Bozon Higgsa - Higgs boson

bozon Higgsa
Kandydaci Higgs Events w ATLAS i CMS.png
Kandydat Higgs wydarzenia BOSON z kolizji między protonami w LHC . Najwyższe zdarzenie w eksperymencie CMS pokazuje rozpad na dwa fotony (przerywane żółte linie i zielone wieże). Dolne zdarzenie w eksperymencie ATLAS pokazuje rozpad na cztery miony (czerwone ślady).
Kompozycja Cząstka elementarna
Statystyka bozonowy
Status Cząstka o masie 125 GeV została odkryta w 2012 roku i później potwierdzono, że jest to bozon Higgsa z dokładniejszymi pomiarami.
(Patrz: Aktualny stan )
Symbol
h0
Teoretyzowana R. Brout , F. Englert , P. Higgs , GS Guralnik , CR Hagen i TWB Kibble (1964)
Odkryty Wielki Zderzacz Hadronów (2011-2013)
Masa 125,10 ± 0,14 GeV/ c 2
Średnia żywotność 1,56 × 10 -22  s (przewidywane)
Rozpada się na
Ładunek elektryczny 0 e
Opłata kolor 0
Kręcić się 0
Słaba izospina 1/2
Słaby hypercharge +1
Parytet +1

Bozon Higgsa to cząstka elementarna w Modelu Standardowego w fizyce cząstek wytwarzanych przez wzbudzenie kwantów pola Higgsa, jednego z pól w fizyce cząstek teorii. W Modelu Standardowym cząstka Higgsa jest masywnym bozonem skalarnym o zerowym spinie , bez ładunku elektrycznego i bez ładunku kolorowego . Jest również bardzo niestabilny, niemal natychmiast rozpadając się na inne cząstki.

Jego nazwa pochodzi od fizyka Petera Higgsa , który w 1964 roku wraz z pięcioma innymi naukowcami zaproponował mechanizm Higgsa, aby wyjaśnić, dlaczego niektóre cząstki mają masę . (Cząstki uzyskują masę na kilka sposobów, ale pełne wyjaśnienie wszystkich cząstek było niezwykle trudne.) Mechanizm ten wymagał istnienia cząstki bez spinu znanej jako bozon o właściwościach opisanych przez teorię mechanizmu Higgsa. Ta cząstka została nazwana bozonem Higgsa.

W 2012 roku cząstka subatomowa o oczekiwanych właściwościach została odkryta w eksperymentach ATLAS i CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN pod Genewą w Szwajcarii. Następnie potwierdzono, że nowa cząstka odpowiada oczekiwanym właściwościom bozonu Higgsa.

10 grudnia 2013 r. dwóch fizyków, Peter Higgs i François Englert , otrzymało Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za swoje teoretyczne przewidywania. Chociaż nazwisko Higgsa zaczęło być kojarzone z tą teorią (mechanizm Higgsa), kilku badaczy w latach 1960-1972 niezależnie opracowało różne jej części.

W mediach głównego nurtu bozon Higgsa jest często nazywany „ boską cząstką ” z książki The God Particle napisanej w 1993 roku przez laureata Nagrody Nobla Leona Ledermana , chociaż wielu fizyków nie popiera tego przydomka.

Wstęp

Model standardowy

Fizycy wyjaśniają właściwości sił między cząstkami elementarnymi za pomocą Modelu Standardowego  – powszechnie akceptowanej struktury pozwalającej zrozumieć prawie wszystko w fizyce fundamentalnej poza grawitacją . (Oddzielna teoria, ogólna teoria względności , jest używana dla grawitacji.) W tym modelu podstawowe siły w przyrodzie wynikają z właściwości naszego wszechświata, zwanych niezmienniczością cechowania i symetriami . Siły są przenoszone przez cząstki znane jako bozony cechowania .

Zagadnienie masy miarowej bozonu

Teorie pola były używane z wielkim sukcesem w zrozumieniu pola elektromagnetycznego i silnego oddziaływania , ale około 1960 r. wszystkie próby stworzenia teorii niezmiennika cechowania dla siły słabej (i jej kombinacji z elektromagnetyzmem sił fundamentalnych , oddziaływaniem elektrosłabym ) konsekwentnie nie powiodła się, w wyniku czego teorie z cechowaniem zaczęły tracić reputację. Problem polegał na tym, że teoria niezmiennika cechowania zawiera wymagania dotyczące symetrii , a te błędnie przewidziały, że bozony cechowania ( W i Z ) siły słabej powinny mieć zerową masę. Z eksperymentów wiadomo, że mają niezerową masę. Oznaczało to, że albo niezmienność cechowania była nieprawidłowym podejściem, albo coś innego – nieznanego – nadało tym cząstkom ich masę. Pod koniec lat pięćdziesiątych fizycy nie rozwiązali tych problemów i nadal nie byli w stanie stworzyć kompleksowej teorii fizyki cząstek elementarnych, ponieważ wszystkie próby rozwiązania tego problemu stwarzały tylko więcej problemów teoretycznych.

Łamanie symetrii

Pod koniec lat pięćdziesiątych Yoichiro Nambu zauważył, że spontaniczne łamanie symetrii , proces, w którym system symetryczny kończy się w stanie asymetrycznym, może wystąpić w pewnych warunkach. W 1962 roku fizyk Philip Anderson pracujący w dziedzinie fizyki materii skondensowanej zauważył, że łamanie symetrii odgrywa rolę w nadprzewodnictwie i może mieć związek z problemem niezmienności cechowania w fizyce cząstek elementarnych. W 1963 wykazano, że jest to teoretycznie możliwe, przynajmniej w niektórych ograniczonych ( nierelatywistycznych ) przypadkach.

Mechanizm Higgsa

Po pracach z 1962 i 1963 roku trzy grupy badaczy niezależnie opublikowały prace łamiące symetrię PRL z 1964 roku z podobnymi wnioskami i we wszystkich przypadkach, a nie tylko w niektórych ograniczonych przypadkach. Wykazali, że warunki dla symetrii elektrosłabej zostałyby „naruszone”, gdyby we wszechświecie istniał nietypowy typ pola , i rzeczywiście, niektóre fundamentalne cząstki osiągnęłyby masę . Wymagane do tego pole (które było wówczas czysto hipotetyczne) stało się znane jako pole Higgsa (od Petera Higgsa , jednego z badaczy), a mechanizm, dzięki któremu doprowadziło do złamania symetrii, znany jako mechanizm Higgsa . Kluczową cechą niezbędnego pola jest to, że zajęłoby mniej energii, aby pole miało wartość niezerową niż zero, w przeciwieństwie do wszystkich innych znanych pól, dlatego pole Higgsa ma wartość niezerową (lub oczekiwaną próżnię ) wszędzie . Ta niezerowa wartość mogłaby teoretycznie złamać symetrię elektrosłabą. Była to pierwsza propozycja zdolna do wykazania, w jaki sposób słabe bozony cechowania siły mogą mieć masę pomimo ich rządzącej symetrii, w ramach teorii niezmiennika cechowania.

Chociaż idee te nie zyskały początkowego poparcia ani uwagi, do roku 1972 rozwinęły się w wszechstronną teorię i okazały się zdolne do dawania „rozsądnych” wyników, które dokładnie opisywały znane w tamtym czasie cząstki i które z wyjątkową dokładnością przewidziały kilka innych cząstki odkryte w następnych latach . W latach siedemdziesiątych teorie te szybko stały się modelem standardowym fizyki cząstek elementarnych.

Pole Higgsa

Model Standardowy zawiera pole potrzebne do „przełamania” symetrii elektrosłabej i nadania cząstkom właściwej masy. To pole, zwane "Polem Higgsa", istnieje w przestrzeni i łamie pewne prawa symetrii oddziaływania elektrosłabego , uruchamiając mechanizm Higgsa. Powoduje to, że bozony cechowania W i Z słabego oddziaływania są masywne we wszystkich temperaturach poniżej ekstremalnie wysokiej wartości. Gdy bozony o słabej sile nabierają masy, wpływa to na odległość, jaką mogą swobodnie pokonywać, która staje się bardzo mała, co również odpowiada odkryciom doświadczalnym. Co więcej, później zdano sobie sprawę, że to samo pole wyjaśniałoby w inny sposób, dlaczego inne podstawowe składniki materii (w tym elektrony i kwarki ) mają masę.

W przeciwieństwie do wszystkich innych znanych pól, takich jak pole elektromagnetyczne, pole Higgsa jest polem skalarnym i ma niezerową średnią wartość w próżni .

„Centralny problem”

Nie było jeszcze żadnych bezpośrednich dowodów na istnienie pola Higgsa, ale nawet bez dowodu na istnienie pola Higgs dokładność jego przewidywań doprowadziła naukowców do przekonania, że ​​teoria może być prawdziwa. W latach 80. pytanie, czy pole Higgsa istniało, a zatem czy cały Model Standardowy jest poprawny, zaczęło być uważane za jedno z najważniejszych pytań bez odpowiedzi w fizyce cząstek elementarnych .

Przez wiele dziesięcioleci naukowcy nie mieli możliwości ustalenia, czy pole Higgsa istniało, ponieważ technologia potrzebna do jego wykrywania wówczas nie istniała. Gdyby pole Higgsa istniało, byłoby niepodobne do żadnego innego znanego pola fundamentalnego, ale możliwe było również, że te kluczowe idee, a nawet cały Model Standardowy, były w jakiś sposób niepoprawne.

Hipotetyczny mechanizm Higgsa dokonał kilku dokładnych przewidywań. Jedną z kluczowych prognoz było to, że pasująca cząstka zwana „bozonem Higgsa” powinna również istnieć. Udowodnienie istnienia bozonu Higgsa może udowodnić istnienie pola Higgsa, a zatem ostatecznie udowodnić, czy wyjaśnienie Modelu Standardowego było poprawne. Dlatego rozpoczęto szeroko zakrojone poszukiwania bozonu Higgsa , jako sposobu na udowodnienie istnienia samego pola Higgsa.

