesse gigaelektronvoltidesse ja siis on kõik korras. Kuid see ei tööta enam. Juba praegu on nende masside piirangud nii tugevad, et see vähendamismehhanism ei tööta täielikult, 100 GeV ei ole võimalik saavutada. Naiivselt arvutades peaksite saama Higgsi bosoni massiks umbes 500–700 GeV. Nii et nüüd on supersümmeetria otsimisega olukord väga pingeline.
On ka teisi stsenaariume: näiteks võib Higgsi boson olla liit, mitte tingimata elementaarne. Ja üldiselt on kondenseeritud aine füüsikas teada Higgsi mehhanismi analoogid ja seal pole Higgsi bosoni ehk Higgsi välja analoog elementaarne, vaid liit. Kõige kuulsam näide on ülijuhtivus. Ülijuhis näib footonil olevat mass, see on nn Meissneri efekt. Engler-Brout-Higgsi teooria on peaaegu identne Ginzburg-Landau teooriaga, mis pakuti välja kümme aastat enne Engler-Brout-Higgsi.
Kui Higgsi boson on liitboson, siis kõik muutub ja vaakumiga interaktsioonist tulenev tohutu panus kaob ning komposiitsüsteemi suurus ilmneb nagu prootoni oma. Kui see suurus on 10 -18 cm, siis osutub süsteemi vastav energia mõistlikuks, kusjuures sisemine struktuur jääb siiski eristamatuks. Sellistel mudelitel on omad ennustused, kuid jällegi pole seni midagi sarnast gaasipedaali juures nähtud.
Võib-olla me tõesti ei saa millestki aru, teoreetikud ei mõelnud midagi, ei avastanud seda oma peas. Muidugi on Large Hadron Collideril programm uute nähtuste otsimiseks, mis ei põhine teoreetilistele ennustustele. Vaatame, kus saame, “kus on laternad” - vaatame nende alla. Ja püüame leida erinevusi standardmudelist igal võimalusel. Siiani seda pole ja standardmudel töötab suurepäraselt.
Kokkuvõtteks ütlen: praegu oleme elementaarosakeste füüsika arengus väga huvitavas etapis. Ühelt poolt on kindlustunne, et standardmudel ei ole kogu lugu. Kosmoloogiast on ka kindlaid ja ühemõttelisi tõendeid selle kohta, et standardmudel on puudulik - esiteks on see tumeaine: Universumis on massiivsed osakesed, mis moodustavad tumeaine, nende mass on umbes viis korda suurem kui tavalisest ainest.
Nüüd on olukord selline, et osakeste füüsikast on saanud taas eksperimentaalteadus. 1950. ja 1960. aastatel oli see füüsika valdkond eksperimentaalteadus, mil tehti katseid, tõlgendati nende tulemusi ja loodi teooriaid. Kogu minu täiskasvanuea oli aga kõik vastupidi: teoreetikud tegid ennustusi ja katsetajad kinnitasid neid. Nüüd oleme taas jõudnud olukorda, kus oleme katsega täielikult seotud, teadmata, mida see meile näitab. Ootame pöialt hoides, aga siiani ei räägi LHC meile midagi huvitavat. Peale selle, et seal on Higgsi boson...
Samuti ei tea me, milline uus füüsika lõpuks ilmub. Nii et olukord on huvitav, oluline avastus on tehtud, kuid keegi ei oska täna öelda, milline on järgmine avastus. Võib-olla on see hea, sunnib meid pingutama ja mõtlema ning katsetajaid uusi nähtusi otsima. Loodan, et see otsing õnnestub.