Vítězství ve třetí světové válce. Pokud bude zítra válka
Simulace ukazující vzhled Higgsova bosonu při srážce dvou protonů
Higgsův bosonHiggsův boson
Higgsův boson je elementární částice, jejíž podstatu je velmi obtížné pochopit bez předchozí přípravy a pochopení základních fyzikálních a astronomických zákonů Vesmíru.
Higgsův boson má mnoho jedinečných vlastností, které mu umožnily získat další jméno - Boží částice. Otevřené kvantum má barvu a elektrický náboj a jeho spin je ve skutečnosti nulový. To znamená, že nemá kvantovou rotaci. Boson se navíc plně účastní gravitačních reakcí a je náchylný k rozpadu na páry b-kvark a b-antikvark, fotony, elektrony a pozitrony v kombinaci s neutriny. Parametry těchto procesů však na šířku nepřesahují 17 megaelektronvoltů (MeV). Kromě výše uvedených charakteristik je Higgsova částice schopna rozpadu na leptony a W bosony. Bohužel však nejsou dostatečně dobře viditelné, což výrazně komplikuje studium, kontrolu a analýzu jevu. V těch vzácných okamžicích, kdy je přesto bylo možné zaznamenat, se však podařilo zjistit, že plně odpovídají fyzikálním modelům elementárních částic typickým pro takové případy.
Předpověď a historie objevu Higgsova bosonu
Feynmanův diagram znázorňující možnou produkci W- nebo Z-bosonů, které při interakci tvoří neutrální Higgsův boson
V roce 2013 dostali Angličan Peter Higgs a belgický občan François Englert Nobelovu cenu za fyziku za objev a doložení existence mechanismu, který umožňuje pochopit, jak a z čeho vznikají hmotnosti elementárních částic. Již dávno před tím však byly provedeny různé experimenty a pokusy objevit Higgsův boson. Ještě v roce 1993 západní Evropa podobné studie začaly využívat sílu velkého elektron-pozitronového urychlovače. Výsledky, které pořadatelé očekávali, ale nakonec plně přinést nedokázali tento projekt. I já jsem se zapojil do studia problematiky. ruská věda. Tedy v letech 2008-2009. Malý tým vědců JINR provedl rafinovaný výpočet hmotnosti Higgsova bosonu. Nedávno, na jaře 2015, spolupráce známé celému vědeckému světu, ATLAS a CMS, opět upravily hmotnost Higgsova bosonu, která se podle těchto informací přibližně rovná 125,09 ± 0,24 gigaelektronvoltů (GeV).
Experimenty na hledání a odhadování parametrů Higgsova bosonu
Jak již bylo zmíněno výše, počáteční výzkumné a vyhodnocovací experimenty k určení hmotnosti bosonu začaly již v roce 1993. Komplexní výzkum, prováděné na Velkém elektron-pozitronovém urychlovači, dokončené v roce 2001. Výsledky získané z tohoto experimentu byly dále upraveny v roce 2004. Podle aktualizovaných výpočtů byla horní hranice jeho hmotnosti rovna 251 gigaelektronvoltům (GeV). V roce 2010 byl odhalen rozdíl 1 % v počtu b-mezonů, mionů a antimionů objevujících se během rozpadu.
Přes statistické nedostatky jsou od roku 2011 nadále pravidelně přijímána data z Velkého hadronového urychlovače. To dávalo naději na opravu nepřesných informací. Nová elementární částice objevená o rok později, která měla stejnou paritu a schopnost rozpadu jako Higgsův boson, byla v roce 2013 vystavena vážné kritice a pochybnostem. Zpracování všech nashromážděných dat však do konce sezóny vedlo k jednoznačným závěrům: nově objevená částice je bezpochyby hledaný Higgsův boson a patří do Standardního fyzikálního modelu.
Zajímavá fakta o Higgsově bosonu
Velký hadronový urychlovač. Jedním z hlavních cílů projektu je experimentální důkaz existence Higgsova bosonu a jeho výzkum
Jeden z nejzajímavějších a neuvěřitelná fakta o Higgsově bosonu je, že ve skutečnosti v přírodě neexistuje. V důsledku toho se tato částice, na rozdíl od jiných základních prvků, nenachází v prostoru, který nás obklopuje. To je vysvětleno skutečností, že Higgsův boson zmizí téměř okamžitě po svém narození. K této okamžité metamorfóze dochází rozpadem částice. Boson navíc během své nejkratší existence ani nestihne s ničím jiným interagovat.
Velmi zajímavá a poutavá fakta jsou také takzvaná „přezdívka“, která byla přiřazena Higgsovu bosonu. Šokující jména se dostala do povědomí veřejnosti díky médiím. Jedna z nich byla vytvořena nově objeveným kvantem Leonem Ledermanem, nositelem Nobelovy ceny, a zněla jako „zatracená částice“. Editor však nebyl zahrnut do tištěného vydání díla a byl nahrazen výrazem „částice Boží“ nebo „částice Boží“.
Další hromadná jména pro Higgsův boson
Navzdory oblibě Ledermanových „přezdívek“ daných Higgsovu bosonu je naprostá většina vědců neschvaluje a častěji používá jiné „běžné“ jméno. Překládá se jako „boson láhve šampaňského“. Základem pro objevení se takovéto terminologie v označení Higgsova bosonu byla určitá podobnost jeho komplexního pole se spodním skleněná láhev zpod šampaňského. Neméně důležité je pro „rozpustilé“ vědce alegorické přirovnání, naznačující hojnost šampaňského vypitého u příležitosti nálezu důležité částice.
Za pozornost stojí také fakt, že existují tzv. Higgsovo-free fyzikální modely vyvinuté ještě před objevením bosonu. Naznačují jakési rozšíření standardu.
Moderní věda nestojí na místě, ale neustále se vyvíjí. Poznatky nashromážděné v dnešní fyzice a příbuzných oborech umožnily nejen předpovídat, ale ve skutečnosti také uskutečnit objev Higgsova bosonu. Ale studium jeho vlastností a označení oblastí použití získaných informací je pouze in počáteční fázi. Moderní fyzikové a astronomové proto mají ještě mnoho práce a experimentů souvisejících se studiem této základní částice pro vesmír.
Zástupci náboženství však aktivně nabádají novináře a vědce, aby nenazývali Higgsův boson částicí Boha. Tato přezdívka pro objevenou elementární částici naznačuje, že tajemství stvoření bude dříve nebo později odhaleno vědecký svět a bude k dispozici pro lidská mysl. A to je podle mnoha náboženství absolutní omyl. Elementárním částicím nelze přiřadit božské vlastnosti, jinak by se zdálo, že se věda snaží uměle vytvořit proces stvoření v laboratoři nebo studovat Boha pomocí moderních prostředků.
Filosofové se také stali odpůrci používání termínu „boží částice“. Mystický vzestup přírodní vědy připomínající starověká vysvětlení záhady stvoření, kterou se starověcí teologové a filozofové snažili vyřešit. Navíc tím, že se elementární částice nazývá částice Boží, je splněn slib odhalit celý prostor, objevit poslední částici, po které se otevře další. Výsledky filozofického a teologického bádání tedy nelze nahradit výzkumem moderní fyziky.
Název „boží částice“ není nic jiného než marketingová taktika, která se objevila poté, co Leon Reederman publikoval svůj článek o problému Higgsova bosonu. Kniha "The God Particle" byla vydána v roce 1993. Od té doby si tento „“ Higgsův boson získal svou popularitu. Sami fyzici však s tímto okázalým termínem zacházejí ironicky a snaží se jej nepoužívat.
Nicméně objev Higgsova bosonu je nesmírně důležitý pro moderní věda. Právě podle Standardního modelu struktury vesmíru dává vědě klíč k odhalení mechanismu formování hmoty. Fyzici se také domnívají, že velký třesk, ke kterému došlo před 13,7 miliardami let a znamenal počátek vesmíru, by nemohl nastat bez účasti tohoto bosonu. Právě síla, která dala vzniknout této elementární částici, dala vzniknout galaxiím, hvězdám a planetám z té prvotní. Z toho všeho vyplývá, že objevem Higgsova bosonu se vědci přiblížili řešení vzniku Vesmíru a získali potvrzení modelu jeho struktury.
Kromě toho ironický název „boží částice“ také vypovídá o potížích, se kterými se vědci setkali při dokazování existence hypotetické částice, kterou poprvé předpověděli Higgsové v roce 1964. K provedení vědecký experiment K získání částice Boha byl postaven Velký hadronový urychlovač, který stál více než 8 miliard dolarů. Pak to několik let nemohli uvést do provozu. A nyní musíme dokázat, že objevená částice je ta, která ve standardním modelu vesmíru chybí.
Akademik Valery Rubakov, Ústav jaderného výzkumu RAS a Moskevská státní univerzita.
Čtvrtého července 2012 se uskutečnila událost mimořádného významu pro fyziku: na semináři v CERNu ( evropské centrum jaderný výzkum) oznámil objev nové částice, která, jak autoři objevu pečlivě uvádějí, svými vlastnostmi odpovídá teoreticky předpovězenému elementárnímu bosonu Standardního modelu částicové fyziky. Obvykle se nazývá Higgsův boson, i když tento název není zcela adekvátní. Ať je to jak chce, mluvíme o objevu jednoho z hlavních objektů fundamentální fyziky, který nemá mezi známými elementárními částicemi obdoby a zaujímá jedinečné místo ve fyzickém obrazu světa (viz Věda a život č. 1, 1996, článek „Higgsův boson je nezbytný!“).
Detektor LHC-B je určen ke studiu vlastností mezonů B - hadronů obsahujících kvark b. Tyto částice se rychle rozpadají a mají čas odletět od paprsku částic jen zlomek milimetru. Foto: Maximilien Brice, CERN.
Elementární částice standardního modelu. Téměř všechny mají své vlastní antičástice, které jsou označeny symbolem s vlnovkou nahoře.
Interakce v mikrosvětě. Elektromagnetická interakce nastává v důsledku emise a absorpce fotonů (a). Slabé interakce jsou podobného charakteru: jsou způsobeny emisí, absorpcí nebo rozpadem Z-bosonů (b) nebo W-bosonů (c).
Higgsův boson H (spin 0) se rozpadá na dva fotony (spin 1), jejichž spiny jsou antiparalelní a sčítají se do 0.
Když je emitován foton nebo je emitován Z-boson rychlým elektronem, projekce jeho spinu do směru pohybu se nemění. Kruhová šipka ukazuje vnitřní rotaci elektronu.