Istnienie pola Higgsa stało się ostatnią niezweryfikowaną częścią Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych i przez kilkadziesiąt lat było uważane za „centralny problem w fizyce cząstek elementarnych”.

Wyszukiwanie i odkrywanie

Chociaż pole Higgsa istnieje wszędzie, udowodnienie jego istnienia nie było łatwe. Zasadniczo można udowodnić, że istnieje, wykrywając jego wzbudzenia , które manifestują się jako cząstki Higgsa ( bozon Higgsa ), ale są one niezwykle trudne do wytworzenia i wykrycia, ze względu na energię potrzebną do ich wytworzenia i ich bardzo rzadką produkcję, nawet jeśli energia jest wystarczająca. Dlatego minęło kilkadziesiąt lat, zanim znaleziono pierwszy dowód na istnienie bozonu Higgsa. Opracowanie zderzaczy cząstek , detektorów i komputerów zdolnych do wyszukiwania bozonów Higgsa zajęło ponad 30 lat (ok. 1980-2010) .

Znaczenie tej fundamentalnej kwestii doprowadziło do poszukiwania 40-letniej , a budowa jednego z najbardziej drogich i skomplikowanych obiektów doświadczalnych do tej pory, CERN jest Wielki Zderzacz Hadronów , w próbie stworzenia bozony Higgsa i innych cząstek do obserwacji i uczyć się. 4 lipca 2012 r. odkryto nową cząstkę o masie od 125 doogłoszono 127  GeV/ c 2 ; fizycy podejrzewali, że był to bozon Higgsa. Od tego czasu wykazano, że cząstka zachowuje się, oddziałuje i rozpada na wiele sposobów przewidzianych dla cząstek Higgsa przez Model Standardowy, a także ma parzystość i zerowy spin , dwa podstawowe atrybuty bozonu Higgsa. Oznacza to również, że jest to pierwsza elementarna cząstka skalarna odkryta w przyrodzie.

Do marca 2013 r. potwierdzono istnienie bozonu Higgsa, a zatem koncepcja pewnego rodzaju pola Higgsa w przestrzeni jest silnie wspierana.

Obecność pola, obecnie potwierdzona badaniami eksperymentalnymi, wyjaśnia, dlaczego niektóre cząstki elementarne mają masę , pomimo symetrii kontrolujących ich interakcje, co sugeruje, że powinny być bezmasowe. Rozwiązuje również kilka innych od dawna zagadek, takich jak przyczyna ekstremalnie krótkiej odległości przebytej przez bozony o słabej sile , a zatem bardzo krótki zasięg słabej siły.

Od 2018 r. dogłębne badania pokazują, że cząstka nadal zachowuje się zgodnie z przewidywaniami dla bozonu Higgsa Modelu Standardowego. Potrzebne są dalsze badania, aby z większą precyzją zweryfikować, czy odkryta cząstka ma wszystkie przewidywane właściwości lub czy, jak opisują niektóre teorie, istnieje wiele bozonów Higgsa.

Natura i właściwości tego pola są obecnie dalej badane przy użyciu większej ilości danych zebranych w LHC.

Interpretacja

Do opisu pola Higgsa i bozonu używano różnych analogii , w tym analogii z dobrze znanymi efektami łamania symetrii, takimi jak tęcza i pryzmat , pola elektryczne i zmarszczki na powierzchni wody.

Inne analogie oparte na oporach makroobiektów poruszających się przez media (takich jak ludzie poruszający się w tłumie lub niektóre obiekty poruszające się w syropie lub melasie ) są powszechnie stosowane, ale wprowadzają w błąd, ponieważ pole Higgsa w rzeczywistości nie opiera się cząsteczkom, a efekt masy jest nie spowodowane oporem.

Przegląd nieruchomości

W Modelu Standardowym cząstka Higgsa jest masywnym bozonem skalarnym o zerowym spinie , bez ładunku elektrycznego i bez ładunku kolorowego . Jest również bardzo niestabilny, niemal natychmiast rozpadając się na inne cząstki. Pole Higgs jest skalar pola , z dwoma neutralny i dwóch naładowanych elektrycznie elementów, które tworzą kompleks, dublet z słabego izospinowych su (2) symetrii. Pole Higgsa jest polem skalarnym o potencjale „ meksykańskiego kapelusza ”. W stanie podstawowym powoduje to, że pole ma wszędzie niezerową wartość (łącznie z pustą przestrzenią), w wyniku czego poniżej bardzo wysokiej energii łamie słabą symetrię izospinową oddziaływania elektrosłabego . (Technicznie konwertuje wartość niezerową Oczekiwania Lagrange'a jest Yukawa sprzęgania warunki pod względem masy.) W takim przypadku trzech składowych pola Higgs jest «absorbowane» przez SU (2), u (1) bozonów wzorcowych (The „ mechanizm Higgsa ”), aby stać się podłużnymi składowymi masywnych bozonów W i Z oddziaływania słabego . Pozostały elektrycznie obojętny składnik albo manifestuje się jako cząsteczka Higgsa, albo może łączyć się oddzielnie z innymi cząsteczkami znanymi jako fermiony (poprzez sprzężenia Yukawy ), powodując, że również nabierają masy .

Znaczenie

Dowody na pole Higgsa i jego właściwości są niezwykle istotne z wielu powodów. Znaczenie bozonu Higgsa polega w dużej mierze na tym, że można go zbadać przy użyciu istniejącej wiedzy i technologii eksperymentalnej, jako sposób na potwierdzenie i zbadanie całej teorii pola Higgsa. I odwrotnie, dowód na to, że pole Higgsa i bozon nie istnieją, również byłby istotny.

Fizyka cząsteczek

Walidacja Modelu Standardowego

Bozon Higgsa potwierdza Model Standardowy poprzez mechanizm generowania masy . W miarę dokładniejszych pomiarów jego właściwości można sugerować lub wykluczać bardziej zaawansowane rozszerzenia. W miarę opracowywania eksperymentalnych środków do pomiaru zachowań i interakcji w polu, ta fundamentalna dziedzina może być lepiej zrozumiana. Gdyby pole Higgsa nie zostało odkryte, Model Standardowy musiałby zostać zmodyfikowany lub zastąpiony.

W związku z tym, wśród fizyków ogólnie istnieje przekonanie, że prawdopodobnie pojawi się „nowa” fizyka poza Modelem Standardowym , a Model Standardowy zostanie w pewnym momencie rozszerzony lub zastąpiony. Odkrycie Higgsa, jak również wiele mierzonych kolizji zachodzących w LHC, dostarcza fizykom czułe narzędzie do przeszukiwania ich danych pod kątem wszelkich dowodów na to, że Model Standardowy wydaje się zawodzić, i może dostarczyć znaczących dowodów, które ukierunkują badaczy na przyszłe odkrycia teoretyczne.

Łamanie symetrii oddziaływania elektrosłabego

Poniżej ekstremalnie wysokiej temperatury łamanie symetrii elektrosłabej powoduje, że oddziaływanie elektrosłabe objawia się częściowo jako oddziaływanie słabe o krótkim zasięgu , przenoszone przez masywne bozony cechowania . W historii Wszechświata uważa się, że łamanie symetrii elektrosłabej miało miejsce wkrótce po gorącym Wielkim Wybuchu, kiedy Wszechświat miał temperaturę 159,5 ± 1,5  GeV . To złamanie symetrii jest wymagane do powstania atomów i innych struktur, a także do reakcji jądrowych w gwiazdach, takich jak nasze Słońce . Za to złamanie symetrii odpowiada pole Higgsa.

Pozyskiwanie masy cząstek

Pole Higgs ma istotne znaczenie dla wytwarzania mas o kwarkach i naładowane leptony (za pośrednictwem sprzęgła Yukawy) i W i Z bozonów wzorcowych (za pośrednictwem mechanizmu Higgs).

Warto zauważyć, że pole Higgsa nie „tworzy” masy z niczego (co naruszałoby prawo zachowania energii ), ani pole Higgsa nie jest odpowiedzialne za masę wszystkich cząstek. Na przykład około 99% masy barionów ( cząstek kompozytowych, takich jak proton i neutron ), pochodzi od chromodynamiki kwantowej energii wiązania , która jest sumą energii kinetycznych kwarków i energii bezmasowych gluonów pośredniczących w silna interakcja wewnątrz barionów. W teoriach opartych na Higgs, właściwość „masy” jest przejawem energii potencjalnej przenoszonej do cząstek elementarnych, gdy wchodzą one w interakcję („para”) z polem Higgsa, które zawierało tę masę w postaci energii .

Pola skalarne i rozszerzenie Modelu Standardowego

Pole Higgsa jest jedynym wykrywanym polem skalarnym (spin 0); wszystkie pozostałe pola w Modelu Standardowego są typu spin  1 / 2 fermionami lub wirowania 1 bozony. Według Rolfa-Dietera Heuera , dyrektora generalnego CERN, kiedy odkryto bozon Higgsa, ten dowód istnienia pola skalarnego jest prawie tak samo ważny jak rola Higgsa w określaniu masy innych cząstek. Sugeruje to, że inne hipotetyczne pola skalarne sugerowane przez inne teorie, od inflatonu po kwintesencję , mogą również istnieć.

Kosmologia

Inflaton

Nastąpił znaczny badań naukowych na temat możliwych powiązań między polem Higgsa i inflaton  - hipotetycznego pola sugerowanej jako wyjaśnienie dla ekspansji przestrzeni podczas pierwszego ułamka sekundy do wszechświata (znanego jako „ epoki inflacyjnej ”). Niektóre teorie sugerują, że za to zjawisko może być odpowiedzialne fundamentalne pole skalarne; pole Higgsa jest takim polem, a jego istnienie doprowadziło do prac analizujących, czy może być również inflatonem odpowiedzialnym za tę wykładniczą ekspansję wszechświata podczas Wielkiego Wybuchu . Teorie są bardzo niepewne i wychodzą poważne problemy związane z unitarity , ale może być opłacalne w połączeniu z dodatkowymi funkcjami, takimi jak duży zakaz minimalnym sprzęgła, Otręby, Dicke skalarną lub innych „nowe” fizyki i otrzymały one zabiegi co sugeruje, że Modele inflacji Higgsa są nadal interesujące teoretycznie.

