Именная частица: физика конца света

Изучение частиц началось недавно. Во второй половине 90-ых годов XIX века Джозеф Джон Томсон открыл электрон, а через 2 десятилетия Эрнест Резерфорд доказал, что ядра водорода входят в состав ядер других элементов, и позднее назвал их протонами. В 1930-х были обнаружены нейтрон, позитрон и мюон и предсказано существование нейтрино.

Тогда же Хидеки Юкава выстроил теорию ядерных сил, переносимых гипотетическими частицами в много раз тяжелее электрона, но большое количество легче протона (мезонами). Во второй половине 40-ых годов двадцатого века следы распадов пи-мезонов (пионов) нашли на фотопластинках, экспонированных в космических лучах. Позднее нашли и другие мезоны, причем кое-какие из них тяжелее не только протона, но и ядра гелия.

Физики кроме этого открыли множество барионов, тяжелых и исходя из этого нейтрона и нестабильных родственников протона. Когда-то все эти частицы именовали элементарными, но такая терминология в далеком прошлом устарела. на данный момент элементарными принято вычислять лишь несоставные частицы — фермионы (с половинным поясницей — кварки и лептоны) и бозоны (с целочисленным поясницей — переносчики фундаментальных сотрудничеств).

Личные заглавия элементарных и составных частиц в большинстве случаев не связаны с именами конкретных ученых. Но практически 40 лет назад была предсказана еще одна элементарная частица, которой присвоили имя живого человека, шотландского физика Питера Хиггса. Подобно переносчикам фундаментальных сотрудничеств, она имеет целочисленный спин и принадлежит к классу бозонов.

Но спин ее равен не 1, а 0, и в этом отношении у нее нет аналогов. Вот уже десятки лет ее ищут на самых больших ускорителях — закрытом в прошедшем сезоне американском «Тэватроне» и функционирующем на данный момент Громадном адронном коллайдере под вниманием мировых СМИ. Так как бозон Хиггса весьма нужен современной теории микромира — Стандартной модели элементарных частиц.

В случае если его не удастся найти, главные положения данной теории зависнут в воздухе.

Калибровочные симметрии

Начало пути к бозону Хиггса возможно отсчитывать от маленькой статьи, размещённой в 1954 году перебравшимся в Соединенных Штатах китайским физиком Янг Чжэньнином и его сотрудником по Брукхэйвенской национальной лаборатории Робертом Миллсом. В те годы экспериментаторы открывали все новые и новые частицы, изобилие которых никак не получалось растолковать. В отыскивании перспективных идей Янг и Миллс решили опробовать возможности весьма увлекательной симметрии, которой подчиняется квантовая электродинамика.

К тому времени эта теория доказала собственную свойство давать великолепно согласующиеся с опытом результаты. Действительно, на протяжении некоторых вычислений в том месте появляются бесконечности, но от них возможно избавляться посредством математической процедуры, названной перенормировкой.

Симметрию, заинтересовавшую Янга и Миллса, в 1918 году ввел в физику германский математик Герман Вейль. Он назвал ее калибровочной, и это наименование сохранилось до наших дней. В квантовой электродинамике калибровочная симметрия проявляется в том, что волновую функцию свободного электрона, которая является векторомс вещественной и мнимой частью, возможно непрерывно поворачивать в каждой точке пространства — времени (почему симметрия именуется локальной).

Эта операция (на формальном языке — изменение фазы волновой функции) ведет к тому, что в уравнении перемещения электрона появляются добавки, каковые нужно скомпенсировать, дабы оно сохранило силу. Для этого в том направлении вводится дополнительный член, что обрисовывает электромагнитное поле, взаимодействующее с электроном. Квантом этого поля оказывается фотон, безмассовая частица с единичным поясницей.

Так из локальной калибровочной симметрии уравнения свободного электрона направляться существование фотонов (и и постоянство электронного заряда). Возможно заявить, что эта симметрия предписывает электрону взаимодействовать с электромагнитным полем. Любой фазовый сдвиг делается актом для того чтобы сотрудничества — к примеру, испусканием либо поглощением фотона.