V rovnoměrném magnetickém poli se elektron pohybuje přímočaře podél pole a spirálovitě v jakémkoli jiném směru.
Foton o dlouhé vlnové délce, a tedy s nízkou energií, není schopen rozlišit strukturu mezonu π - páru kvark-antikvark.
Částice urychlené na obrovské energie ve Velkém hadronovém urychlovači se srazí a vytvoří mnoho sekundárních částic - reakčních produktů. Mezi nimi byl objeven Higgsův boson, v jehož nalezení fyzikové doufali téměř půl století.
Anglický fyzik Peter W. Higgs na počátku 60. let minulého století dokázal, že ve Standardním modelu elementárních částic musí existovat další boson – kvantum pole, které vytváří hmotu ve hmotě.
Co se dělo na semináři a před ním
Vyhlášení semináře proběhlo na konci června a hned bylo jasné, že bude mimořádný. Faktem je, že první náznaky existence nového bosonu byly přijaty již v prosinci 2011 v experimentech ATLAS a CMS provedených na Velkém urychlovači hadronů (LHC) v CERNu. Krátce před seminářem se navíc objevila zpráva, že i data z experimentů na proton-antiprotonovém urychlovači Tevatron (Fermilab, USA) naznačují existenci nového bosonu. To vše ještě nestačilo mluvit o objevu. Od prosince se ale množství dat shromážděných na LHC zdvojnásobilo a metody jejich zpracování se staly pokročilejšími. Výsledek byl působivý: v každém z experimentů ATLAS a CMS samostatně dosáhla statistická spolehlivost signálu hodnoty, která je považována za úroveň objevu ve fyzice částic (pět standardních odchylek).
Seminář se nesl ve slavnostní atmosféře. Kromě výzkumníků pracujících v CERNu a studentů tam studujících v letních programech jej prostřednictvím internetu „navštívili“ i účastníci největší konference o fyzice vysokých energií, která byla ve stejný den zahájena v Melbourne. Seminář byl vysílán na internetu v r vědeckých center a univerzity po celém světě, samozřejmě včetně Ruska. Po působivých prezentacích vedoucích spolupracujících CMS - Joe Incandela a ATLAS - Fabiola Gianotti generální manažer CERN Rolf Heuer uzavřel: "Myslím, že to máme!" („Myslím, že to máme ve svých rukou!“).
Co je tedy „v našich rukou“ a proč s tím teoretici přišli?
Co je to nová částice?
Minimální verze teorie mikrosvěta nese trapný název Standardní model. Zahrnuje všechny známé elementární částice (uvádíme je níže) a všechny známé interakce mezi nimi. Gravitační interakce stojí stranou: nezávisí na typech elementárních částic, ale je popsána Einsteinovou obecnou teorií relativity. Higgsův boson zůstal jediným prvkem Standardního modelu, který nebyl donedávna objeven.
Standardní model jsme nazvali minimální právě proto, že v něm nejsou žádné další elementární částice. Konkrétně má jeden a pouze jeden Higgsův boson a je to elementární částice, nikoli složená (další možnosti budou diskutovány níže). Většina aspektů Standardního modelu - s výjimkou nového sektoru, do kterého patří Higgsův boson - byla testována v mnoha experimentech a hlavním úkolem pracovního programu LHC je zjistit, zda je minimální verze teorie skutečně implementované v přírodě a jak úplně to popisuje mikrosvět.
Během implementace tohoto programu byla objevena nová částice, poměrně těžká podle standardů fyziky mikrosvěta. V této oblasti vědy se hmotnost měří v jednotkách energie, přičemž je třeba mít na paměti vztah E = mс 2 mezi hmotností a klidovou energií. Jednotkou energie je elektronvolt (eV) - energie, kterou elektron získá po průchodu rozdílem potenciálů 1 volt, a její deriváty - MeV (milion, 10 6 eV), GeV (miliarda, 10 9 eV), TeV (bilion, 10 12 eV) . Hmotnost elektronu v těchto jednotkách je 0,5 MeV, proton je přibližně 1 GeV a nejtěžší známá elementární částice, t-kvark, má 173 GeV. Hmotnost nové částice je tedy 125-126 GeV (nejistota je spojena s chybou měření). Nazvěme tuto novou částici N.
Nemá žádný elektrický náboj, je nestabilní a může se rozkládat různými způsoby. Byl objeven v CERN Large Hadron Collider studiem rozpadů na dva fotony, H → γγ, a na dva elektron-pozitronové a/nebo mion-antimuonové páry, H → e + e - e + e - , H → e + e - μ + μ - , H → μ + μ - μ + μ-. Druhý typ procesu je zapsán jako H → 4ℓ, kde ℓ označuje jednu z částic e +, e -, μ + nebo μ - (nazývají se leptony). CMS i ATLAS také hlásí určitý přebytek událostí, který lze vysvětlit rozpady H → 2ℓ2ν, kde ν je neutrino. Tento přebytek však zatím nemá vysokou statistickou významnost.
Obecně platí, že vše, co je nyní o nové částici známo, je v souladu s její interpretací jako Higgsův boson, předpovězenou nejjednodušší verzí teorie elementárních částic – Standardním modelem. Pomocí standardního modelu můžeme vypočítat jak pravděpodobnost produkce Higgsova bosonu při srážkách protonů a protonů ve Velkém hadronovém urychlovači, tak pravděpodobnosti jeho rozpadů, a tím předpovědět počet očekávaných událostí. Předpovědi jsou dobře potvrzeny experimenty, ale samozřejmě v mezích chyby. Experimentální chyby jsou stále velké a naměřených hodnot je stále velmi málo. Je však těžké pochybovat o tom, že byl objeven Higgsův boson nebo něco jemu velmi podobného, zvláště vezmeme-li v úvahu, že tyto rozpady by měly být velmi vzácné: 2 z 1000 Higgsových bosonů se rozpadají na dva fotony a 1 z 10 000 rozpad na 4ℓ.
Ve více než polovině případů by se Higgsův boson měl rozpadnout na pár b-kvark - b-antikvark: H → bb̃. Zrod bb̃ páru při srážkách protonů a protonů (a protonů a antiprotonů) je velmi častým jevem i bez Higgsova bosonu a signál z něj se zatím nepodařilo izolovat od tohoto „šumu“ (fyzici říkají pozadí ) v experimentech na LHC. Toho bylo částečně dosaženo na urychlovači Tevatron, a přestože statistická významnost je zde znatelně nižší, tato data jsou také v souladu s předpověďmi Standardního modelu.
Všechny elementární částice mají spin - vnitřní moment hybnosti. Spin částice může být celočíselný (včetně nuly) nebo poloviční celé číslo v jednotkách Planckovy konstanty ћ. Částice s celočíselným spinem se nazývají bosony a částice s polocelým spinem se nazývají fermiony. Spin elektronu je 1/2, spin fotonu je 1. Z rozboru produktů rozpadu nové částice vyplývá, že její spin je integrální, tedy jde o boson. Ze zachování momentu hybnosti při rozpadu částice na pár fotonů H → γγ vyplývá: spin každého fotonu je celé číslo; Celkový moment hybnosti konečného stavu (páru fotonů) zůstává vždy nedotčen. To znamená, že výchozí stav je také neporušený.
Navíc se nerovná jednotě: částice se spinem 1 se nemůže rozpadnout na dva fotony se spinem 1. Zůstane spin 0; 2 nebo více. Ačkoli spin nové částice ještě nebyl změřen, je krajně nepravděpodobné, že máme co do činění s částicí se spinem 2 nebo větším. Je téměř jisté, že spin H je nulový, a jak uvidíme, přesně takový Higgsův boson musí být.
Na závěr popisu známých vlastností nové částice řekněme, že podle standardů fyziky mikrosvěta žije poměrně dlouho. Na základě experimentálních dat dává nižší odhad jeho životnosti ТH > 10 -24 s, což není v rozporu s predikcí Standardního modelu: ТH = 1,6·10 -22 s. Pro srovnání: doba života t-kvarku je T t = 3·10 -25 s. Všimněte si, že přímé měření doby života nové částice na LHC je stěží možné.
Proč další boson?
V kvantové fyzice slouží každá elementární částice jako kvantum určitého pole a naopak: každé pole má svou kvantovou částici; nejznámějším příkladem je elektromagnetické pole a jeho kvantum, foton. Proto lze otázku položenou v nadpisu přeformulovat takto:
Proč je potřeba nový obor a jaké jsou jeho očekávané vlastnosti?
Krátká odpověď je, že symetrie teorie mikrosvěta – ať už je to Standardní model nebo nějaká složitější teorie – zakazují, aby elementární částice měly hmotnost a nové pole tyto symetrie narušuje a zajišťuje existenci hmot částic. Ve Standardním modelu - nejjednodušší verzi teorie (ale pouze v ní!) - jsou všechny vlastnosti nového pole a tedy i nového bosonu, s výjimkou jeho hmotnosti, jednoznačně předpovězeny, opět na základě úvah o symetrii. . Jak jsme řekli, dostupná experimentální data jsou v souladu s nejjednodušší verzí teorie, ale těchto dat je stále dost málo a čeká nás spousta práce, abychom zjistili, jak přesně nový sektor fyziky elementárních částic funguje.
Uvažujme alespoň obecný obrys, role symetrie ve fyzice mikrosvěta.
Symetrie, zákony zachování a zákazy
Společnou vlastností fyzikálních teorií, ať už jde o newtonovskou mechaniku, mechaniku speciální relativity, kvantovou mechaniku nebo teorii mikrosvěta, je, že každá symetrie má svůj vlastní zákon zachování. Například symetrie vzhledem k posunům v čase (tedy tomu, že fyzikální zákony jsou v každém okamžiku stejné) odpovídá zákonu zachování energie, symetrie vzhledem k posunům v prostoru odpovídá zákonu zachování hybnosti a symetrie vzhledem k rotacím v ní (všechny směry v prostoru jsou stejné) — zákon zachování momentu hybnosti. Zákony zachování lze také interpretovat jako zákazy: uvedené symetrie zakazují změny energie, hybnosti a momentu hybnosti uzavřeného systému během jeho vývoje.