Natura wszechświata i jej możliwe losy

Diagram przedstawiający masy bozonu Higgsa i kwarka górnego , które mogą wskazywać, czy nasz Wszechświat jest stabilny, czy też jest długowiecznym "bańką" . Od 2012 r. elipsa 2  σ oparta na danych Tevatron i LHC nadal dopuszcza obie możliwości.

W Modelu Standardowym istnieje możliwość, że podstawowy stan naszego Wszechświata – znany jako „próżnia” – jest długowieczny, ale nie całkowicie stabilny . W tym scenariuszu wszechświat, jaki znamy, mógłby zostać skutecznie zniszczony przez zapadnięcie się w bardziej stabilny stan próżni . Czasami było to błędnie zgłaszane jako bozon Higgsa „kończący” wszechświat. Jeśli masy bozonu Higgsa i kwarka górnego są znane dokładniej, a Model Standardowy dostarcza dokładnego opisu fizyki cząstek aż do ekstremalnych energii w skali Plancka , to można obliczyć, czy próżnia jest stabilna, czy tylko długo- żył. Masa Higgsa o ​​sile 125–127 GeV wydaje się być bardzo blisko granicy stabilności, ale ostateczna odpowiedź wymaga znacznie dokładniejszych pomiarów masy biegunowej kwarka górnego. Nowa fizyka może zmienić ten obraz.

Gdyby pomiary bozonu Higgsa sugerowały, że nasz Wszechświat znajduje się w fałszywej próżni tego rodzaju, oznaczałoby to – bardziej niż prawdopodobne za wiele miliardów lat – że siły, cząstki i struktury Wszechświata mogą przestać istnieć, jakie znamy (i zastępowane przez inne), gdyby doszło do zarodkowania prawdziwej próżni . Sugeruje to również, że samosprzężenie Higgsa λ i jego funkcja β λ mogą być bardzo bliskie zeru w skali Plancka, z „intrygującymi” implikacjami, w tym teoriami grawitacji i inflacji opartej na Higgsie. Przyszły zderzacz elektronów i pozytonów byłby w stanie zapewnić precyzyjne pomiary kwarku górnego potrzebne do takich obliczeń.

Energia próżni i stała kosmologiczna

Bardziej spekulacyjnie, pole Higgsa zostało również zaproponowane jako energia próżni , która przy ekstremalnych energiach pierwszych chwil Wielkiego Wybuchu spowodowała, że ​​Wszechświat jest rodzajem pozbawionej cech symetrii niezróżnicowanej, niezwykle wysokiej energii. W tego rodzaju spekulacjach pojedyncze zunifikowane pole Wielkiej Jednolitej Teorii jest identyfikowane jako (lub wzorowane na) polu Higgsa i to właśnie poprzez kolejne łamania symetrii pola Higgsa lub podobnego pola, w przejściach fazowych , obecnie powstają znane siły i pola wszechświata.

Związek (jeśli istnieje) między polem Higgsa a obserwowaną obecnie gęstością energii próżni we Wszechświecie również był przedmiotem badań naukowych. Jak zaobserwowano, obecna gęstość energii próżni jest bardzo bliska zeru, ale gęstość energii oczekiwana od pola Higgsa, supersymetrii i innych obecnych teorii jest zwykle o wiele rzędów wielkości większa. Nie jest jasne, jak należy je pogodzić. Ten kosmologiczny stały problem pozostaje głównym nierozwiązanym problemem w fizyce.

Historia

AIP-Sakurai-best.JPG  Higgs, Peter (1929) cropped.jpg

Sześciu autorów artykułów PRL z 1964 r. , którzy otrzymali za swoją pracę Nagrodę JJ Sakurai 2010 ; od lewej do prawej: Kibble , Guralnik , Hagen , Englert , Brout ; prawy obraz: Higgs .

Laureat Nagrody Nobla Peter Higgs w Sztokholmie, grudzień 2013 r.

Teoretyzowanie

Fizycy cząstek badają materię utworzoną z fundamentalnych cząstek, w których oddziaływaniach pośredniczą cząstki wymienne – bozony cechowania  – działające jako nośniki siły . Na początku lat sześćdziesiątych odkryto lub zaproponowano szereg tych cząstek, wraz z teoriami sugerującymi ich wzajemne relacje, z których niektóre zostały już przeformułowane jako teorie pola, w których przedmiotem badań nie są cząstki i siły, ale pola kwantowe i ich symetrie . Jednak próby stworzenia modeli pola kwantowego dla dwóch z czterech znanych oddziaływań fundamentalnychsiły elektromagnetycznej i słabego oddziaływania jądrowego – a następnie ujednolicenia tych oddziaływań nadal nie powiodły się.

Jednym ze znanych problemów było to, że podejścia niezmiennicze cechowania , w tym modele nieabelowe , takie jak teoria Yanga-Millsa (1954), która była bardzo obiecująca dla zunifikowanych teorii, również wydawały się przewidywać znane masywne cząstki jako bezmasowe. Twierdzenie Goldstone'a , odnoszące się do ciągłych symetrii w niektórych teoriach, również wydawało się wykluczać wiele oczywistych rozwiązań, ponieważ wydawało się, że musiałyby istnieć cząstki o zerowej masie, których po prostu „nie widać”. Według Guralnika fizycy „nie rozumieli”, jak te problemy można przezwyciężyć.

Fizyk cząstek i matematyk Peter Woit podsumował ówczesny stan badań:

Prace Yanga i Millsa nad nieabelową teorią cechowania miały jeden ogromny problem: w teorii perturbacji zawiera ona bezmasowe cząstki, które nie odpowiadają niczemu, co widzimy. Jeden ze sposobów pozbycia się tego problemu jest obecnie dość dobrze poznany, zjawisko uwięzienia realizowane w QCD , gdzie oddziaływania silne pozbywają się bezmasowych stanów „gluonowych” na duże odległości. Na początku lat sześćdziesiątych ludzie zaczęli rozumieć inne źródło bezmasowych cząstek: spontaniczne łamanie symetrii ciągłej symetrii. Co Philip Anderson zrealizowane i wypracowane w lecie 1962 roku było to, że gdy masz zarówno symetrię skrajni i spontaniczne złamanie symetrii, tryb Nambu-Goldstone'a bezmasowe można połączyć z trybami bezmasowe terenowych miernik do wytworzenia fizycznej ogromne pole wektorowe. Tak dzieje się w nadprzewodnictwie , temacie, w którym Anderson był (i jest) jednym z czołowych ekspertów. [tekst skrócony]

Mechanizm Higgsa to proces, dzięki któremu bozony wektorowe mogą uzyskać masę spoczynkową bez wyraźnego łamania niezmienności cechowania , jako produkt uboczny spontanicznego łamania symetrii . Początkowo matematyczna teoria stojąca za spontanicznym łamaniem symetrii została wymyślona i opublikowana w fizyce cząstek elementarnych przez Yoichiro Nambu w 1960 roku, a koncepcja, że ​​taki mechanizm może zaoferować możliwe rozwiązanie „problemu masy” została pierwotnie zasugerowana w 1962 roku przez Philipa Andersona (który wcześniej pisał prace na temat złamanej symetrii i jej skutków w nadprzewodnictwie. Anderson stwierdził w swoim artykule z 1963 r. na temat teorii Yanga-Millsa, że ​​„biorąc pod uwagę nadprzewodnikowy analog… [te] te dwa rodzaje bozonów wydają się zdolne do wzajemnego znoszenia się ... pozostawiając bozony o skończonej masie”), aw marcu 1964 roku Abraham Klein i Benjamin Lee wykazali, że twierdzenia Goldstone'a można w ten sposób uniknąć przynajmniej w niektórych nierelatywistycznych przypadkach i spekulowali, że jest to możliwe w przypadkach prawdziwie relatywistycznych.

Podejścia te szybko rozwinęły się w pełny model relatywistyczny , niezależnie i prawie jednocześnie, przez trzy grupy fizyków: François Englert i Robert Brout w sierpniu 1964; przez Petera Higgsa w październiku 1964; oraz przez Geralda Guralnika , Carla Hagena i Toma Kibble (GHK) w listopadzie 1964. Higgs napisał również krótką, ale ważną odpowiedź opublikowaną we wrześniu 1964 na sprzeciw Gilberta , która wykazała, że ​​jeśli oblicza się w mierniku promieniowania, twierdzenie Goldstone'a a zarzut Gilberta stałby się nieaktualny. Higgs później opisał sprzeciw Gilberta jako skłonienie do jego własnego artykułu. Własności modelu były dalej rozważane przez Guralnika w 1965, przez Higgsa w 1966, przez Kibble w 1967 i dalej przez GHK w 1967. Pierwsze trzy prace z 1964 roku wykazały, że gdy teoria cechowania jest połączona z dodatkowym polem, które spontanicznie łamie symetrii, bozony cechowania mogą konsekwentnie uzyskiwać skończoną masę. 1967, Steven Weinberg i Abdus Salam niezależnie pokazuje, jak mechanizm Higgs mogą być wykorzystane do złamania symetrii elektrosłabej z Sheldon Glashow jest jednolity model dla słabych i elektromagnetycznym (sobie przedłużenia pracy przez Schwingera ), tworząc co stało się Model standardowy fizyki cząstek elementarnych. Weinberg jako pierwszy zauważył, że zapewniłoby to również warunki masowe dla fermionów.