Сообщение калибровочной симметрии с электромагнетизмом была распознана еще в 1920-е годы, но особенного интереса не вызывала. Янг и Миллс первыми постарались применить эту симметрию для конструирования уравнений, обрисовывающих частицы другой природы, нежели электрон. Они занялись двумя «ветшайшими» барионами — нейтроном и протоном. Хоть эти частицы и не тождественны, но по отношению к ядерным силам они ведут себя фактически одинаково и имеют практически однообразную массу.

В первой половине 30-ых годов двадцатого века Вернер Гейзенберг продемонстрировал, что нейтрон и протон возможно формально вычислять разными состояниями одной и той же частицы. Для их описания он ввел новое квантовое число, изотопический спин. Потому, что сильное сотрудничество не делает различий между нейтронами и протонами, оно сохраняет полный изотопический спин, подобно тому как электромагнитное сотрудничество сохраняет заряд.

Янг и Миллс задались вопросом, какие конкретно локальные калибровочные преобразования сохраняют изоспиновую симметрию. Было ясно, что они не смогут совпадать с калибровочными преобразованиями квантовой электродинамики — хотя бы вследствие того что обращение шла уже о двух частицах. Янг и Миллс проанализировали совокупность таких преобразований и узнали, что они порождают поля, чьи кванты предположительно переносят сотрудничества между нейтронами и протонами.

Квантов в этом случае было три: два заряженных (положительно и отрицательно) и один нейтральный. Они имели единичный спин и нулевую массу (другими словами были векторными бозонами) и перемещались со скоростью света.

Теория B-полей, как их назвали соавторы, была весьма прекрасна, но не выдерживала опробования опытом. Нейтральный B-бозон возможно было отождествить с фотоном, но его заряженные собратья оставались не при деле. В соответствии с квантовой механике, посредниками в переносе короткодействующих сил смогут быть только достаточно массивные виртуальные частицы. Радиус ядерных сил не превышает 10−13 см, и безмассовые бозоны Янга и Миллса очевидно не могли претендовать на роль их переносчиков.

К тому же экспериментаторы ни при каких обстоятельствах не регистрировали таких частиц, не смотря на то, что в принципе заряженные безмассовые бозоны легко найти. Янг и Миллс доказали, что локальные калибровочные симметрии «на бумаге» смогут порождать силовые поля неэлектромагнитной природы, но физическая действительность этих полей была чистой догадкой.

Электрослабое двуединство

Следующий ход к бозону Хиггса был сделан во второй половине 50-ых годов XX века. К тому времени теоретики (тот же Янг и Ли Дзундао) предположили, а экспериментаторы доказали, что при бета-распадах не сохраняется четность (в противном случае говоря, нарушается зеркальная симметрия). Данный неожиданный итог заинтересовал многих физиков, среди которых был и Джулиан Швингер, один из создателей квантовой электродинамики.

Он выдвинул догадку, что не сильный сотрудничества между лептонами (до кварков тогда наука еще не дошла!) переносятся тремя векторными бозонами — парой и фотоном заряженных частиц, подобных B-бозонам. Из этого следовало, что эти сотрудничества пребывают в партнерстве с электромагнитными силами. Швингер данной проблемой больше не занимался, но внес предложение ее собственному аспиранту Шелдону Глэшоу.

Работа растянулась на четыре года. По окончании последовательности попытокГлэшоу выстроил модель не сильный и электромагнитного сотрудничеств, основанную на объединении калибровочных симметрий полей и электромагнитного поля Янга и Миллса. Кроме фотона в ней фигурировали еще три векторных бозона — два заряженных и один нейтральный. Но эти частицы опять-таки имели нулевую массу, что создавало проблему.

У не сильный сотрудничества радиус на два порядка меньше, чем у сильного, и ему тем более требуются весьма массивные посредники. К тому же наличие нейтрального переносчика потребовало допустить возможность бета-переходов, не меняющих заряда, а в то время такие не были известны. Вследствие этого по окончании публикации собственной модели в конце 1961 года Глэшоу утратил интерес к объединению не сильный и электромагнитного сотрудничеств и переключился на другие темы.

Догадка Швингера заинтересовала и пакистанского теоретика Абдуса Салама, что вместе с Джоном Уордом выстроил модель, похожую на модель Глэшоу. Он также столкнулся с безмассовостью калибровочных бозонов а также придумал метод ее устранения.