A naopak: každý zákon zachování má svou vlastní symetrii; Toto tvrzení je v kvantové teorii naprosto přesné. Nabízí se otázka: jaká symetrie odpovídá zákonu zachování elektrického náboje? Je jasné, že symetrie prostoru a času, které jsme právě zmínili, s tím nemají nic společného. Nicméně kromě zřejmých, časoprostorových symetrií existují symetrie nezřejmé, „vnitřní“. Jedna z nich vede k zachování elektrického náboje. Je pro nás důležité, že stejná vnitřní symetrie (pochopená pouze v rozšířeném smyslu – fyzici používají termín „měřicí invariance“) vysvětluje, proč foton nemá žádnou hmotnost. Nedostatek hmoty ve fotonu zase úzce souvisí s tím, že světlo má pouze dva typy polarizace – levou a pravou.
Abychom objasnili souvislost mezi přítomností pouze dvou typů polarizace světla a absencí hmoty ve fotonu, odbočme na chvíli od povídání o symetriích a znovu si připomeňme, že elementární částice jsou charakterizovány spinem, polocelým nebo celým číslem. v jednotkách Planckovy konstanty ћ. Elementární fermiony (půlceločíselné spinové částice) mají spin 1/2. Jedná se o elektron e, elektronové neutrino ν e, těžké analogy elektronu - mion μ a tau lepton τ, jejich neutrina ν μ a ν τ, kvarky šesti typů u, d, c, s, t, b a antičástice odpovídající tzv. všechny (pozitron e + , elektronové antineutrino ν̃ e, antikvark ũ atd.). Kvarky U a d jsou lehké a tvoří proton (kvarkové složení uud) a neutron (udd). Zbývající kvarky (c, t, s, b) jsou těžší; jsou součástí částic s krátkou životností, například K-mezonů.
Bosony, částice celého spinu, zahrnují nejen foton, ale i jeho vzdálené analogy - gluony (spin 1). Gluony jsou zodpovědné za interakce mezi kvarky a vážou je do protonu, neutronu a dalších částic. Kromě toho existují další tři částice spin-1 - elektricky nabité W +, W - bosony a neutrální Z-boson, o kterých bude řeč níže. Higgsův boson, jak již bylo zmíněno, musí mít nulový spin. Nyní jsme uvedli všechny elementární částice nalezené ve standardním modelu.
Masivní částice o spinu s (v jednotkách ћ) má 2s + 1 stavy s různými průměty spinu na danou osu (spin je vnitřní moment hybnosti - vektor, takže pojem jeho průmětu na danou osu má obvyklý význam) . Například spin elektronu (s = 1/2) v jeho klidovém rámci může směřovat např. nahoru (s 3 = +1/2) nebo dolů (s 3 = -1/2). Boson Z má nenulovou hmotnost a spin s = 1, má tedy tři stavy s různými projekcemi spinu: s 3 = +1, 0 nebo -1. U bezhmotných částic je situace úplně jiná. Protože létají rychlostí světla, není možné se přesunout do referenčního systému, kde je taková částice v klidu. Přesto můžeme mluvit o jeho helicitě – projekci rotace do směru pohybu. Takže ačkoliv se rotace fotonu rovná jednotě, existují pouze dvě takové projekce - ve směru pohybu a proti němu. Jedná se o pravou a levou polarizaci světla (fotonů). Třetí stav s projekcí nulového spinu, který by musel existovat, kdyby měl foton hmotnost, je zakázán hlubokou vnitřní symetrií elektrodynamiky, samotnou symetrií, která vede k zachování elektrického náboje. Tato vnitřní symetrie tedy zakazuje existenci hmoty ve fotonu!
Něco je špatně
To, co nás však zajímá, nejsou fotony, ale W ± - a Z-bosony. Tyto částice, objevené v roce 1983 na srážce protonů a antiprotonů Spp̃S v CERN a předpovězené teoretiky dlouho předtím, mají docela velká hmota: W ± bosony mají hmotnost 80 GeV (asi 80krát těžší než proton) a boson Z má hmotnost 91 GeV. Vlastnosti W ± - a Z-bosonů jsou dobře známy především díky experimentům na elektron-pozitronových urychlovačích LEP (CERN) a SLC (SLAC, USA) a proton-antiprotonovém urychlovači Tevatron (Fermilab, USA): přesnost měření řady veličin týkajících se W ± - a Z-bosonů, lepších než 0,1 %. Jejich vlastnosti a také další částice jsou dokonale popsány standardním modelem. To platí i pro interakce W ± - a Z-bosonů s elektrony, neutriny, kvarky a dalšími částicemi. Takové interakce se mimochodem nazývají slabé. Byly podrobně studovány; Jedním z dlouho známých příkladů jejich projevu jsou beta rozpady mionu, neutronu a jader.
Jak již bylo zmíněno, každý z bosonů W ± - a Z může být ve třech spinových stavech, a ne ve dvou, jako foton. S fermiony (neutriny, kvarky, elektrony atd.) však interagují v principu stejně jako fotony. Například foton interaguje s elektrickým nábojem elektronu a úraz elektrickým proudem, vytvořený pohybujícím se elektronem. Stejně tak Z-boson interaguje s určitým elektronovým nábojem a proudem, který vzniká při pohybu elektronu, pouze tento náboj a proud jsou neelektrické povahy. Až do důležitého rysu, o kterém budeme zanedlouho hovořit, bude analogie úplná, pokud je elektronu kromě elektrického náboje přiřazen také Z-náboj. Kvarky i neutrina mají své vlastní Z-náboje.
Analogie s elektrodynamikou sahá ještě dále. Stejně jako fotonová teorie má teorie W ± a Z bosonů hlubokou vnitřní symetrii, blízkou té, která vede k zákonu zachování elektrického náboje. V úplné analogii s fotonem zakazuje bosonům W ± - a Z mít třetí polarizaci, a tedy hmotnost. Zde vzniká nekonzistence: zákaz symetrie hmotnosti částice spin-1 funguje pro foton, ale nefunguje pro W ± - a Z-bosony!
Dále - více. K slabým interakcím elektronů, neutrin, kvarků a dalších částic s W ± - a Z-bosony dochází, jako by tyto fermiony neměly žádnou hmotnost! Počet polarizací s tím nemá nic společného: masivní i bezhmotné fermiony mají dvě polarizace (směry rotace). Jde o to, jak přesně fermiony interagují s bosony W ± a Z.
Abychom vysvětlili podstatu problému, nejprve vypněte hmotnost elektronu (teoreticky je to povoleno) a uvažujme imaginární svět, ve kterém je hmotnost elektronu nulová. V takovém světě letí elektron rychlostí světla a může mít rotaci nasměrovanou buď ve směru pohybu, nebo proti němu. Pokud jde o foton, v prvním případě má smysl mluvit o elektronu s pravostrannou polarizací, nebo zkrátka o pravotočivém elektronu, ve druhém případě - o levotočivém.
Protože dobře víme, jak fungují elektromagnetické a slabé interakce (a účastní se jich pouze elektron), jsme docela schopni popsat vlastnosti elektronu v našem imaginárním světě. A takoví jsou.
Za prvé, v tomto světě jsou pravý a levý elektron dvě zcela odlišné částice: pravý elektron se nikdy nezmění na levý a naopak. To zakazuje zákon zachování momentu hybnosti (v tomto případě spinu) a interakce elektronu s fotonem a Z-bosonem nemění jeho polarizaci. Za druhé, pouze levý elektron zažívá interakci elektronu s W bosonem a pravý se jí vůbec neúčastní. Třetí důležitou vlastností, kterou jsme zmínili dříve na tomto obrázku, je to, že Z-náboje levého a pravého elektronu jsou různé a levý elektron interaguje s bosonem Z silněji než pravý. Mion, tau lepton a kvarky mají podobné vlastnosti.
Zdůrazňujeme, že v imaginárním světě s bezhmotnými fermiony není problém s tím, že levý a pravý elektrony interagují s W- a Z-bosony odlišně a zejména že „levý“ a „pravý“ Z-náboj je odlišný. . V tomto světě jsou levé a pravé elektrony různé částice a tím to končí: nepřekvapuje nás například, že elektron a neutrino mají různé elektrické náboje: -1 a 0.
Zahrnutím hmotnosti elektronu okamžitě dospějeme k rozporu. Rychlý elektron, jehož rychlost se blíží rychlosti světla a jehož spin směřuje proti směru pohybu, vypadá téměř stejně jako levý elektron z našeho imaginárního světa. A mělo by se vzájemně ovlivňovat téměř stejným způsobem. Pokud je jeho interakce spojena s nábojem Z, pak je hodnota jeho náboje Z „levotočivá“, stejná jako hodnota levotočivého elektronu z imaginárního světa. Rychlost masivního elektronu je však stále menší než rychlost světla a vždy můžete přejít na referenční systém pohybující se ještě rychleji. V novém systému bude směr pohybu elektronů obrácený, ale směr rotace zůstane stejný.
Projekce spinu do směru pohybu bude nyní kladná a takový elektron bude vypadat jako pravotočivý, nikoli levotočivý. V souladu s tím by jeho Z-náboj měl být stejný jako náboj pravotočivého elektronu z imaginárního světa. Ale to nemůže být: hodnota poplatku by neměla záviset na referenčním systému. Je tu rozpor. Zdůrazněme, že jsme k tomu dospěli za předpokladu, že Z-náboj je zachován; O jeho významu pro danou částici se jinak mluvit nedá.
Tento rozpor ukazuje, že symetrie Standardního modelu (pro definitivnost si o něm povíme, i když vše řečené platí pro jakoukoli jinou verzi teorie) by měly zakazovat existenci hmot nejen ve W ± - a Z-bozonech, ale také ve fermionech. Ale co s tím má společného symetrie?
Nehledě na to, že by měly vést ke konzervaci Z-náboje. Měřením Z-náboje elektronu bychom mohli definitivně zjistit, zda je elektron levotočivý nebo pravotočivý. A to je možné pouze tehdy, když je hmotnost elektronu nulová.
Ve světě, kde by byly všechny symetrie Standardního modelu realizovány stejným způsobem jako v elektrodynamice, by tedy všechny elementární částice měly nulovou hmotnost. Ale v skutečný svět mají hmotnosti, což znamená, že se symetriemi Standardního modelu musí něco stát.