Początkowo te przełomowe prace na temat spontanicznego łamania symetrii cechowania były w dużej mierze ignorowane, ponieważ powszechnie uważano, że teorie (nieabelowe) teorie cechowania są ślepą uliczką, a w szczególności, że nie można ich zrenormalizować . W latach 1971-72 Martinus Veltman i Gerard 't Hooft udowodnili, że renormalizacja Yang-Millsa jest możliwa w dwóch pracach obejmujących pola bezmasowe, a następnie masowe. Ich wkład, a praca z innymi w grupie renormalizacja  - w tym „istotnego” teoretycznej pracy przez rosyjskich fizyków Ludvig Faddeev , Andrei Slavnov , Efim Fradkin i Igor Tyutin  - był w końcu „niezwykle głęboki i wpływowy”, ale nawet ze wszystkimi kluczowymi elementami ewentualnej opublikowanej teorii nadal prawie nie wzbudzało większego zainteresowania. Na przykład Coleman stwierdził w badaniu, że „zasadniczo nikt nie zwracał uwagi” na pracę Weinberga przed 1971 r., omówioną przez Davida Politzera w jego przemówieniu do Nagrody Nobla z 2004 r. – obecnie najczęściej cytowany w fizyce cząstek elementarnych – a nawet w 1970 r. według Politzera, nauczanie Glashowa o oddziaływaniu słabym nie zawierało wzmianki o pracach Weinberga, Salama czy Glashowa. W praktyce, jak twierdzi Politzer, prawie wszyscy poznali tę teorię dzięki fizykowi Benjaminowi Lee , który połączył prace Veltmana i 't Hoofta z spostrzeżeniami innych i spopularyzował ukończoną teorię. W ten sposób od 1971 roku zainteresowanie i akceptacja „eksplodowały”, a idee szybko wchłonęły się w główny nurt.

Powstała teoria elektrosłabości i Model Standardowy dokładnie przewidziały (między innymi) słabe prądy neutralne , trzy bozony , kwarki górne i powabne , a także z wielką precyzją masę i inne właściwości niektórych z nich. Wiele z zaangażowanych osób ostatecznie zdobyło Nagrody Nobla lub inne renomowane nagrody. Artykuł z 1974 r. i obszerny przegląd w Reviews of Modern Physics skomentował, że „chociaż nikt nie wątpił w [matematyczną] poprawność tych argumentów, nikt nie wierzył, że natura jest wystarczająco mądra, by z nich skorzystać”, dodając, że teoria tak dały dokładne odpowiedzi, które były zgodne z eksperymentem, ale nie było wiadomo, czy teoria była fundamentalnie poprawna. W roku 1986 i ponownie w latach 90. stało się możliwe napisanie, że zrozumienie i udowodnienie sektora Higgsa Modelu Standardowego było „głównym problemem dzisiejszej fizyki cząstek elementarnych”.

Podsumowanie i wpływ prac PRL

Te trzy dokumenty napisane w 1964 roku zostały uznane za każdy dokumentach etapowych podczas Physical Review Letters „s 50. rocznica obchodów. Ich sześciu autorów zostało również wyróżnionych za tę pracę Nagrodą JJ Sakurai w dziedzinie fizyki cząstek teoretycznych . (Kontrowersje pojawiły się również w tym samym roku, ponieważ w przypadku Nagrody Nobla można było uznać tylko do trzech naukowców, z czego sześć zostało uznanych za prace.) Dwie z trzech prac PRL (Higgs i GHK) zawierały równania dla hipotetycznego pola, które ostatecznie stanie się znane jako pole Higgsa i jego hipotetycznego kwantu , bozon Higgsa. Kolejna praca Higgsa z 1966 roku pokazała mechanizm rozpadu bozonu; tylko masywny bozon może się rozpadać, a rozpady mogą udowodnić mechanizm.

W artykule Higgsa bozon jest masywny, a w zdaniu końcowym Higgs pisze, że „istotną cechą” teorii „jest przewidywanie niepełnych multipletów bozonów skalarnych i wektorowych ”. ( Frank Close komentuje, że teoretycy z cechowaniem z lat 60. koncentrowali się na problemie bezmasowych bozonów wektorowych , a dorozumiane istnienie masywnego bozonu skalarnego nie było postrzegane jako ważne; tylko Higgs bezpośrednio się do tego odnosił.) W artykule GHK bozon jest bezmasowy i oddzielone od państw masowych. W recenzjach z lat 2009 i 2011 Guralnik stwierdza, że ​​w modelu GHK bozon jest bezmasowy tylko w przybliżeniu najniższego rzędu, ale nie podlega żadnym ograniczeniom i przybiera masę przy wyższych rzędach, i dodaje, że papier GHK był jedynym jeden, aby pokazać, że w modelu nie ma bezmasowych bozonów Goldstone'a i dać pełną analizę ogólnego mechanizmu Higgsa. Wszyscy trzej doszli do podobnych wniosków, pomimo bardzo różnych podejść: artykuł Higgsa zasadniczo wykorzystywał techniki klasyczne, Englerta i Brouta dotyczyły obliczania polaryzacji próżni w teorii zaburzeń wokół założonego stanu próżni łamiącego symetrię, a GHK wykorzystał formalizm operatorów i prawa zachowania do zbadania dogłębnie, w jaki sposób można obejść twierdzenie Goldstone'a. Niektóre wersje teorii przewidywały więcej niż jeden rodzaj pól Higgsa i bozonów, a alternatywne modele „Higgsless” były rozważane aż do odkrycia bozonu Higgsa.

Wyszukiwanie eksperymentalne

Aby wytworzyć bozony Higgsa , dwie wiązki cząstek są przyspieszane do bardzo wysokich energii i zderzają się w detektorze cząstek . Czasami, choć rzadko, bozon Higgsa powstaje przelotnie jako część produktów ubocznych zderzenia. Ponieważ bozon Higgsa rozpada się bardzo szybko, detektory cząstek nie mogą go wykryć bezpośrednio. Zamiast tego detektory rejestrują wszystkie produkty rozpadu ( sygnaturę rozpadu ) iz danych rekonstruowany jest proces rozpadu. Jeśli zaobserwowane produkty rozpadu odpowiadają możliwemu procesowi rozpadu (znanemu jako kanał rozpadu ) bozonu Higgsa, oznacza to, że mógł zostać utworzony bozon Higgsa. W praktyce wiele procesów może generować podobne sygnatury zaniku. Na szczęście Model Standardowy precyzyjnie przewiduje prawdopodobieństwo wystąpienia każdego z nich i każdego znanego procesu. Tak więc, jeśli detektor wykryje więcej sygnatur rozpadów konsekwentnie pasujących do bozonu Higgsa, niż można by oczekiwać, gdyby bozon Higgsa nie istniał, to byłby to mocny dowód na istnienie bozonu Higgsa.

Ponieważ produkcja bozonów Higgsa w zderzeniach cząstek jest prawdopodobnie bardzo rzadka (1 na 10 miliardów w LHC), a wiele innych możliwych zdarzeń zderzeń może mieć podobne sygnatury rozpadu, dane z setek bilionów zderzeń muszą zostać przeanalizowane i muszą zostać przeanalizowane. "pokaż ten sam obraz", zanim dojdzie do wniosku o istnieniu bozonu Higgsa. Aby stwierdzić, że znaleziono nową cząstkę, fizycy cząstek elementarnych wymagają, aby analiza statystyczna dwóch niezależnych detektorów cząstek wykazała, że ​​istnieje mniejsza niż jedna na milion szansa, że ​​obserwowane sygnatury rozpadu są spowodowane tylko przypadkowym wzorcem w tle. Zdarzenia modelowe – tzn. obserwowana liczba zdarzeń jest większa niż pięć odchyleń standardowych (sigma) różniących się od oczekiwanych, gdyby nie było nowej cząstki. Więcej danych o zderzeniach pozwala na lepsze potwierdzenie fizycznych właściwości każdej obserwowanej nowej cząstki i pozwala fizykom zdecydować, czy rzeczywiście jest to bozon Higgsa opisany w Modelu Standardowym, czy jakaś inna hipotetyczna nowa cząstka.

Aby znaleźć bozon Higgsa, potrzebny był potężny akcelerator cząstek , ponieważ bozonów Higgsa nie można było zobaczyć w eksperymentach z niższą energią. Zderzacz musiał mieć wysoką jasność , aby zapewnić zaobserwowanie wystarczającej liczby zderzeń, aby można było wyciągnąć wnioski. Wreszcie, do przetwarzania ogromnej ilości danych (25 petabajtów rocznie, począwszy od 2012 r.) powstałych w wyniku kolizji potrzebne były zaawansowane urządzenia obliczeniowe . Zgodnie z ogłoszeniem z dnia 4 lipca 2012 r. w CERN zbudowano nowy zderzacz znany jako Wielki Zderzacz Hadronów o planowanej energii zderzenia 14 TeV  – ponad siedmiokrotnie więcej niż poprzedni zderzacz – i ponad 300 bilionów (3×10 14 ) protonów LHC. – kolizje protonów zostały przeanalizowane przez LHC Computing Grid , największą na świecie sieć obliczeniową (stan na 2012 r.), obejmującą ponad 170 obiektów obliczeniowych w ogólnoświatowej sieci w 36 krajach.

Szukaj przed 4 lipca 2012 r.

Pierwsze szeroko zakrojone poszukiwania bozonu Higgsa przeprowadzono w Wielkim Zderzaczu Elektronów i Pozytronów (LEP) w CERN w latach 90. XX wieku. Pod koniec swojej służby w 2000 roku LEP nie znalazł przekonujących dowodów na istnienie Higgsów. Sugerowało to, że gdyby bozon Higgsa istniał, musiałby być cięższy niż114,4 GeV/ c 2 .