Салам знал, что их массы нельзя ввести «от руки», потому, что теория становилась ненормируемой, но рассчитывал обойти это затруднение посредством спонтанного нарушения симметрии, так дабы решения уравнений перемещения бозонов не владели калибровочной симметрией, присущей самим уравнениям. Данной задачей он заинтересовал американца Стивена Вайнберга.

Но в первой половине 60-ых годов XX века британский физик Джефри Голдстоун продемонстрировал, что в релятивистских квантовых теориях поля спонтанное нарушение симметрии помой-му неизбежно порождает безмассовые частицы. Салам и Вайнберг постарались опровергнуть теорему Голдстоуна, но только усилили ее в собственной работе. Тайная смотрелась неразрешимой, и они занялись вторыми областями физики.

Хиггс и другие

Помощь пришла от экспертов по физике конденсированных сред. В первой половине 60-ых годов XX века Ёитиро Намбу подчернул, что при переходе обычного металла в сверхпроводящее состояние прошлая симметрия спонтанно нарушается, но наряду с этим не появляется никаких безмассовых частиц. Спустя два года Филип Андерсон на том же примере подчернул, что в случае если электромагнитное поле не подчиняется теореме Голдстоуна, то того же возможно ожидать и от вторых калибровочных полей с локальной симметрией.

Он кроме того предсказал, что голдстоуновские бозоны и бозоны полей Янга и Миллса смогут как-то ликвидировать друг друга, оставляя по окончании себя массивные частицы.

Данный прогноз был пророческим. В первой половине 60-ых годов двадцатого века его оправдали физики из брюссельского Свободного университета Франсуа Энглерт и Роджер Броут, Питер Хиггс и сотрудники английского Имперского колледжа Джерри Гуральник, Роберт Томас и Хаген Киббл. Они не только продемонстрировали, что в полях Янга-Миллса не соблюдаются условия применимости теоремы Голдстоуна, но и нашли метод снабдить возбуждения этих полей ненулевой массой, что на данный момент именуют механизмом Хиггса.

Эти превосходные работы увидели и оценили отнюдь не сходу. Только во второй половине 60-ых годов XX века Вайнберг выстроил единую модель электрослабого сотрудничества, в которой тройка векторных бозонов приобретает массу на базе механизма Хиггса, а годом позднее это же сделал и Салам. В первой половине 70-ых годов двадцатого века голландцы Мартинус Велтман и Герард ‘т Хоофт доказали, что эта теория поддается перенормировке и, следовательно, имеет четкий физический суть.

Она прочно поднялась на ноги по окончании 1973 года, в то время, когда в пузырьковой камере Gargamelle (CERN, Швейцария) экспериментаторы зарегистрировали так именуемые не сильный нейтральные токи, говорящие о существовании незаряженного промежуточного бозона (прямая регистрация всех трех векторных бозонов была осуществлена в CERN только в 1982 — 1983 годах). Глэшоу, Вайнберг и Салам взяли за нее Нобелевские премии во второй половине 70-ых годов двадцатого века, Велтман и ‘т Хоофт — в 1999. Эта теория (а вместе с бозон и нею Хиггса) уже давно стала неотъемлемым элементом Стандартной модели элементарных частиц.

Механизм Хиггса

В базе механизма Хиггса лежат скалярные поля с бесспиновыми квантами — хиггсовские бозоны. Как полагают, они появились спустя мгновения по окончании Громадного взрыва и сейчас заполняют всю Вселенную. Такие поля владеют мельчайшей энергией при ненулевой величине — это и имеется их устойчивое состояние.

Часто пишут, что элементарные частицы обретают массу в следствии торможения хиггсовским полем, но это чересчур механистическая аналогия. В теории электрослабого сотрудничества фигурируют четыре хиггсовских поля (каждое со собственными квантами) и четыре векторных бозона — два нейтральных и два заряженных, каковые сами по себе не имеют массы.

Три бозона, оба заряженных и один нейтральный, поглощают по одному хиггсу и в следствии обретают способность и массу переносить короткодействующие силы (их обозначают знаками W+, W- и Z0). Последний бозон ничего не поглощает и остается безмассовым — это фотон. «Съеденные» хиггсы ненаблюдаемы (физики их именуют «духами»), тогда как их четвертый собрат обязан наблюдаться при энергиях, достаточных для его рождения. В общем, это как раз те процессы, каковые ухитрился угадать Андерсон.