Narušení symetrie
Když mluvíme o spojení symetrie se zákony a zákazy zachování, ztratili jsme ze zřetele jednu okolnost. Spočívá ve skutečnosti, že zákony zachování a zákazy symetrie jsou splněny pouze tehdy, když je symetrie výslovně přítomna. Symetrie však mohou být také porušeny. Například v homogenním vzorku železa at pokojová teplota může existovat magnetické pole nasměrované nějakým směrem; vzorek je pak magnet. Kdyby v něm žili mikroskopičtí tvorové, zjistili by, že ne všechny směry vesmíru jsou stejné. Na elektronu letícím napříč magnetické pole, Lorentzova síla působí na stranu magnetického pole, ale síla nepůsobí na elektron letící podél ní. Elektron se pohybuje podél magnetického pole přímočaře, napříč polem v kruhu a obecně ve spirále. Proto magnetické pole uvnitř vzorku narušuje symetrii vzhledem k rotacím v prostoru. V tomto ohledu není uvnitř magnetu splněn zákon zachování momentu hybnosti: když se elektron pohybuje po spirále, projekce momentu hybnosti na osu kolmou k magnetickému poli se s časem mění.
Zde máme co do činění se spontánním narušením symetrie. Při absenci vnějších vlivů (například magnetického pole Země) v různé vzorkyželezné magnetické pole může být nasměrováno různé strany a žádný z těchto směrů není výhodnější než druhý. Původní symetrie vzhledem k rotaci je stále přítomná a projevuje se tím, že magnetické pole ve vzorku může být nasměrováno kamkoli. Jakmile však vzniklo magnetické pole, objevil se také preferovaný směr a symetrie uvnitř magnetu byla narušena. Na formálnější úrovni jsou rovnice, jimiž se řídí vzájemné ovlivňování atomů železa mezi sebou as magnetickým polem, symetrické vzhledem k rotacím v prostoru, ale stav systému těchto atomů – vzorku železa – je asymetrický. To je fenomén spontánního narušení symetrie. Všimněte si, že zde mluvíme o nejvýhodnějším stavu, který má nejméně energie; Tento stav se nazývá základní. Zde nakonec skončí vzorek železa, i když byl původně nezmagnetizován.
Takže spontánní porušení nějaké symetrie nastane, když rovnice teorie jsou symetrické, ale základní stav není. Slovo „spontánní“ je v tomto případě použito z toho důvodu, že systém sám bez naší účasti volí asymetrický stav, neboť právě tento stav je energeticky nejvýhodnější. Z uvedeného příkladu je zřejmé, že pokud je symetrie spontánně narušena, pak zákony zachování a z ní vyplývající zákazy nefungují; v našem příkladu to znamená zachování momentu hybnosti. Zdůrazňujeme, že úplnou symetrii teorie lze rozbít jen částečně: v našem příkladu z úplné symetrie vzhledem ke všem rotacím v prostoru zůstává symetrie vzhledem k rotacím kolem směru magnetického pole jasná a nepřerušená.
Mikroskopičtí tvorové žijící uvnitř magnetu by si mohli položit otázku: „V našem světě nejsou všechny směry stejné, moment hybnosti není zachován, ale je prostor skutečně asymetrický vzhledem k rotacím? Po prostudování pohybu elektronů a vytvoření odpovídající teorie (v tomto případě elektrodynamiky) by pochopili, že odpověď na tuto otázku je záporná: její rovnice jsou symetrické, ale tato symetrie je spontánně narušena kvůli „rozšíření“ magnetického pole. všude. Při dalším rozvoji teorie by předpověděli, že pole zodpovědné za spontánní porušení symetrie by mělo mít svá vlastní kvanta, fotony. A po vybudování malého urychlovače uvnitř magnetu bychom rádi viděli, že tato kvanta skutečně existují – rodí se při srážkách elektronů!
Obecně je situace v částicové fyzice podobná té, která je popsána. Ale jsou tu také důležité rozdíly. Za prvé, není třeba mluvit o nějakém médiu, jako je krystalová mřížka atomů železa. V přírodě je stavem s nejnižší energií vakuum (podle definice!). To neznamená, že ve vakuu - základním přírodním stavu - nemohou být rovnoměrně „rozptýlená“ pole, podobně jako magnetické pole v našem příkladu. Naopak nesrovnalosti, o kterých jsme mluvili, naznačují, že symetrie Standardního modelu (přesněji jejich část) by měly být spontánně porušeny, a to předpokládá, že ve vakuu existuje nějaké pole, které toto porušení zajišťuje. Za druhé, nemluvíme o časoprostorových symetriích, jako v našem příkladu, ale o vnitřních symetriích. Časoprostorové symetrie by naopak neměly být narušeny přítomností pole ve vakuu. Z toho plyne důležitý závěr: na rozdíl od magnetického pole by toto pole nemělo zvýrazňovat žádný směr v prostoru (přesněji v časoprostoru, protože máme co do činění s relativistickou fyzikou). Pole s touto vlastností se nazývají skalární; odpovídají částicím se spinem 0. Proto pole „rozprostřené“ ve vakuu a vedoucí k porušení symetrie musí být dosud neznámé a nové. Známá pole, která jsme explicitně nebo implicitně zmínili výše - elektromagnetické pole, pole W ± - a Z-bosonů, gluony - skutečně odpovídají částicím se spinem 1. Taková pole zvýrazňují směry v časoprostoru a nazývají se vektorová, a potřebujeme skalární pole. Pole odpovídající fermionům (spin 1/2) také nejsou vhodná. Za třetí, nové pole by nemělo zcela narušit symetrie Standardního modelu, vnitřní symetrie elektrodynamiky by měla zůstat neporušená. A konečně, a to je nejdůležitější, interakce nového pole, „rozptýleného“ ve vakuu, s W ± - a Z-bosony, elektrony a dalšími fermiony by měla vést ke vzniku hmot v těchto částicích.
Mechanismus generování hmotností částic spin-1 (v přírodě se jedná o W ± - a Z-bosony) v důsledku samovolného narušení symetrie navrhli v kontextu fyziky elementárních částic bruselští teoretici Francois Englert a Robert Brout v roce 1964 a o něco později edinburský fyzik Peter Higgs .
Vědci se opírali o myšlenku spontánního narušení symetrie (ale v teoriích bez vektorových polí, tedy bez částic spin 1), která byla představena v letech 1960-1961 v dílech J. Nambu, který spolu s J. Jonou -Lasinio, V. G. Vaks a A. I. Larkin, J. Goldstone (Yoichiro Nambu obdržel za toto dílo v roce 2008 Nobelovu cenu). Na rozdíl od předchozích autorů Engler, Brout a Higgs zvažovali teorii (v té době spekulativní), která zahrnovala jak skalární (spin 0), tak vektorové pole (spin 1). Tato teorie má vnitřní symetrii, velmi podobnou symetrii elektrodynamiky, která vede k zachování elektrického náboje a k zákazu hmoty fotonu. Ale na rozdíl od elektrodynamiky je vnitřní symetrie spontánně narušena stejnoměrným skalárním polem přítomným ve vakuu. Pozoruhodným výsledkem Englera, Brouta a Higgse byla demonstrace skutečnosti, že toto porušení symetrie automaticky znamená výskyt hmoty v částici se spinem 1 - kvantu vektorového pole!
Poměrně přímočaré zobecnění mechanismu Engler-Brout-Higgs, spojené se zahrnutím do teorie fermionů a jejich interakcí se skalárním polem narušujícím symetrii, vede ke vzniku hmoty ve fermionech. Všechno do sebe začíná zapadat! Standardní model je získán jako další zobecnění. Nyní obsahuje ne jedno, ale několik vektorových polí - fotony, W ± - a Z-bosony (gluony jsou samostatný příběh, nemají nic společného s mechanismem Engler-Brout-Higgs) a různé typy fermiony. Poslední krok je vlastně docela netriviální; Steven Weinberg, Sheldon Glashow a Abdus Salam obdrželi v roce 1979 Nobelovu cenu za formulování kompletní teorie slabých a elektromagnetických interakcí.
Vraťme se do roku 1964. K analýze své teorie Engler a Brout použili přístup, který je na dnešní poměry dosti propracovaný. To je pravděpodobně důvod, proč si nevšimli, že spolu s masivní částicí se spinem-1 teorie předpovídá existenci další částice - bosonu se spinem 0. Ale Higgs si toho všiml a nyní se tato nová bezrotorová částice často nazývá Higgsův boson. . Jak již bylo uvedeno, tato terminologie není zcela správná: byli to Engler a Brout, kteří jako první navrhli použití skalárního pole pro spontánní porušení symetrie a generování hmotností částic spin-1. Aniž bychom zacházeli do další terminologie, zdůrazňujeme, že nový boson s nulovým spinem slouží jako kvantum samotného skalárního pole, které narušuje symetrii. A v tom je jeho jedinečnost.
Zde je třeba provést objasnění. Zopakujme si, že pokud by nedošlo k samovolnému porušení symetrie, pak by bosony W ± a Z byly bez hmotnosti. Každý ze tří bosonů W + , W - , Z by měl jako foton dvě polarizace. Celkově, uvážíme-li částice s různou polarizací za nestejné, bychom měli 2 × 3 = 6 typů W ± - a Z-bosonů. Ve Standardním modelu jsou bosony W ± a Z masivní, každý z nich má tři spinové stavy, tedy tři polarizace, pro celkem 3 × 3 = 9 typů částic - kvanta polí W ±, Z. Nabízí se otázka, odkud se vzaly tři „extra“ typy? Faktem je, že Standardní model nemusí mít jedno, ale čtyři Engler-Brout-Higgsova skalární pole. Kvantem jednoho z nich je Higgsův boson. A kvanta zbylých tří se v důsledku spontánního narušení symetrie promění ve tři „extra“ kvanta přítomná v masivních W ± - a Z-bozonech. Byly nalezeny již dávno, protože je známo, že bosony W ± - a Z mají hmotnost: tři „extra“ spinové stavy bosonů W + -, W - a Z jsou tím, čím jsou.
Tato aritmetika je mimochodem v souladu se skutečností, že všechna čtyři Engler-Brout-Higgsova pole jsou skalární a jejich kvanta mají nulový spin. Bezhmotné bosony W ± - a Z by měly spinové projekce ve směru pohybu rovné -1 a +1. Pro masivní W ± - a Z-bosony nabývají tyto projekce hodnoty -1, 0 a +1, to znamená, že „extra“ kvanta mají nulovou projekci. Tři Engler-Brout-Higgsova pole, ze kterých jsou tato „extra“ kvanta získávána, mají také nulovou projekci spinu do směru pohybu jednoduše proto, že jejich spinový vektor je roven nule. Všechno do sebe zapadá.
Higgsův boson je tedy kvantem jednoho ze čtyř Engler-Brout-Higgsových skalárních polí ve Standardním modelu. Zbylé tři jsou požírány (vědeckým termínem!) W ± - a Z-bosony a přecházejí do svých třetích, chybějících spinových stavů.