Poszukiwania kontynuowano w Fermilab w Stanach Zjednoczonych, gdzie Tevatron  – zderzacz, który odkrył kwark górny w 1995 roku – został w tym celu zmodernizowany. Nie było gwarancji, że Tevatron będzie w stanie znaleźć Higgsa, ale był to jedyny superzderzacz, który działał, odkąd Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) był wciąż w budowie, a planowany superzderzacz nadprzewodzący został odwołany w 1993 roku i nigdy nie został ukończony. . Tevatron był w stanie jedynie wykluczyć dalsze zakresy masy Higgsa i został wyłączony 30 września 2011 r., ponieważ nie był już w stanie nadążyć za LHC. Ostateczna analiza danych wykluczyła możliwość istnienia bozonu Higgsa o ​​masie pomiędzy147 GeV/ c 2 i180 GeV/ c 2 . Ponadto wystąpił niewielki (ale nie znaczący) nadmiar zdarzeń, prawdopodobnie wskazujący na bozon Higgsa o ​​masie między115 GeV/ c 2 i140 GeV/ c 2 .

Large Hadron Collider w CERN w Szwajcarii , został specjalnie zaprojektowany, aby móc albo potwierdzić lub wykluczyć istnienie bozonu Higgsa w. Zbudowany w 27-kilometrowym tunelu pod ziemią w pobliżu Genewy, pierwotnie zamieszkiwanym przez LEP, miał zderzać dwie wiązki protonów, początkowo o energiach rzędu3,5 TeV na wiązkę (łącznie 7 TeV), czyli prawie 3,6 razy więcej niż w przypadku Tevatrona, z możliwością rozbudowy do 2 × 7 TeV (łącznie 14 TeV) w przyszłości. Teoria sugerowała, że ​​gdyby bozon Higgsa istniał, zderzenia na tych poziomach energii powinny go ujawnić. Jako jeden z najbardziej skomplikowanych przyrządów naukowych, jakie kiedykolwiek zbudowano, jego gotowość do pracy została opóźniona o 14 miesięcy przez zdarzenie polegające na wygaszeniu magnesu dziewięć dni po testach inauguracyjnych, spowodowane wadliwym połączeniem elektrycznym, które uszkodziło ponad 50 magnesów nadprzewodzących i zanieczyściło system próżniowy.

Zbieranie danych w LHC w końcu rozpoczęto w marcu 2010 roku. Do grudnia 2011 roku dwa główne detektory cząstek w LHC, ATLAS i CMS , zawęziły zakres mas, w których mogą istnieć Higgsy, do około 116-130 GeV (ATLAS) i 115- 127 GeV (CMS). Było już też wiele obiecujących ekscesów, które „wyparowały” i okazały się niczym innym, jak przypadkowymi fluktuacjami. Jednak od około maja 2011 r. oba eksperymenty wykazały wśród swoich wyników powolne pojawianie się niewielkiego, ale spójnego nadmiaru sygnatur rozpadów gamma i 4-leptonów oraz kilka innych rozpadów cząstek, wszystkie wskazujące na nową cząstkę o masie około125 GeV . Około listopada 2011 r. anomalne dane o sile 125 GeV stawały się „zbyt duże, by je zignorować” (choć wciąż dalekie od rozstrzygających), a liderzy zespołów zarówno w ATLAS, jak i CMS prywatnie podejrzewali, że mogli znaleźć Higgsa. 28 listopada 2011 r. na wewnętrznym spotkaniu dwóch liderów zespołów i dyrektora generalnego CERN po raz pierwszy omówiono najnowsze analizy poza ich zespołami, co sugeruje, że zarówno ATLAS, jak i CMS mogą zbliżyć się do możliwego wspólnego wyniku przy 125 GeV. oraz rozpoczęto wstępne przygotowania w przypadku pomyślnego ustalenia. Chociaż informacje te nie były wówczas publicznie znane, zawężenie możliwego zakresu Higgsa do około 115–130 GeV i powtarzające się obserwacje niewielkich, ale spójnych nadwyżek zdarzeń w wielu kanałach zarówno w ATLAS, jak i CMS w regionie 124–126 GeV ( opisane jako „kuszące wskazówki” około 2-3 sigma) były publicznie znane z „dużym zainteresowaniem”. Dlatego pod koniec 2011 r. powszechnie oczekiwano, że LHC dostarczy wystarczających danych, aby wykluczyć lub potwierdzić odkrycie bozonu Higgsa do końca 2012 r., kiedy ich dane o zderzeniach z 2012 r. (z nieco wyższą energią zderzenia 8 TeV) zostały zbadane.

Odkrycie kandydującego bozonu w CERN

2-fotonowy rozpad Higgsa.svg  4-lepton Higgs rozpad.svg
Diagramy Feynmana pokazujące najczystsze kanały związane z kandydatem na bozon Higgsa o ​​małej masie (~125 GeV) obserwowanym przez ATLAS i CMS w LHC . Dominujący mechanizm produkcji przy tej masie polega na połączeniu dwóch gluonów z każdego protonu w pętlę górnego kwarku , która silnie sprzęga się z polem Higgsa, tworząc bozon Higgsa.Analiza eksperymentalna tych kanałów osiągnęła istotność powyżej pięciu odchyleń standardowych (sigma) w obu eksperymentach.

22 czerwca 2012 r. CERN ogłosił zbliżające się seminarium obejmujące wstępne ustalenia na 2012 r., a wkrótce potem (od około 1 lipca 2012 r. zgodnie z analizą plotki szerzącej się w mediach społecznościowych ) zaczęły się rozchodzić pogłoski w mediach, że będzie to obejmować ważny komunikat , ale nie było jasne, czy będzie to silniejszy sygnał, czy formalne odkrycie. Spekulacje eskalowały do ​​„gorączkowego” tonu, gdy pojawiły się doniesienia, że Peter Higgs , który zaproponował cząstkę, miał uczestniczyć w seminarium i że zaproszono „pięciu czołowych fizyków” – ogólnie uważa się, że oznacza to pięciu żyjących autorów z 1964 roku – wraz z Higgsem. , Englert, Guralnik, Hagen i Kibble potwierdzający jego zaproszenie (Brout zmarł w 2011 roku).

4 lipca 2012 r. oba eksperymenty CERN ogłosiły, że niezależnie dokonały tego samego odkrycia: CMS nieznanego wcześniej bozonu o masie 125,3 ± 0,6 GeV/ c 2 oraz ATLAS bozonu o masie 126,0 ± 0,6 GeV/ c 2 . Korzystając z połączonej analizy dwóch typów interakcji (znanych jako „kanały”), oba eksperymenty niezależnie osiągnęły lokalne znaczenie 5 sigma – co oznacza, że ​​prawdopodobieństwo uzyskania przynajmniej tak silnego wyniku przez przypadek jest mniejsze niż jeden na trzy miliony. Po uwzględnieniu dodatkowych kanałów istotność CMS spadła do 4,9 sigma.

Oba zespoły pracowały „na ślepo” od końca 2011 lub początku 2012 roku, co oznacza, że ​​nie omawiały ze sobą swoich wyników, co zapewniało dodatkową pewność, że jakiekolwiek wspólne odkrycie było autentyczną walidacją cząstki. Ten poziom dowodów, potwierdzony niezależnie przez dwa oddzielne zespoły i eksperymenty, spełnia formalny poziom dowodu wymagany do ogłoszenia potwierdzonego odkrycia.

31 lipca 2012 r. kolaboracja ATLAS przedstawiła dodatkową analizę danych na temat „obserwacji nowej cząstki”, w tym danych z trzeciego kanału, które poprawiły istotność do 5,9 sigma (1 na 588 milionów szans na uzyskanie co najmniej tak mocnego dowodu przez same losowe efekty tła) i masa 126,0 ± 0,4 (stat) ± 0,4 (sys) GeV/ c 2 , a CMS poprawiły istotność do 5-sigma i masy 125,3 ± 0,4 (stat) ± 0,5 (sys) GeV/ c 2 .

Nowa cząstka przetestowana jako możliwy bozon Higgsa

Po odkryciu w 2012 r. nadal nie potwierdzono, czy cząstka 125 GeV/ c 2 jest bozonem Higgsa. Z jednej strony obserwacje pozostały zgodne z tym, że obserwowana cząstka była bozonem Higgsa Modelu Standardowego, a cząstka rozpadła się na przynajmniej niektóre z przewidywanych kanałów. Co więcej, tempo produkcji i współczynniki rozgałęzień dla obserwowanych kanałów zasadniczo odpowiadały przewidywaniom Modelu Standardowego w ramach niepewności eksperymentalnych. Jednak niejasności eksperymentalne wciąż pozostawiają miejsce na alternatywne wyjaśnienia, co oznacza, że ​​ogłoszenie odkrycia bozonu Higgsa byłoby przedwczesne. Aby zapewnić więcej możliwości gromadzenia danych, proponowane zamknięcie LHC w 2012 r. i modernizacja na lata 2013–2014 zostały przesunięte o siedem tygodni na 2013 rok.

W listopadzie 2012 r. na konferencji w Kioto naukowcy powiedzieli, że dowody zebrane od lipca bardziej pasują do podstawowego Modelu Standardowego niż jego alternatywy, z szeregiem wyników dla kilku interakcji zgodnych z przewidywaniami tej teorii. Fizyk Matt Strassler podkreślił „istotne” dowody na to, że nowa cząstka nie jest pseudoskalarną cząstką o ujemnej parzystości (zgodną z tym wymaganym dla bozonu Higgsa), „parowaniem” lub brakiem zwiększonego znaczenia dla poprzednich wskazówek dotyczących wyników niestandardowego Modelu, oczekiwanych Interakcje Modelu Standardowego z bozonami W i Z , brak „znaczących nowych implikacji” za lub przeciw supersymetrii oraz, ogólnie rzecz biorąc, brak znaczących dotychczasowych odchyleń od wyników oczekiwanych dla bozonu Higgsa Modelu Standardowego. Jednak niektóre rodzaje rozszerzeń Modelu Standardowego również wykazywałyby bardzo podobne wyniki; więc komentatorzy zauważyli, że opierając się na innych cząstkach, które wciąż są rozumiane długo po ich odkryciu, może minąć lata, aby mieć pewność, i dekady, aby w pełni zrozumieć znalezioną cząstkę.