Неуловимая частица

Первые важные попытки отловить бозон Хиггса были предприняты на рубеже ХХ и ХХI столетий на Громадном электронно-позитронном коллайдере (Large Electron-Positron Collider, LEP) в ЦЕРНе. Эти опыты стали воистину лебединой песней превосходной установки, на которой с беспрецедентной точностью были выяснены массы и времена судьбы тяжелых векторных бозонов.

Стандартная модель разрешает угадать каналы распадов и рождений хиггсовского бозона, но не дает возможности вычислить его массу (которая, к слову, появляется из его способности к самодействию). По самым неспециализированным оценкам, она не должна быть меньше 8−10 ГэВ и больше 1000 ГэВ. К началу сеансов на LEP большая часть физиков полагало, что вероятнее диапазон образовывает 100−250 ГэВ.

Опыты LEP подняли нижний порог до 114,4 ГэВ. Многие эксперты вычисляли и уверены в том, что если бы данный ускоритель проработал продолжительнее и процентов на десять увеличил энергию сталкивающихся пучков (что было технически вероятно), бозон Хиггса удалось бы зарегистрировать. Но управление ЦЕРН не захотело отсрочить запуск Громадного адронного коллайдера, что предстояло соорудить в этом же туннеле, и в конце 2000 года LEP был закрыт.

Следующие циклы поисков проводили на «Тэватроне» (на детекторах CDF и DZero) и на БАК. Как поведал «ПМ» Дмитрий Денисов, один из начальников коллаборации DZero, «Тэватрон» начал набирать статистику по хиггсам в 2007 году: «Хоть энергии и хватало, трудностей было много. Столкновение позитронов и электронов — самый «чистый» метод отловить хиггс, поскольку эти частицы не владеют внутренней структурой.

К примеру, при аннигиляции высокоэнергетичной электронно-позитронной пары рождается Z0-бозон, что излучает хиггс без всякого фона (действительно, в этом случае вероятны реакции и погрязнее). Мы же сталкивали антипротоны и протоны, рыхлые частицы, складывающиеся из глюонов и кварков. Так что основная задача — выделить рождение хиггса на фоне множества похожих реакций.

Подобная неприятность существует и у команд БАК».

«В декабре 2011 года с БАК пришли новые сообщения, — продолжает Дмитрий Денисов. — В том месте искали распады хиггса или на top-его антикварк и кварк, каковые аннигилируют и преобразовываются в несколько гамма-квантов, или на два Z0-бозона, любой из которых распадается на позитрон и электрон либо мюон и антимюон. Полученные эти разрешают высказать предположение, что бозон Хиггса тянет приблизительно на 124−126 ГэВ, но для окончательных выводов этого не хватает.

на данный момент и отечественные коллаборации, и физики в ЦЕРН анализируютэкспериментальные результаты. Нельзя исключать, что мы и они не так долго осталось ждать придем к новым выводам, каковые 4 марта будут представлены на интернациональной конференции в Итальянских Альпах, и я предчувствую, что скучать в том месте не придется».

Бозон Хиггса и финиш света

Итак, в текущем году возможно ожидать или открытия бозона Хиггса Стандартной модели, или его, так сообщить, аннулирования. Очевидно, второй вариант создаст потребность в новых физических моделях, но это же может случиться и в первом случае! По крайней мере так вычисляет один из самых авторитетных экспертов в данной области, доктор наук английского Королевского колледжа Джон Эллис.

Согласно его точке зрения, открытие «легкого» (не массивней 130 ГэВ) бозона Хиггса создаст неприятную проблему для космологии. Оно будет означать, что отечественная Вселенная нестабильна и когда-нибудь (быть может, кроме того в любую секунду) перейдет в новое состояние с меньшей энергией. Тогда произойдёт финиш света — в самом полном значении этого слова.

Остается сохранять надежду, что или бозон Хиггса не отыщут, или Эллис ошибается, или Мироздание малость повременит с суицидом.

Элементарные частицы Стандартной модели

Фермионная несколько (с полуцелым поясницей) складывается из кварков и лептонов так называемых трех поколений. Заряженные лептоны — это электрон и его массивные аналоги мюон и тау-частица (и их античастицы). У каждого лептона имеется нейтральный партнер в лице одной из трех разновидностей нейтрино (также с античастицами). Семейство бозонов, спин которых равен 1, — это частицы, переносящие сотрудничества между лептонами и кварками.