Je nový boson skutečně nutný?
Nejúžasnější na tomto příběhu je to, že dnes rozumíme: Engler-Brout-Higgsův mechanismus není v žádném případě jediným možným mechanismem pro narušení symetrie ve fyzice mikrosvěta a generování hmotností elementárních částic, a Higgsův boson možná není existovat. Například ve fyzice kondenzovaných látek (kapalin, pevných látek) existuje mnoho příkladů spontánního narušení symetrie a různé mechanismy pro toto narušení. A ve většině případů v nich není nic jako Higgsův boson.
Nejbližším pevnolátkovým analogem samovolného porušení symetrie Standardního modelu ve vakuu je samovolné porušení vnitřní symetrie elektrodynamiky v tloušťce supravodiče. To vede k tomu, že v supravodiči má foton v určitém smyslu hmotnost (jako W ± - a Z-bosony ve vakuu). To se projevuje Meissnerovým efektem – vypuzením magnetického pole ze supravodiče. Foton „nechce“ proniknout dovnitř supravodiče, kde se stává hmotným: je to tam pro něj „tvrdé“, je pro něj energeticky nevýhodné tam být (pamatujte: E = mс 2). Magnetické pole, které lze poněkud konvenčně považovat za soubor fotonů, má stejnou vlastnost: neproniká supravodičem. To je Meissnerův efekt.
Efektivní Ginzburg-Landauova teorie supravodivosti je extrémně podobná Engler-Brout-Higgsově teorii (přesněji naopak: Ginzburg-Landauova teorie je o 14 let starší). Obsahuje také skalární pole, které je rovnoměrně „rozprostřeno“ po celém supravodiči a vede ke spontánnímu narušení symetrie. Ne nadarmo se však Ginzburg-Landauova teorie nazývá efektivní: zachycuje, obrazně řečeno, mimo jevů, ale je zcela neadekvátní pro pochopení základních, mikroskopických příčin supravodivosti. Ve skutečnosti neexistuje žádné skalární pole v supravodiči, který obsahuje elektrony a krystalovou mřížku, a supravodivost je způsobena speciální vlastnosti základní stav systému elektronů vznikajících interakcí mezi nimi (viz „Věda a život“ č. 2, 2004, článek „.“ - Ed.).
Mohl by se podobný obraz odehrát také v mikrokosmu? Ukáže se, že ve vakuu není „rozptýleno“ žádné zásadní skalární pole a samovolné narušení symetrie je způsobeno úplně jinými důvody? Pokud uvažujeme čistě teoreticky a nevěnujeme pozornost experimentálním faktům, pak je odpověď na tuto otázku kladná. Dobrý příklad Používá se tzv. technicolor model, který v roce 1979 navrhl již zmíněný Steven Weinberg a – nezávisle na sobě – Leonard Susskind.
Neobsahuje ani základní skalární pole ani Higgsův boson, ale místo toho je zde mnoho nových elementárních částic, které svými vlastnostmi připomínají kvarky. Interakce mezi nimi vede ke spontánnímu porušení symetrie a generování hmotností W ± - a Z-bosonů. S hmotnostmi známých fermionů, například elektronu, je situace horší, ale i tento problém lze vyřešit zkomplikováním teorie.
Pozorný čtenář si může položit otázku: „A co argumenty z předchozí kapitoly, které říkají, že je to skalární pole, které by mělo narušit symetrii?“ Mezerou v tomto případě je, že toto skalární pole může být složené v tom smyslu, že odpovídající kvantové částice nejsou elementární, ale sestávají z jiných, „skutečně“ elementárních částic.
Připomeňme si v tomto ohledu kvantově-mechanický Heisenbergův vztah neurčitosti Δх ×Δр ≥ ћ, kde Δх a Δр jsou nejistoty souřadnice a hybnosti. Jedním z jeho projevů je, že struktura kompozitních objektů s charakteristickou vnitřní velikostí Δx se objevuje pouze v procesech zahrnujících částice s dostatečně vysokou hybností р ≥ћ/Δх, a tedy s dostatečně vysokými energiemi. Zde je vhodné připomenout Rutherforda, který v té době bombardoval atomy elektrony o vysokých energiích a tak zjistil, že atomy se skládají z jader a elektronů. Při pohledu na atomy mikroskopem ani s nejvyspělejší optikou (tedy s využitím světla - nízkoenergetických fotonů) není možné zjistit, že atomy jsou složené, a nikoli elementární bodové částice: není zde dostatečné rozlišení.
Takže při nízkých energiích vypadá složená částice jako elementární částice. Pro efektivní popis takových částic při nízkých energiích je lze považovat za kvanta nějakého pole. Pokud je spin složené částice nulový, pak je toto pole skalární.
Podobná situace je realizována např. ve fyzice π-mezonů, částic se spinem 0. Do poloviny 60. let nebylo známo, že se skládají z kvarků a antikvarků (kvarkové složení π + -, π - - a π 0 -mezony – jedná se o ud̃, dũ a kombinaci uũ a dd̃).
Poté byly π-mezony popsány elementárními skalárními poli. Nyní víme, že tyto částice jsou složené, ale „stará“ teorie pole π mezonů zůstává platná, protože jsou uvažovány procesy při nízkých energiích. Teprve při energiích řádově 1 GeV a vyšších se začíná objevovat jejich kvarková struktura a teorie přestává fungovat. Energetická stupnice 1 GeV se zde neobjevila náhodou: jedná se o stupnici silných interakcí, které vážou kvarky na π-mezony, protony, neutrony atd., jedná se o stupnici hmotností silně interagujících částic, např. proton. Všimněte si, že samotné π-mezony stojí od sebe: z důvodu, o kterém zde nebudeme mluvit, mají mnohem menší hmotnosti: m π± = 140 MeV, m π0 = 135 MeV.
Skalární pole zodpovědná za spontánní narušení symetrie tedy mohou být v zásadě složená. Přesně tuto situaci naznačuje techniccolor model. V tomto případě tři bezspinová kvanta, která jsou pohlcena W ± - a Z-bosony a stávají se jejich chybějícími spinovými stavy, mají blízkou analogii s π + -, π - - a π 0 -mezony. Pouze odpovídající energetická stupnice již není 1 GeV, ale několik TeV. V takovém obrázku se očekává existence mnoha nových částic - analogy protonu, neutronu atd. — s hmotnostmi řádově několika TeV. Naopak v něm chybí relativně lehký Higgsův boson. Dalším rysem modelu je, že bosony W ± a Z v něm jsou částečně složené částice, protože, jak jsme řekli, některé jejich složky jsou podobné mezonům π. To by se mělo projevit v interakcích W ± a Z bosonů.
Právě poslední okolnost vedla k tomu, že technický barevný model (podle alespoň, ve své původní formulaci) byla zamítnuta dlouho před objevem nového bosonu: přesná měření vlastností bosonů W ± a Z na LEP a SLC nesouhlasí s předpověďmi modelu.
Tato krásná teorie byla rozdrcena tvrdohlavými experimentálními fakty a objev Higgsova bosonu ji ukončil. Nicméně pro mě, stejně jako pro řadu dalších teoretiků, je myšlenka složených skalárních polí atraktivnější než Engler-Brout-Higgsova teorie s elementárními skalárními poli. Po objevu nového bosonu v CERNu se samozřejmě myšlenka složení ocitla v ještě obtížnější pozici než dříve: pokud je tato částice složená, měla by docela úspěšně napodobovat elementární Higgsův boson. A přesto si počkejme, jaké experimenty na LHC ukáží především přesnější měření vlastností nového bosonu.
Objev byl učiněn. co bude dál?
Vraťme se jako pracovní hypotéza k minimální verzi teorie – Standardnímu modelu s jedním elementárním Higgsovým bosonem. Protože v této teorii je to Engler-Brout-Higgsovo pole (přesněji pole), které dává hmotnosti všem elementárním částicím, je interakce každé z těchto částic s Higgsovým bosonem přísně fixní. Čím větší je hmotnost částice, tím silnější je interakce; Čím silnější je interakce, tím je pravděpodobnější, že se Higgsův boson rozpadne na pár částic daného typu. Rozpady Higgsova bosonu na páry skutečných částic tt̃, ZZ a W+W- jsou zákonem zachování energie zakázány. Vyžaduje, aby součet hmotností produktů rozpadu byl menší než hmotnost rozpadající se částice (opět si pamatujte E = mc 2), a pro nás, připomeňme, m n ≈ 125 GeV, m t = 173 GeV, m z = 91 GeV a mw = 80 GeV. Další největší hmotností je kvark b s m b = 4 GeV, a proto, jak jsme řekli, se Higgsův boson nejsnáze rozpadá na pár bb̃. Zajímavý je také rozpad Higgsova bosonu na pár dosti těžkých τ-leptonů H → τ + τ - (m τ = 1,8 GeV), ke kterému dochází s pravděpodobností 6 %. Rozpad H → μ + μ - (m µ = 106 MeV) by měl nastat s ještě menší, ale stále nemizí pravděpodobností 0,02 %. Navíc k rozpadům diskutovaným výše, H → γγ; H → 4ℓ a H → 2ℓ2ν, zaznamenáme rozpad H → Zγ, jehož pravděpodobnost by měla být 0,15 %. Všechny tyto pravděpodobnosti budou měřitelné na LHC a jakákoli odchylka od těchto předpovědí bude znamenat, že naše pracovní hypotéza, Standardní model, je nesprávná. Naopak souhlas s predikcemi Standardního modelu nás bude stále více přesvědčovat o jeho platnosti.
Totéž lze říci o vzniku Higgsova bosonu při srážkách protonů. Higgsův boson může vzniknout samotný interakcí dvou gluonů, společně s párem vysokoenergetických světelných kvarků, společně s jedním W nebo Z bosonem, nebo konečně společně s párem tt̃. Částice produkované společně s Higgsovým bosonem lze detekovat a identifikovat, takže na LHC lze samostatně studovat různé produkční mechanismy. Je tedy možné získat informace o interakci Higgsova bosonu s W ± -, Z-bosony a t-kvarkem.
Konečně, důležitý majetek Higgsův boson - jeho interakce sama se sebou. Mělo by se projevit v procesu Н* → НН, kde Н* je virtuální částice. Vlastnosti této interakce také jasně předpovídá standardní model. Jeho studium je však otázkou vzdálené budoucnosti.