Odkrycia te oznaczały, że od stycznia 2013 r. naukowcy byli bardzo pewni, że znaleźli nieznaną cząstkę o masie ~125 GeV/ c 2 i nie zostali zmyleni błędem doświadczalnym lub przypadkowym wynikiem. Byli też pewni, na podstawie wstępnych obserwacji, że nowa cząstka jest jakimś rodzajem bozonu. Zachowania i właściwości cząstki, jak dotąd badane od lipca 2012 r., również wydawały się dość zbliżone do zachowań oczekiwanych od bozonu Higgsa. Mimo to nadal mógł to być bozon Higgsa lub jakiś inny nieznany bozon, ponieważ przyszłe testy mogą wykazać zachowania, które nie pasują do bozonu Higgsa, więc w grudniu 2012 r. CERN nadal stwierdził tylko, że nowa cząstka jest „zgodna” z Bozon Higgsa, a naukowcy nie stwierdzili jeszcze pozytywnie, że był to bozon Higgsa. Mimo to pod koniec 2012 r. w mediach pojawiły się (niesłusznie) informacje, że w ciągu roku potwierdzono obecność bozonu Higgsa.

W styczniu 2013 r. dyrektor generalny CERN Rolf-Dieter Heuer stwierdził, że na podstawie dotychczasowej analizy danych odpowiedź może być możliwa „do połowy 2013 r.”, a zastępca przewodniczącego fizyki w Brookhaven National Laboratory stwierdził w lutym 2013 r., że „ ostateczna” odpowiedź może wymagać „kolejnych kilku lat” po ponownym uruchomieniu zderzacza w 2015 roku . Na początku marca 2013 r. dyrektor ds. badań w CERN Sergio Bertolucci stwierdził, że potwierdzenie spinu 0 było głównym wymaganiem do ustalenia, czy cząstka jest przynajmniej jakimś rodzajem bozonu Higgsa.

Potwierdzenie istnienia i aktualnego statusu

W dniu 14 marca 2013 r. CERN potwierdził, co następuje:

CMS i ATLAS porównały szereg opcji dotyczących parzystości spinowej tej cząstki i wszystkie preferują brak spinu, a nawet parzystość [dwa podstawowe kryteria bozonu Higgsa zgodne z Modelem Standardowym]. To, w połączeniu ze zmierzonymi oddziaływaniami nowej cząstki z innymi cząstkami, silnie wskazuje, że jest to bozon Higgsa.

Czyni to również cząstkę pierwszą elementarną cząstką skalarną odkrytą w przyrodzie.

Oto przykłady testów wykorzystywanych do potwierdzenia, że ​​odkryta cząstka jest bozonem Higgsa:

Wymóg Jak przetestowano / wyjaśnienie Stan obecny (stan na lipiec 2017)
Zero wirowania Badanie wzorców rozpadu. Spin-1 został wykluczony w momencie początkowego odkrycia przez zaobserwowany rozpad na dwa fotony (γ γ), pozostawiając spin-0 i spin-2 jako pozostałych kandydatów. Spin-0 potwierdzone. Hipoteza spin-2 jest wykluczona z poziomem ufności przekraczającym 99,9%.
Parzysty (dodatni) parzystość Badanie kątów, pod jakimi produkty rozpadu rozlatują się. Ujemny parzystość była również niekorzystna, jeśli potwierdzono spin-0. Nawet parzystość wstępnie potwierdzona. Hipoteza ujemnego parzystości spin-0 jest wykluczona z poziomem ufności przekraczającym 99,9%.
Kanały rozpadu (wyniki rozpadu cząstek) są zgodne z przewidywaniami Model Standardowy przewiduje rozkłady bozonu Higgsa o ​​napięciu 125 GeV. Czy to wszystko jest widoczne i we właściwym tempie?

Szczególnie istotne wśród możliwych wyników są rozpady na pary fotonów (γ γ), bozonów W i Z (WW i ZZ), kwarków dolnych (bb) i leptonów tau (τ τ) .

Zaobserwowano bb, γ γ, τ τ, WW i ZZ. Wszystkie zaobserwowane siły sygnału są zgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego.
Pary do masy (tj. siła oddziaływania z cząstkami Modelu Standardowego proporcjonalna do ich masy) Fizyk cząstek Adam Falkowski stwierdza, że ​​podstawowe właściwości bozonu Higgsa polegają na tym, że jest to cząstka o spinie 0 (skalarna), która również łączy się z masą (bozony W i Z); udowodnienie, że sam spin-0 jest niewystarczający. Mocno udokumentowane sprzężenia z masą („Przy 95% poziomie ufności c V mieści się w 15% wartości modelu standardowego c V =1”).
Wyższe wyniki energetyczne pozostają spójne Po ponownym uruchomieniu LHC w 2015 r. przy wyższej energii 13 TeV , kontynuowano poszukiwania wielu cząstek Higgsa (jak przewidują niektóre teorie) i testy ukierunkowane na inne wersje teorii cząstek. Te wyższe wyniki energii muszą nadal dawać wyniki zgodne z teoriami Higgsa. Analiza zderzeń do lipca 2017 r. nie wykazuje odchyleń od Modelu Standardowego, z eksperymentalnymi dokładnościami lepszymi niż wyniki przy niższych energiach.

Ustalenia od 2013 r.

W lipcu 2017 r. CERN potwierdził, że wszystkie pomiary nadal zgadzają się z przewidywaniami Modelu Standardowego i nazwał odkrytą cząstkę po prostu „bozonem Higgsa”. Od 2019 roku Wielki Zderzacz Hadronów nadal dostarcza odkrycia, które potwierdzają zrozumienie pola Higgsa i cząstki z 2013 roku.

Prace eksperymentalne LHC od ponownego uruchomienia w 2015 r. obejmowały bardziej szczegółowe badanie pola Higgsa i bozonu oraz potwierdzenie, czy mniej powszechne przewidywania były prawidłowe. W szczególności eksploracja od 2015 roku dostarczyła mocnych dowodów na przewidywany bezpośredni rozpad na fermiony, takie jak pary kwarków dolnych (3,6 σ) – opisanych jako „ważny kamień milowy” w zrozumieniu jego krótkiego życia i innych rzadkich rozpadów – a także w celu potwierdzenia rozpadu na pary leptonów tau (5,9 σ). Zostało to opisane przez CERN jako „ma ogromne znaczenie dla ustalenia sprzężenia bozonu Higgsa z leptonami i stanowi ważny krok w kierunku pomiaru jego sprzężeń z fermionami trzeciej generacji, bardzo ciężkimi kopiami elektronów i kwarków, których rola w przyrodzie jest głęboka tajemnica”. Opublikowane wyniki na dzień 19 marca 2018 r. przy 13 TeV dla ATLAS i CMS miały pomiary masy Higgsa przy124,98 ± 0,28 GeV i125,26 ± 0,21 GeV odpowiednio.

W lipcu 2018 roku w eksperymentach ATLAS i CMS zaobserwowano rozpad bozonu Higgsa na parę dolnych kwarków, które stanowią około 60% wszystkich jego rozpadów.

Zagadnienia teoretyczne

Teoretyczna potrzeba Higgsa

„ Zilustrowano załamanie symetrii ”: – Przy wysokich poziomach energii (po lewej) piłka osiada pośrodku, a wynik jest symetryczny. Przy niższych poziomach energii (po prawej) ogólne „zasady” pozostają symetryczne, ale pojawia się potencjał „meksykańskiego kapelusza”: „lokalna” symetria nieuchronnie zostaje zerwana, ponieważ w końcu piłka musi losowo toczyć się w taki czy inny sposób.

Niezmienność cech jest ważną właściwością nowoczesnych teorii cząstek, takich jak Model Standardowy , częściowo ze względu na jego sukces w innych dziedzinach fizyki fundamentalnej, takich jak elektromagnetyzm i oddziaływanie silne ( chromodynamika kwantowa ). Jednak zanim Sheldon L. Glashow rozszerzył modele unifikacji elektrosłabych w 1961 roku, pojawiły się duże trudności w opracowaniu teorii cechowania dla słabych sił jądrowych lub możliwego zunifikowanego oddziaływania elektrosłabego . Fermiony z członem masowym naruszałyby symetrię cechowania i dlatego nie mogą być niezmiennikami cechowania. (Można to zobaczyć badając Lagrange'a Diraca dla fermionu pod względem składowych lewoskrętnych i prawoskrętnych; stwierdzamy, że żadna z połówkowych cząstek spinowych nie byłaby w stanie zmienić spirali wymaganej dla masy, więc muszą być bezmasowe.) W i Z zaobserwowano, że bozony mają masę, ale termin masy bozonu zawiera terminy, które wyraźnie zależą od wyboru cechowania, a zatem masy te również nie mogą być niezmienne cechowania. Dlatego wydaje się, że żaden ze standardowych modeli fermionów ani bozonów nie mógłby „zacząć” od masy jako wbudowanej właściwości, z wyjątkiem rezygnacji z niezmienności cechowania. Jeśli miałaby zostać zachowana niezmienność cechowania, to cząstki te musiały uzyskiwać swoją masę przez jakiś inny mechanizm lub interakcję. Dodatkowo, cokolwiek dawało tym cząstkom ich masę, musiało nie „łamać” niezmienności cechowania jako podstawy dla innych części teorii, w których sprawdzało się to dobrze, i nie musiało wymagać ani przewidywać nieoczekiwanych cząstek bezmasowych lub sił dalekiego zasięgu (pozornie nieuniknione konsekwencja twierdzenia Goldstone'a ), które w rzeczywistości nie wydawało się istnieć w przyrodzie.