Кое-какие из них не имеют электрического заряда и массы — это глюоны, снабжающие межкварковые связи в барионах и мезонах, и фотоны, кванты электромагнитного поля. не сильный сотрудничества, проявляющиеся в процессах бета-распада, снабжает тройка массивных частиц — двух заряженных и одной нейтральной.

Следы невиданных зверей

Сам бозон Хиггса невидим, но его возможно найти по «отпечаткам пальцев», другими словами по характерной картине распада. Существует множество вариантов распада, каковые в зависимости от массы бозона имеют разные возможности, продемонстрированные кривыми на приведенном графике. Громаднейшую возможность имеют каналы распада бозона Хиггса на самые массивные пары частица-античастица: скажем, в районе 120 ГэВ это будут пары b-кварк-антикварк и WW.

Существует четыре главных метода (как говорят физики, канала) рождения бозона Хиггса.

Главный канал — это слияние глюонов (gg) при столкновении антипротонов и протонов, каковые взаимодействуют при помощи петель тяжелых топ-кварков. Второй канал — это слияние виртуальных векторных бозонов WW либо ZZ (WZ), излучаемых и поглощаемых кварками. Третий канал рождения бозона Хиггса — это так именуемое ассоциативное рождение (совместно с W- либо Z-бозоном).

Данный процесс время от времени именуют Higgsstrahlung (по аналогии с германским термином bremsstrahlung — тормозное излучение). И наконец, четвертый — слияние топ-антикварка и кварка (ассоциативное рождение совместно с топ-кварками, tt) из двух топ-кварк-антикварковых пар, порожденных глюонами.

Загон для бозона

Бессчётные опыты друг за другом исключали вероятные диапазоны весов бозона Хиггса. На ускорителе LEP был установлен нижний порог — 114,4 ГэВ. На «Тэватроне» исключили массы, превышающие 150 ГэВ.

Позднее диапазоны весов были уточнены до промежутка 115−135 ГэВ, а в ЦЕРН на Громадном адронном коллайдере переместили верхнюю границу до 130 ГэВ. Так что бозон Хиггса Стандартной модели, если он существует, замкнут в достаточно узкие границы весов.

Наделяя массой

Механизм Хиггса возможно обрисовать и по-второму. Потому, что все четыре векторных бозона изначально безмассовы и постоянно обладают световой скоростью, их волновые функции колеблются лишь в плоскости, перпендикулярной направлению перемещения. По окончании поглощения хиггсовских частиц бозоны W+, W- и Z0 обретают дополнительные волновые компоненты, осциллирующие на протяжении направления скорости.

Эти продольные волны придают частицам инерционность и, следовательно, наделяют массой.

Изначально механизм Хиггса был использован для интерпретации происхождения массы у векторных бозонов теории электрослабых сотрудничеств. Позднее с его помощью в теорию ввели массы кварков и заряженных лептонов, и безмассовость глюонов. Он был нужным и для понимания массы нейтрино, и для объяснения смешивания кварков разных семейств. Хиггсовские частицы появляются и в рамках разных обобщений Стандартной модели, причем в больших количествах.

В общем, их нынешняя популярность в полной мере заслужена.

В случае если его не отыщут

Кроме того в случае если бозон Хиггса не отыщут, это, по словам Дмитрия Денисова, не будет для физиков трагедией: «Механизм Хиггса — это прекрасная математическая модель, но все же не истина в последней инстанции. Он разрешает разумным образом приписать массы элементарным частицам, но не дает возможности их вычислить. Эти массы пропорциональны константам связи хиггсовского поля с самими частицами, каковые приходится вводить на базе экспериментальных данных.

Открытие бозона Хиггса стало бы огромным успехом, но кроме того в случае если этого не случится, теоретики придумают что-нибудь новенькое».

Статья размещена в издании «Популярная меха

Случайные записи:

• Российский астроном открыл новую комету
• Первая секунда жизни вселенной: что тогда произошло?

Что случилось с антиматерией?

Похожие статьи, которые вам понравятся:

Огромный 15-метровый электромагнит собран, охлажден и готов к проведению исследований в области физики элементарных частиц

Представители Национальной лаборатории ускорителей имени Ферми (Fermi National Accelerator Laboratory) заявили о том, что огромный 680-тонный…