LHC má tedy rozsáhlý program na studium interakcí nového bosonu. V důsledku jeho implementace se víceméně ukáže, zda Standardní model popisuje přírodu, nebo máme co do činění s nějakou jinou, složitější (a možná i jednodušší) teorií. Další propagace spojené s výrazným zvýšením přesnosti měření; bude vyžadovat stavbu nového elektron-pozitronového urychlovače - urychlovače e + e - s rekordní energií pro tento typ stroje. Je možné, že nás na této cestě čeká spousta překvapení.
Místo závěru: při hledání „nové fyziky“
Z „technického“ hlediska je standardní model vnitřně konzistentní. Tzn., že v jeho rámci je možné - alespoň v zásadě a zpravidla v praxi - vypočítat jakoukoliv fyzikální veličinu (samozřejmě související s jevy, které má popisovat), a výsledek nebude obsahovat nejistoty. Přesto mnozí, i když ne všichni, teoretici považují stav věcí ve Standardním modelu mírně řečeno za ne zcela uspokojivý. A to především díky jeho energetickému měřítku.
Jak je zřejmé z předchozího, energetické měřítko Standardního modelu je řádově M cm = 100 GeV (nemluvíme zde o silných interakcích s měřítkem 1 GeV, s ním je vše jednodušší). Toto je hmotnostní měřítko W ± a Z bosonů a Higgsova bosonu. Je to hodně nebo málo? Z experimentálního hlediska - pěkně, ale z teoretického...
Ve fyzice existuje další energetická škála. Je spojena s gravitací a rovná se Planckově hmotnosti M pl = 10 19 GeV. Při nízkých energiích jsou gravitační interakce mezi částicemi zanedbatelné, ale s rostoucí energií narůstají a při energiích řádu M pl gravitace sílí. Energie nad M pl jsou oblastí kvantové gravitace, ať už je to cokoliv. Pro nás je důležité, že gravitace je možná nejzákladnější interakcí a gravitační stupnice M pl je nejzákladnější energetická stupnice. Proč je tedy standardní modelová stupnice Mcm = 100 GeV tak daleko od Mpl = 1019 GeV?
Identifikovaný problém má ještě jeden, jemnější aspekt. Je spojena s vlastnostmi fyzikálního vakua. V kvantové teorii je vakuum - základní stav přírody - strukturováno velmi netriviálním způsobem. Neustále se v něm vytvářejí a ničí virtuální částice; jinými slovy, kolísání pole se tvoří a mizí. Tyto procesy nemůžeme přímo pozorovat, ale ovlivňují pozorovatelné vlastnosti elementárních částic, atomů atd. Například interakce elektronu v atomu s virtuálními elektrony a fotony vede k jevu pozorovanému v atomových spektrech – Lambovu posunu. Jiný příklad: korekce na magnetický moment elektronu nebo mionu (anomální magnetický moment) je také způsobena interakcí s virtuálními částicemi. Tyto a podobné efekty byly vypočteny a změřeny (v těchto případech s fantastickou přesností!), takže si můžeme být jisti, že máme správný obrázek fyzikálního vakua.
Na tomto obrázku všechny parametry původně zahrnuté v teorii dostávají korekce, nazývané radiační, kvůli interakci s virtuálními částicemi. V kvantové elektrodynamice jsou malé, ale v sektoru Engler-Brout-Higgs jsou obrovské. To je zvláštnost elementárních skalárních polí, která tvoří tento sektor; ostatní pole tuto vlastnost nemají. Hlavním efektem je, že radiační korekce mají tendenci „táhnout“ energetickou stupnici standardního modelu M cm směrem ke gravitační stupnici M pl. Pokud zůstaneme v rámci Standardního modelu, pak jediným východiskem je vybrat počáteční parametry teorie tak, aby spolu s korekcemi záření vedly ke správné hodnotě M cm fit by se měl blížit M cm 2 /M pl 2 = 10 -34 ! Toto je druhý aspekt problému energetického měřítka Standardního modelu: zdá se nepravděpodobné, že by k takovému přizpůsobení došlo v přírodě.
Mnoho teoretiků (i když, opakujeme, že ne všichni) věří, že tento problém jasně ukazuje na potřebu jít nad rámec standardního modelu. Pokud totiž standardní model přestane fungovat nebo se výrazně rozšíří na energetické škále“ nová fyzika- NF» M nf, pak požadovaná přesnost osazení parametrů bude zhruba M 2 cm / M 2 nf, ale ve skutečnosti je to asi o dva řády méně. Pokud předpokládáme, že v přírodě nedochází k jemnému ladění parametrů, pak by měřítko „nové fyziky“ mělo ležet v oblasti 1-2 TeV, tedy přesně v oblasti dostupné pro výzkum na Velkém hadronovém urychlovači!
Jaká by mohla být „nová fyzika“? V této věci není mezi teoretiky jednota. Jednou z možností je složená povaha skalárních polí, která poskytují spontánní narušení symetrie, o které jsme již diskutovali. Další, také populární (zatím?) možností je supersymetrie, o které si řekneme jen to, že předpovídá celou zoo nových částic s hmotností v řádu stovek GeV - několika TeV. Diskutují se i velmi exotické možnosti, jako jsou dodatečné dimenze prostoru (například tzv. M-teorie - viz „Věda a život“ č. 2, 3, 1997, článek „Superstruny: na cestě k teorii ze všeho." - Ed.).
Přes veškerou snahu nebyly dosud obdrženy žádné experimentální náznaky „nové fyziky“. To už ve skutečnosti začíná vzbuzovat obavy: rozumíme všemu správně? Je ale dost možné, že jsme se energeticky a množstvím nasbíraných dat ještě nedostali k „nové fyzice“ a že s tím budou spojeny nové, převratné objevy. Hlavní naděje se zde opět vkládají do Large Hadron Collider, který za rok a půl začne pracovat na plnou energii 13-14 TeV a rychle sbírat data. Sledujte novinky!
Přesné měřicí a zjišťovací stroje
Fyzika částic, která studuje ty nejmenší objekty v přírodě, vyžaduje obří výzkumná zařízení, kde se tyto částice urychlují, srážejí a rozpadají. Nejvýkonnější z nich jsou srážeče.
Urychlovač je urychlovač se srážejícími se paprsky částic, ve kterém se částice čelně srážejí např. elektrony a pozitrony v e + e - srážeči. Doposud vznikly také srážeče protonů a antiprotonů, protonů, elektronů a jader (neboli těžkých iontů). O dalších možnostech, například μ + μ - - collider, se stále diskutuje. Hlavními srážeči pro částicovou fyziku jsou proton-antiproton, proton-proton a elektron-pozitron.
Velký hadronový urychlovač (LHC)- proton-proton, urychluje dva paprsky protonů jeden k druhému (může fungovat i jako srážeč těžkých iontů). Návrhová energie protonů v každém paprsku je 7 TeV, takže celková energie srážky je 14 TeV. V roce 2011 urychlovač pracoval na poloviční energii a v roce 2012 na plnou energii 8 TeV. Velký hadronový urychlovač je 27 km dlouhý prstenec, ve kterém jsou protony urychlovány elektrickými poli a zadržovány poli vytvořenými supravodivými magnety. Ke srážkám protonů dochází na čtyřech místech, kde jsou umístěny detektory, které zaznamenávají částice vzniklé při srážkách. ATLAS a CMS jsou určeny pro výzkum fyziky vysokoenergetických částic; LHC-b je pro studium částic, které obsahují b-kvarky, a ALICE je pro studium horké a husté kvark-gluonové hmoty.
Spp̃S- srážeč protonů a antiprotonů v CERNu. Délka prstence je 6,9 km, maximální energie srážky je 630 GeV. Působil v letech 1981 až 1990.
LEP- prstencový elektron-pozitronový urychlovač s maximální srážkovou energií 209 GeV, umístěný ve stejném tunelu jako LHC. Působil v letech 1989 až 2000.
SLC— lineární elektron-pozitronový urychlovač v SLAC, USA. Energie srážky 91 GeV (hmotnost Z-bosonu). Působil v letech 1989 až 1998.
Tevatron je prstencový proton-antiprotonový srážeč ve Fermilabu v USA. Délka prstence je 6 km, maximální energie srážky je 2 TeV. Působil v letech 1987 až 2011.
Při porovnávání urychlovačů proton-proton a proton-antiproton s urychlovači elektronů a pozitronů je třeba mít na paměti, že proton je složená částice, která obsahuje kvarky a gluony. Každý z těchto kvarků a gluonů nese pouze zlomek energie protonu. Proto je například ve Velkém hadronovém urychlovači energie elementární srážky (mezi dvěma kvarky, mezi dvěma gluony nebo kvarkem s gluonem) znatelně nižší než celková energie srážejících se protonů (14 TeV při konstrukčních parametrech) . Z tohoto důvodu dosahuje energetický rozsah dostupný pro studium na něm „pouze“ 2-4 TeV, v závislosti na studovaném procesu. Srážeče elektronů a pozitronů takovou vlastnost nemají: elektron je elementární částice bez struktury.
Výhodou proton-protonových (a proton-antiprotonových) srážečů je, že i s přihlédnutím k této vlastnosti je s nimi technicky snazší dosáhnout vysokých srážkových energií než s elektron-pozitronovými srážeči. Existuje také mínus. Kvůli kompozitní struktura protonu, a také díky tomu, že kvarky a gluony na sebe vzájemně působí mnohem silněji než elektrony s pozitrony, při srážkách protonů se odehrává mnohem více více akcí, nezajímavé z hlediska hledání Higgsova bosonu či jiných nových částic a jevů. Zajímavé události vypadají ve srážkách protonů více „špinavě“; rodí se v nich mnoho „vnějších, nezajímavých částic. To vše vytváří „šum“, od kterého je obtížnější izolovat užitečný signál než u srážečů elektron-pozitronů. V souladu s tím je přesnost měření nižší. Kvůli tomu všemu se proton-protonové (a proton-antiprotonové) srážeče nazývají objevovací stroje a elektron-pozitronové srážeče se nazývají přesné měřicí stroje.
Standardní odchylka(směrodatná odchylka) σ x - charakteristika náhodných odchylek měřené hodnoty od průměrné hodnoty. Pravděpodobnost, že se naměřená hodnota X bude náhodně lišit o 5σ x od skutečné hodnoty, je pouze 0,00006 %. To je důvod, proč je v částicové fyzice odchylka signálu od pozadí o 5σ považována za dostatečnou k rozpoznání signálu jako pravdivého.