Rozwiązanie wszystkich tych nakładających się na siebie problemów przyniosło odkrycie wcześniej niezauważonego przypadku granicznego ukrytego w matematyce twierdzenia Goldstone'a, że ​​w pewnych warunkach teoretycznie może być możliwe złamanie symetrii bez zakłócania niezmienności cechowania i bez jakiejkolwiek nowej bezmasy. cząstki lub siły i matematycznie dające „rozsądne” ( renormalizowane ) wyniki. Stało się to znane jako mechanizm Higgsa .

Podsumowanie oddziaływań między określonymi cząstkami opisanymi przez Model Standardowy .

Model Standardowy hipotez jest pole , które jest odpowiedzialne za ten efekt, zwany polem Higgsa (symbol: ), który ma niezwykłą właściwość niezerowej amplitudzie w swoim stanie podstawowym ; tj. niezerowa wartość oczekiwana próżni . Może mieć taki efekt ze względu na swój niezwykły potencjał w kształcie „meksykańskiego kapelusza”, którego najniższy „punkt” nie znajduje się w jego „środku”. Mówiąc prościej, w przeciwieństwie do wszystkich innych znanych pól, pole Higgsa wymaga mniej energii, aby mieć wartość niezerową niż wartość zerowa, więc ostatecznie wszędzie ma wartość niezerową . Poniżej pewnego ekstremalnie wysokiego poziomu energetycznego istnienie tej niezerowej wartości oczekiwanej próżni spontanicznie łamie symetrię cechowania elektrosłabego, co z kolei powoduje powstanie mechanizmu Higgsa i powoduje przejęcie masy przez cząstki oddziałujące z polem. Efekt ten występuje, ponieważ składowe pola skalarnego pola Higgsa są „pochłaniane” przez masywne bozony jako stopnie swobody i łączą się z fermionami poprzez sprzężenie Yukawy , tworząc w ten sposób oczekiwane wartości masowe. Kiedy symetria załamuje się w tych warunkach, powstające bozony Goldstone'a oddziałują z polem Higgsa (i innymi cząstkami zdolnymi do interakcji z polem Higgsa), zamiast stać się nowymi cząstkami bezmasowymi. Nierozwiązywalne problemy obu podstawowych teorii „neutralizują się” nawzajem, a rezultatem szczątkowym jest to, że cząstki elementarne uzyskują stałą masę w oparciu o to, jak silnie oddziałują z polem Higgsa. Jest to najprostszy znany proces, który może nadać masę bozonom cechowania , pozostając jednocześnie zgodnym z teoriami cechowania . Jej kwantem byłby bozon skalarny , znany jako bozon Higgsa.

Modele alternatywne

Opisany powyżej Minimalny Model Standardowy jest najprostszym znanym modelem mechanizmu Higgsa z tylko jednym polem Higgsa. Jednak rozszerzony sektor Higgsa z dodatkowymi dubletami lub tripletami cząstek Higgsa jest również możliwy i wiele rozszerzeń Modelu Standardowego posiada tę cechę. Nieminimalny sektor Higgsa faworyzowany przez teorię to modele z dwoma dubletami Higgsa (2HDM), które przewidują istnienie kwintetu cząstek skalarnych: dwa bozony Higgsa CP-parzyste neutralne h 0 i H 0 , jeden CP-nieparzysty neutralny bozon Higgsa A 0 i dwie naładowane cząstki Higgsa H ± . Supersymetria („SUSY”) przewiduje również relacje między masami bozonu Higgsa a masami bozonów cechowania i może pomieścić125 GeV/ c 2 neutralny bozon Higgsa.

Kluczowa metoda rozróżniania między tymi różnymi modelami obejmuje badanie interakcji cząstek („sprzężenie”) i dokładne procesy rozpadu („współczynniki rozgałęzień”), które można zmierzyć i przetestować eksperymentalnie w zderzeniach cząstek. W modelu 2HDM typu I jeden dublet Higgsa łączy się z kwarkami górnymi i dolnymi, podczas gdy drugi dublet nie łączy się z kwarkami. Model ten ma dwa interesujące granice, w których najlżejsze Higgs jest połączony tylko fermionami ( „gauge- fobii «) lub tylko Bozony gauge (»fermiophobic”), ale nie jednocześnie. W modelu 2HDM typu II jeden dublet Higgsa łączy się tylko z kwarkami typu górnego, a drugi tylko z kwarkami typu dolnego. Dokładnie zbadany Minimalny Supersymetryczny Model Standardowy (MSSM) zawiera sektor Higgsa 2HDM typu II, więc można go obalić dowodami na istnienie Higgsa 2HDM typu I.

W innych modelach skalar Higgsa jest cząstką złożoną. Na przykład, w technikolorze rola polem Higgsa odgrywa silnie związane par fermionów zwanych techniquarks . Inne modele zawierają pary kwarków górnych (patrz kondensat kwarka górnego ). W jeszcze innych modelach w ogóle nie ma pola Higgsa, a symetria elektrosłaba jest łamana przy użyciu dodatkowych wymiarów.

Dalsze zagadnienia teoretyczne i problem hierarchii

Jeden pętli Feynman schemat korekty pierwszej kolejności do masy Higgs. W Modelu Standardowym skutki tych korekt są potencjalnie ogromne, powodując tzw. problem hierarchii .

Model Standardowy pozostawia masę bozonu Higgsa jako parametr do zmierzenia, a nie wartość do obliczenia. Jest to postrzegane jako teoretycznie niezadowalające, zwłaszcza że poprawki kwantowe (związane z interakcjami z cząstkami wirtualnymi ) powinny najwyraźniej spowodować, że cząstka Higgsa będzie miała masę znacznie większą niż obserwowana, ale jednocześnie Model Standardowy wymaga masy rzędu 100 do 1000 GeV, aby zapewnić unitarność (w tym przypadku unitaryzację podłużnego wektorowego rozpraszania bozonów). Wydaje się, że pogodzenie tych punktów wymaga wyjaśnienia, dlaczego istnieje prawie doskonałe anulowanie skutkujące widoczną masą ~ 125 GeV, i nie jest jasne, jak to zrobić. Ponieważ słabe oddziaływanie jest około 10 32 razy silniejsze niż grawitacja, a (w związku z tym) masa bozonu Higgsa jest o wiele mniejsza niż masa Plancka lub energia wielkiej unifikacji , wydaje się, że albo istnieje jakiś podstawowy związek, albo powód tego obserwacje nieznane i nie opisane przez Model Standardowy, czy jakieś niewyjaśnione i niezwykle precyzyjne dostrojenie parametrów – jednak obecnie żadne z tych wyjaśnień nie jest udowodnione. Nazywa się to problemem hierarchii . Mówiąc szerzej, problem hierarchii sprowadza się do obawy, że przyszła teoria cząstek elementarnych i oddziaływań nie powinna mieć nadmiernych dostrojeń lub zbyt delikatnych anulowań i powinna umożliwić obliczanie mas cząstek, takich jak bozon Higgsa. Problem jest pod pewnymi względami unikalny dla cząstek o spinie 0 (takich jak bozon Higgsa), co może prowadzić do problemów związanych z poprawkami kwantowymi, które nie wpływają na cząstki o spinie. Zaproponowano szereg rozwiązań , w tym supersymetrię , rozwiązania konforemne i rozwiązania poprzez dodatkowe wymiary, takie jak modele branworld .

Istnieją również kwestie trywialności kwantowej , co sugeruje, że może nie być możliwe stworzenie spójnej kwantowej teorii pola obejmującej elementarne cząstki skalarne. Jeśli jednak uniknie się trywialności kwantowej, ograniczenia trywialności mogą wyznaczać granice masy bozonu Higgsa.

Nieruchomości

Właściwości pola Higgsa

W Modelu Standardowym pole Higgsa jest skalarnym polem tachionicznymskalarnym, co oznacza, że ​​nie podlega transformacji pod wpływem transformacji Lorentza , a tachionicznym, co oznacza, że ​​pole (ale nie cząstka) ma masę urojoną i w pewnych konfiguracjach musi ulec złamaniu symetrii . Składa się z czterech składników: dwóch neutralnych i dwóch naładowanych pól składowych . Zarówno naładowane składniki, jak i jedno z pól obojętnych to bozony Goldstone'a , które działają jako podłużne składniki trzeciej polaryzacji masywnych bozonów W + , W i Z . Kwant pozostałego składnika neutralnego odpowiada (i jest teoretycznie realizowany jako) masywnemu bozonowi Higgsa. Ten składnik może wchodzić w interakcje z fermionami poprzez sprzężenie Yukawy, aby nadać im również masę.

Matematycznie pole Higgsa ma urojoną masę i dlatego jest polem tachionicznym . Podczas gdy tachiony ( cząstki poruszające się szybciej niż światło ) są pojęciem czysto hipotetycznym, pola o wyobrażonej masie zaczęły odgrywać ważną rolę we współczesnej fizyce. Pod żadnym pozorem żadne wzbudzenia nie rozchodzą się szybciej niż światło w takich teoriach – obecność lub brak masy tachionicznej nie ma żadnego wpływu na maksymalną prędkość sygnałów (nie ma naruszenia przyczynowości ). Zamiast cząstek szybszych od światła, urojona masa tworzy niestabilność: każda konfiguracja, w której jedno lub więcej wzbudzeń pola jest tachionowych, musi spontanicznie zanikać, a powstała konfiguracja nie zawiera fizycznych tachionów. Proces ten jest znany jako kondensacja tachionów i jest obecnie uważany za wyjaśnienie, w jaki sposób sam mechanizm Higgsa powstaje w naturze, a zatem jest przyczyną łamania symetrii elektrosłabej.