Částice, uvedené ve Standardním modelu, kromě protonu, elektronu, neutrina a jejich antičástic, jsou nestabilní: rozpadají se na jiné částice. Dva ze tří typů neutrin by však měly být také nestabilní, ale jejich životnost je extrémně dlouhá. Ve fyzice mikrosvěta existuje princip: vše, co se může stát, se skutečně děje. Proto je stabilita částice spojena s jakýmsi zákonem zachování. Elektron a pozitron se podle zákona zachování náboje rozpadají. Nejlehčí neutrino (spin 1/2) se díky zachování momentu hybnosti nerozpadá. Rozpad protonu je zakázán zákonem zachování jiného „náboje“, který se nazývá baryonové číslo (baryonové číslo protonu je podle definice 1 a u lehčích částic je nula).
Další vnitřní symetrie je spojena s baryonovým číslem. Zda je to přesné nebo přibližné, zda je proton stabilní nebo má konečnou, i když velmi dlouhou životnost, je předmětem samostatné diskuse.
Kvarky- jeden z druhů elementárních částic. Ve volném stavu se nepozorují, ale jsou vždy vzájemně spojeny a tvoří složené částice – hadrony. Jedinou výjimkou je t-kvark, který se rozpadá dříve, než se stihne spojit s jinými kvarky nebo antikvarky do hadronu. Mezi hadrony patří proton, neutron, mezony π, mezony K atd.
Kvark b je jedním ze šesti typů kvarků, druhý co do hmotnosti po kvarku t.
Mion je těžký nestabilní analog elektronu o hmotnosti m μ = 106 MeV. Životnost mionu T μ = 2·10 -6 sekund je dostatečně dlouhá na to, aby proletěl celým detektorem bez rozpadu.
Virtuální částice odlišný od reálná témata, že pro reálnou částici je obvyklý relativistický vztah mezi energií a hybností E 2 = p 2 s 2 + m 2 s 4 splněn, ale pro virtuální nikoliv. To je možné díky kvantově mechanickému vztahu ΔE·Δt ~ ħ mezi energetickou nejistotou ΔE a trváním procesu Δt. Proto se virtuální částice téměř okamžitě rozpadne nebo anihiluje s jinou (její životnost Δt je velmi krátká), zatímco skutečná žije znatelně déle nebo je obecně stabilní.
Posun úrovně jehněčího- mírná odchylka jemné struktury hladin atomu vodíku a atomů podobných vodíku vlivem emise a absorpce virtuálních fotonů nebo virtuálního vytváření a anihilace elektron-pozitronových párů. Efekt objevili v roce 1947 američtí fyzikové W. Lamb a R. Rutherford.
My, tým Quantuz, (pokoušíme se připojit ke komunitě GT) nabízíme náš překlad části webu částicadventure.org věnované Higgsovu bosonu. V tomto textu jsme vyloučili neinformativní obrázky (plná verze viz originál). Materiál bude zajímat všechny zájemce nejnovější úspěchy aplikovaná fyzika.
Role Higgsova bosonu
Higgsův boson byl poslední částicí objevenou ve standardním modelu. Toto je kritická součást teorie. Jeho objev pomohl potvrdit mechanismus, jak základní částice získávají hmotnost. Tyto základní částice ve standardním modelu jsou kvarky, leptony a částice přenášející sílu.teorie z roku 1964
V roce 1964 šest teoretických fyziků vyslovilo hypotézu o existenci nového pole (jako je elektromagnetické pole), které vyplňuje veškerý prostor a řeší kritický problém v našem chápání vesmíru.Nezávisle na sobě jiní fyzici vyvinuli teorii základních částic, nakonec nazvanou Standardní model, který poskytoval fenomenální přesnost (experimentální přesnost některých částí Standardního modelu dosahuje 1 ku 10 miliardám. To je ekvivalentní předpovědi vzdálenosti mezi New Yorkem a San Francisco s přesností asi 0,4 mm). Ukázalo se, že tyto snahy jsou úzce propojeny. Standardní model potřeboval mechanismus, aby částice získaly hmotnost. Teorii pole vyvinuli Peter Higgs, Robert Brout, Francois Englert, Gerald Guralnick, Carl Hagen a Thomas Kibble.
boson
Peter Higgs si uvědomil, že analogicky s jinými kvantovými poli musí existovat částice spojená s tímto novým polem. Musí mít spin rovný nule, a tedy být bosonem - částicí s celočíselným spinem (na rozdíl od fermionů, které mají polocelý spin: 1/2, 3/2 atd.). A skutečně se brzy stal známým jako Higgsův boson. Jeho jedinou nevýhodou bylo, že ho nikdo neviděl.Jaká je hmotnost bosonu?
Bohužel teorie, která boson předpovídala, nespecifikovala jeho hmotnost. Uplynuly roky, než se ukázalo, že Higgsův boson musí být extrémně těžký a s největší pravděpodobností mimo dosah zařízení postavených před Velkým urychlovačem hadronů (LHC).Pamatujte, že podle E=mc 2 platí, že čím větší je hmotnost částice, tím více energie je potřeba k jejímu vytvoření.
V době, kdy LHC v roce 2010 začal sbírat data, experimenty na jiných urychlovačích ukázaly, že hmotnost Higgsova bosonu by měla být větší než 115 GeV/c2. Během experimentů na LHC bylo plánováno hledat důkazy o bosonu v hmotnostním rozsahu 115-600 GeV/c2 nebo dokonce vyšším než 1000 GeV/c2.
Každý rok bylo experimentálně možné vyloučit bosony s ve větších masách. V roce 1990 bylo známo, že požadovaná hmotnost by měla být větší než 25 GeV/c2 a v roce 2003 se ukázalo, že byla větší než 115 GeV/c2.
Srážky ve velkém hadronovém urychlovači by mohly přinést spoustu zajímavých věcí
Dennis Overbye v New York Times hovoří o obnovení podmínek biliontiny sekundy po Velkém třesku a říká:« ...pozůstatky [exploze] v této části vesmíru nebyly vidět od doby, kdy se vesmír před 14 miliardami let ochladil - jaro života je pomíjivé, znovu a znovu v celé své šíři možné možnosti, jako by vesmír byl ve své vlastní verzi filmu Hromnice»
Jedním z těchto „zbytků“ může být Higgsův boson. Jeho hmotnost musí být velmi velká a musí se rozpadnout za méně než nanosekundu.
Oznámení
Po půlstoletí očekávání drama nabylo na intenzitě. Fyzici spali před posluchárnou, aby zaujali svá místa na semináři v laboratoři CERN v Ženevě.Deset tisíc mil odtud, na druhé straně planety, na prestižní mezinárodní konference v částicové fyzice v Melbourne stovky vědců z celého světa zeměkoule sešli, aby si vyslechli vysílání semináře ze Ženevy.
Nejprve se ale podívejme na pozadí.
Ohňostroj 4. července
Dne 4. července 2012 je představili vedoucí experimentů ATLAS a CMS na Large Hadron Collider nejnovější výsledky hledat Higgsův boson. Proslýchalo se, že budou hlásit víc než jen výsledkovou zprávu, ale co?Když byly výsledky prezentovány, obě spolupráce, které experimenty prováděly, samozřejmě oznámily, že našly důkazy o existenci částice „podobné Higgsovu bosonu“ o hmotnosti asi 125 GeV. Rozhodně to byla částice, a pokud to není Higgsův boson, tak je to jeho velmi kvalitní napodobenina.
Důkazy nebyly neprůkazné, vědci měli výsledky pěti sigma, což znamená, že pravděpodobnost, že data byla prostě statistická chyba, byla menší než jedna ku milionu.
Higgsův boson se rozpadá na jiné částice
Higgsův boson se rozpadá na další částice téměř okamžitě poté, co je vyroben, takže můžeme pozorovat pouze produkty jeho rozpadu. Nejběžnější rozpady (mezi těmi, které můžeme vidět) jsou znázorněny na obrázku:Každý rozpadový režim Higgsova bosonu je známý jako "rozpadový kanál" nebo "rozpadový režim". I když je režim bb běžný, mnoho dalších procesů produkuje podobné částice, takže pokud pozorujete rozpad bb, je velmi obtížné říci, zda jsou částice způsobeny Higgsovým bosonem nebo něčím jiným. Říkáme, že režim rozpadu bb má „široké pozadí“.
Nejlepšími rozpadovými kanály pro hledání Higgsova bosonu jsou kanály dvou fotonů a dvou Z bosonů.*
*(Technicky, pro hmotnost Higgsova bosonu 125 GeV není rozpad na dva bosony Z možný, protože boson Z má hmotnost 91 GeV, což způsobuje, že pár má hmotnost 182 GeV, tedy větší než 125 GeV. co pozorujeme, je rozpad na Z-boson a virtuální Z-boson (Z*), jejichž hmotnost je mnohem menší.)
Rozpad Higgsova bosonu na Z + Z
Z bosony mají také několik režimů rozpadu, včetně Z → e+ + e- a Z → µ+ + µ-.Režim rozpadu Z + Z byl pro experimenty ATLAS a CMS docela jednoduchý, přičemž oba bosony Z se rozkládaly v jednom ze dvou režimů (Z → e+ e- nebo Z → µ+ µ-). Obrázek ukazuje čtyři pozorované režimy rozpadu Higgsova bosonu:
Konečným výsledkem je, že někdy pozorovatel uvidí (kromě některých nevázaných částic) čtyři miony nebo čtyři elektrony nebo dva miony a dva elektrony.
Jak by vypadal Higgsův boson v detektoru ATLAS
V tomto případě se zdálo, že „výtrysk“ (výtrysk) klesá a Higgsův boson stoupá, ale téměř okamžitě se rozpadl. Každý obrázek kolize se nazývá „událost“.Příklad události s možným rozpadem Higgsova bosonu v podobě krásné animace srážky dvou protonů ve Velkém hadronovém urychlovači si ji můžete prohlédnout na zdrojovém webu na tomto odkazu.
V tomto případě může být vytvořen Higgsův boson, který se pak okamžitě rozpadne na dva Z bosony, které se zase okamžitě rozpadnou (zanechají dva miony a dva elektrony).
Mechanismus, který dává částicím hmotu
Objev Higgsova bosonu je neuvěřitelným vodítkem k tomu, jak základní částice získávají hmotnost, jak tvrdí Higgs, Brout, Engler, Gerald, Karl a Kibble. Co je to za mechanismus? Je to velmi složitá matematická teorie, ale je to tak hlavní myšlenka lze pochopit jednoduchou analogií.Představte si prostor zaplněný Higgsovým polem, jako skupina fyziků, kteří spolu klidně komunikují koktejly...
V jednu chvíli vstupuje Peter Higgs a vytváří vzrušení pohybem po místnosti a přitahuje skupinu fanoušků na každém kroku...
Před vstupem do místnosti se mohl profesor Higgs volně pohybovat. Po vstupu do místnosti plné fyziků se ale jeho rychlost snížila. Skupina fanoušků zpomalila jeho pohyb po místnosti; jinými slovy, získal hmotu. Toto je analogie s bezhmotnými částicemi, které získávají hmotnost při interakci s Higgsovým polem.
Ale jediné, co chtěl, bylo dostat se do baru!
(Myšlenka analogie patří prof. Davidu J. Millerovi z University College London, který získal cenu za dostupné vysvětlení Higgsova bosonu - © CERN)
Jak získá Higgsův boson svou vlastní hmotnost?
Na druhou stranu, jak se zprávy šíří po místnosti, tvoří také skupiny lidí, tentokrát však výhradně fyziků. Taková skupina se může pomalu pohybovat po místnosti. Stejně jako ostatní částice získává Higgsův boson hmotnost jednoduše interakcí s Higgsovým polem.Zjištění hmotnosti Higgsova bosonu
Jak zjistíte hmotnost Higgsova bosonu, pokud se rozpadne na jiné částice, než ho detekujeme?Pokud se rozhodnete sestavit jízdní kolo a chcete znát jeho hmotnost, měli byste sečíst hmotnosti dílů jízdního kola: dvě kola, rám, řídítka, sedlo atd.
Ale pokud chcete vypočítat hmotnost Higgsova bosonu z částic, na které se rozpadl, nemůžete hmotnosti jednoduše sečíst. Proč ne?
Sčítání hmotností částic rozpadu Higgsova bosonu nefunguje, protože tyto částice mají ve srovnání s klidovou energií obrovskou kinetickou energii (nezapomeňte, že pro částici v klidu E = mc 2). K tomu dochází v důsledku skutečnosti, že hmotnost Higgsova bosonu je mnohem větší než hmotnosti konečných produktů jeho rozpadu, takže zbývající energie jde někam, konkrétně do kinetické energie částic, které vznikají po rozpadu. Relativita nám říká, abychom použili níže uvedenou rovnici k výpočtu „invariantní hmotnosti“ sady částic po rozpadu, což nám dá hmotnost „rodiče“, Higgsova bosonu:
E2=p2c2+m2c4
Zjištění hmotnosti Higgsova bosonu z produktů jeho rozpadu
Poznámka Quantuz: zde si trochu nejsme jisti překladem, protože se jedná o speciální termíny. Pro jistotu doporučujeme porovnat překlad se zdrojem.Když mluvíme o rozpadu jako H → Z + Z* → e+ + E- + µ+ + µ-, pak by čtyři možné kombinace uvedené výše mohly vzniknout jak z rozpadu Higgsova bosonu, tak z procesů na pozadí, takže se musíme podívat na histogram celkové hmotnosti čtyř částic v těchto kombinacích.
Hmotnostní histogram naznačuje, že pozorujeme obrovské množství události a poznamenejte si počet těchto událostí, kdy je získána konečná invariantní hmotnost. Vypadá to jako histogram, protože hodnoty invariantní hmotnosti jsou rozděleny do sloupců. Výška každého sloupce ukazuje počet událostí, ve kterých je invariantní hmotnost v odpovídajícím rozsahu.
Mohli bychom si představit, že jde o výsledky rozpadu Higgsova bosonu, ale není tomu tak.
Data Higgsova bosonu z pozadí
Červené a fialové oblasti histogramu ukazují "pozadí", ve kterém se očekává, že počet čtyř leptonových událostí nastane bez účasti Higgsova bosonu.Modrá plocha (viz animace) představuje „signálovou“ předpověď, ve které počet čtyř-leptonových událostí naznačuje výsledek rozpadu Higgsova bosonu. Signál je umístěn v horní části pozadí, protože pro získání celkového předpokládaného počtu událostí jednoduše sečtete všechny možné výsledky událostí, které by mohly nastat.
Černé tečky ukazují počet pozorovaných událostí, zatímco černé čáry procházející tečkami představují statistickou nejistotu v těchto číslech. Nárůst dat (viz další snímek) při 125 GeV je známkou nové částice 125 GeV (Higgsův boson).
Animace vývoje dat pro Higgsův boson, jak se hromadí, je na původní webové stránce.
Signál Higgsova bosonu pomalu stoupá nad pozadí.
Data z Higgsova bosonu se rozpadají na dva fotony
Rozpad na dva fotony (H → γ + γ) má ještě širší pozadí, ale přesto je signál jasně odlišený.Toto je histogram invariantní hmotnosti pro rozpad Higgsova bosonu na dva fotony. Jak vidíte, pozadí je ve srovnání s předchozím grafem velmi široké. Je to proto, že existuje mnohem více procesů, které produkují dva fotony, než procesů, které produkují čtyři leptony.
Přerušovaná červená čára ukazuje pozadí a silná červená čára ukazuje součet pozadí a signálu. Vidíme, že data jsou v dobré shodě s novou částicí kolem 125 GeV.
Nevýhody prvního údaje
Data byla přesvědčivá, ale ne dokonalá a měla významná omezení. Do 4. července 2012 nebylo k dispozici dostatek statistik, aby bylo možné určit rychlost, jakou se částice (Higgsův boson) rozpadá na různé sady méně hmotných částic (takzvané „proporce větvení“) předpovídané Standardním modelem."Poměr větvení" je jednoduše pravděpodobnost, že se částice rozpadne přes daný rozpadový kanál. Tyto proporce jsou předpovězeny standardním modelem a měřeny opakovaným pozorováním rozpadů stejných částic.
Následující graf ukazuje nejlepší měření proporcí větvení, která můžeme provést od roku 2013. Protože se jedná o proporce předpovídané standardním modelem, je očekávání 1,0. Body jsou aktuální měření. Je zřejmé, že chybové úsečky (červené čáry) jsou většinou stále příliš velké na to, aby bylo možné vyvodit závažné závěry. Tyto segmenty se zkracují, když jsou přijímána nová data a body se mohou případně pohybovat.
Jak víte, že člověk pozoruje kandidátskou událost na Higgsův boson? Existují jedinečné parametry, které takové události odlišují.
Je částice Higgsovým bosonem?
Zatímco nová částice byla detekována, rychlost, s jakou k ní docházela, byla 4. července stále nejasná. Nebylo ani známo, zda objevená částice má správná kvantová čísla – tedy zda má spin a paritu vyžadovanou pro Higgsův boson.Jinými slovy, čtvrtého července částice vypadala jako kachna, ale potřebovali jsme se ujistit, že plave jako kachna a kváká jako kachna.
Všechny výsledky z experimentů ATLAS a CMS Velkého hadronového urychlovače (stejně jako urychlovače Tevatron ve Fermilabu) po 4. červenci 2012 ukázaly pozoruhodnou shodu s očekávanými proporcemi větvení pro pět výše diskutovaných režimů rozpadu a shodu s očekávaným spinem (rovná se nule) a parita (rovná se +1), což jsou základní kvantová čísla.
Tyto možnosti mají důležité určit, zda je nová částice skutečně Higgsovým bosonem nebo nějakou jinou neočekávanou částicí. Takže všechny dostupné důkazy ukazují na Higgsův boson ze standardního modelu.
Někteří fyzici to považovali za zklamání! Pokud je novou částicí Higgsův boson ze standardního modelu, pak je standardní model v podstatě kompletní. Jediné, co lze nyní udělat, je provádět měření s rostoucí přesností toho, co již bylo objeveno.
Ale pokud se ukáže, že nová částice je něčím, co standardní model nepředpokládá, otevře to dveře mnoha novým teoriím a nápadům, které je třeba otestovat. Neočekávané výsledky vždy vyžadují nová vysvětlení a pomáhají posunout teoretickou fyziku kupředu.
Odkud se ve vesmíru vzala hmota?
V běžné hmotě je převážná část hmoty obsažena v atomech, a přesněji řečeno, je obsažena v jádře složeném z protonů a neutronů.Protony a neutrony se skládají ze tří kvarků, které získávají svou hmotnost interakcí s Higgsovým polem.
ALE... hmotnosti kvarků přispívají asi 10 MeV, což je asi 1 % hmotnosti protonu a neutronu. Odkud tedy pochází zbývající hmota?
Ukazuje se, že protonová hmota vzniká v důsledku kinetická energie jeho základní kvarky. Jak samozřejmě víte, hmotnost a energie spolu souvisí rovností E=mc 2.
Higgsovu mechanismu tedy náleží pouze malý zlomek hmotnosti běžné hmoty ve vesmíru. Jak však uvidíme v další části, vesmír by byl bez Higgsovy hmoty zcela neobyvatelný a nebyl by nikdo, kdo by Higgsův mechanismus objevil!
Kdyby nebylo Higgsovo pole?
Kdyby neexistovalo Higgsovo pole, jaký by byl vesmír?Není to tak zřejmé.
Rozhodně by nic nesvázalo elektrony v atomech. Rozletěly by se od sebe rychlostí světla.
Ale kvarky jsou vázány silnou interakcí a nemohou existovat ve volné formě. Některé vázané stavy kvarků by mohly být zachovány, ale u protonů a neutronů to není jasné.
To vše by pravděpodobně byla záležitost podobná jaderné elektrárně. A možná se to všechno zhroutilo v důsledku gravitace.
Fakt, kterým jsme si jisti: Vesmír by byl studený, temný a bez života.
Higgsův boson nás tedy zachraňuje před chladným, temným vesmírem bez života, kde nejsou žádní lidé, kteří by Higgsův boson objevili.
Je Higgsův boson bosonem ze standardního modelu?
Víme jistě, že částice, kterou jsme objevili, je Higgsův boson. Víme také, že je velmi podobný Higgsovu bosonu ze Standardního modelu. Existují však dva body, které stále nejsou prokázány:1. Navzdory skutečnosti, že Higgsův boson pochází ze Standardního modelu, existují malé nesrovnalosti naznačující existenci nové fyziky (v současnosti neznámé).
2. Existuje více než jeden Higgsův boson s různou hmotností. To také naznačuje, že budou existovat nové teorie k prozkoumání.
Teprve čas a nová data odhalí buď čistotu Standardního modelu a jeho bosonu, nebo nové vzrušující fyzikální teorie.