Chociaż pojęcie masy urojonej może wydawać się kłopotliwe, to tylko pole, a nie sama masa, jest skwantowane. Dlatego też operatorzy pola w spacelike oddzielone punkty jeszcze dojazdy (lub anticommute) oraz informacje i cząstki jeszcze nie rozchodzą się szybciej niż światło. Kondensacja tachionów powoduje, że system fizyczny, który osiągnął granicę lokalną – i można naiwnie oczekiwać, że wytworzy fizyczne tachiony – do alternatywnego stanu stabilnego, w którym fizyczne tachiony nie istnieją. Gdy pole tachionowe, takie jak pole Higgsa, osiągnie minimum potencjału, jego kwanty nie są już tachionami, ale raczej zwykłymi cząstkami, takimi jak bozon Higgsa.

Właściwości bozonu Higgsa

Ponieważ pole Higgsa jest skalarne , bozon Higgsa nie ma spinu . Bozon Higgsa jest również swoją własną antycząstką , jest równy CP i ma zerowy ładunek elektryczny i barwny .

Model Standardowy nie przewiduje masy bozonu Higgsa. Jeśli ta masa wynosi od 115 do180 GeV/ c 2 (zgodne z obserwacjami empirycznymi125 GeV/ c 2 ), to Model Standardowy może być ważny w skali energii aż do skali Plancka (10 19 GeV). Wielu teoretyków oczekuje, że nowa fizyka wykraczająca poza Model Standardowy pojawi się w skali TeV, w oparciu o niezadowalające właściwości Modelu Standardowego. Najwyższa możliwa skala masy dozwolona dla bozonu Higgsa (lub innego mechanizmu łamania symetrii elektrosłabej) wynosi 1,4 TeV; poza tym punktem Model Standardowy staje się niespójny bez takiego mechanizmu, ponieważ w pewnych procesach rozpraszania naruszana jest unitarność .

Możliwe jest również, choć trudne eksperymentalnie, oszacowanie masy bozonu Higgsa pośrednio. W Modelu Standardowym bozon Higgsa ma szereg efektów pośrednich; przede wszystkim pętle Higgsa powodują drobne korekty mas bozonów W i Z. Precyzyjne pomiary parametrów elektrosłabych, takich jak stała Fermiego i masy bozonów W i Z, mogą być wykorzystane do obliczenia ograniczeń masy Higgsa. Od lipca 2011 r. precyzyjne pomiary elektrosłabe mówią nam, że masa bozonu Higgsa prawdopodobnie będzie mniejsza niż około161 GeV/ c 2 przy 95% poziomie ufności . Te pośrednie ograniczenia opierają się na założeniu, że Model Standardowy jest poprawny. Nadal może być możliwe odkrycie bozonu Higgsa ponad tymi masami, jeśli towarzyszą mu inne cząstki poza tymi, które mieszczą się w Modelu Standardowym.

Produkcja

Diagramy Feynmana dla produkcji Higgsa
Fuzja gluonowa
Fuzja gluonowa
Higgs Strahlung
Higgs Strahlung
Wektorowa fuzja bozonów
Wektorowa fuzja bozonów
Najlepsza fuzja
Najlepsza fuzja

Jeśli teorie cząstek Higgsa są słuszne, wówczas cząstkę Higgsa można wytworzyć podobnie jak inne badane cząstki w zderzaczu cząstek . Wiąże się to z przyspieszaniem dużej liczby cząstek do ekstremalnie wysokich energii i ekstremalnie zbliżonych do prędkości światła , a następnie umożliwienie ich zderzenia się ze sobą. W LHC wykorzystywane są protony i jony ołowiu (gołe jądra atomów ołowiu ). W ekstremalnych energiach tych zderzeń od czasu do czasu powstaną pożądane cząstki ezoteryczne, co można wykryć i zbadać; wszelkie braki lub różnice w stosunku do teoretycznych oczekiwań można również wykorzystać do ulepszenia teorii. Odpowiednia teoria cząstek (w tym przypadku Model Standardowy) określi niezbędne rodzaje zderzeń i detektorów. Model Standardowy przewiduje, że bozony Higgsa mogą powstawać na wiele sposobów, chociaż prawdopodobieństwo wytworzenia bozonu Higgsa w jakimkolwiek zderzeniu zawsze jest bardzo małe – na przykład tylko jeden bozon Higgsa na 10 miliardów zderzeń w Wielkim Hadronie Zderzak. Najczęstszymi oczekiwanymi procesami produkcji bozonu Higgsa są:

Fuzja gluonowa
Jeśli zderzanymi cząstkami są hadrony, takie jak proton lub antyproton  – jak ma to miejsce w LHC i Tevatronie – to najprawdopodobniej zderzają się dwa gluony wiążące hadron. Najłatwiejszym sposobem wytworzenia cząstki Higgsa jest połączenie dwóch gluonów w pętlę wirtualnych kwarków. Ponieważ sprzężenie cząstek z bozonem Higgsa jest proporcjonalne do ich masy, proces ten jest bardziej prawdopodobny w przypadku ciężkich cząstek. W praktyce wystarczy wziąć pod uwagę wkłady wirtualnych kwarków górnych i dolnych (najcięższych kwarków). Proces ten jest dominującym wkładem w LHC, a Tevatron jest około dziesięciokrotnie bardziej prawdopodobny niż jakikolwiek inny proces.
Higgs Strahlung
Jeśli elementarny fermion zderzy się z antyfermionem – np. kwark z antykwarkiem lub elektron z pozytonem  – oba mogą się połączyć, tworząc wirtualny bozon W lub Z, który, jeśli ma wystarczającą energię, może emitować bozon Higgsa. Proces ten był dominującym sposobem produkcji w LEP, gdzie elektron i pozyton zderzyły się, tworząc wirtualny bozon Z, i był to drugi największy wkład w produkcję Higgsa w Tevatronie. W LHC proces ten jest dopiero trzecim co do wielkości, ponieważ LHC zderza protony z protonami, co sprawia, że ​​zderzenie kwark-antykwark jest mniej prawdopodobne niż w Tevatronie. Higgs Strahlung jest również znany jako produkcja powiązana .
Słaba fuzja bozonów
Inną możliwością, gdy zderzają się dwa (anty-)fermiony, jest wymiana wirtualnego bozonu W lub Z, który emituje bozon Higgsa. Zderzające się fermiony nie muszą być tego samego typu. Na przykład kwark górny może wymienić bozon Z na kwark dolny. Ten proces jest drugim najważniejszym procesem produkcji cząstki Higgsa w LHC i LEP.
Najlepsza fuzja
Ostateczny proces, który jest powszechnie rozważany, jest zdecydowanie najmniej prawdopodobny (o dwa rzędy wielkości). Proces ten obejmuje dwa zderzające się gluony, z których każdy rozpada się na parę ciężki kwark–antykwark. Kwark i antykwark z każdej pary mogą następnie połączyć się, tworząc cząstkę Higgsa.

Rozkład

Przewidywanie Modelu Standardowego dla szerokości rozpadu cząstki Higgsa zależy od wartości jej masy.

Mechanika kwantowa przewiduje, że jeśli możliwe jest rozbicie się cząstki na zestaw lżejszych cząstek, to w końcu tak się stanie. Dotyczy to również bozonu Higgsa. Prawdopodobieństwo, z jakim tak się dzieje, zależy od różnych czynników, w tym: różnicy masy, siły interakcji itp. Większość z tych czynników jest ustalona przez Model Standardowy, z wyjątkiem masy samego bozonu Higgsa. Dla bozonu Higgsa o ​​masie125 GeV/ c 2 SM przewiduje średni czas życia około1,6 x 10 -22  s .

Przewidywanie Modelu Standardowego dla stosunków rozgałęzień różnych trybów rozpadu cząstki Higgsa zależy od wartości jej masy.

Ponieważ oddziałuje ze wszystkimi masywnymi cząstkami elementarnymi SM, bozon Higgsa podlega wielu różnym procesom, przez które może się rozpadać. Każdy z tych możliwych procesów ma swoje prawdopodobieństwo, wyrażone jako stosunek rozgałęzień ; ułamek całkowitej liczby zanika, który następuje po tym procesie. SM przewiduje te stosunki rozgałęzień jako funkcję masy Higgsa (patrz wykres).

Jednym ze sposobów rozpadu Higgsa jest podzielenie się na parę fermion-antyfermion. Zgodnie z ogólną zasadą, Higgs jest bardziej podatny na rozpad na ciężkie fermiony niż na lekkie, ponieważ masa fermionu jest proporcjonalna do siły jego interakcji z Higgsem. Zgodnie z tą logiką, najczęstszy rozpad powinien przebiegać na parę kwarków górnych i antytopowych. Jednak taki rozpad byłby możliwy tylko wtedy, gdyby Higgsy były cięższe niż ~346 GeV/ c 2 , dwukrotność masy kwarka górnego. Dla masy Higgsa125 GeV/ c 2 SM przewiduje, że najczęstszym rozpadem jest para kwarków dolnych i antydennych, co zdarza się w 57,7% przypadków. Drugim najczęstszym rozpadem fermionu o tej masie jest para tau- antitau, która zdarza się tylko w około 6,3% przypadków.

Inną możliwością jest rozdzielenie Higgsa na parę masywnych bozonów o grubości. Najbardziej prawdopodobną możliwością jest rozpad bozonu Higgsa na parę bozonów W (jasnoniebieska linia na wykresie), co ma miejsce w około 21,5% przypadków bozonu Higgsa o ​​masie125 GeV/ c 2 . Bozony W mogą następnie rozpaść się albo na kwark i antykwark, albo na naładowany lepton i neutrino. Rozpady bozonów W na kwarki są trudne do odróżnienia od tła, a rozpadów na leptony nie da się w pełni odtworzyć (ponieważ neutrina są niemożliwe do wykrycia w eksperymentach zderzeń cząstek). Czystszy sygnał jest otrzymywany przez rozpad na parę bozonów Z (co zdarza się w około 2,6% czasu dla Higgsa o ​​masie125 GeV/ c 2 ), jeśli każdy z bozonów rozpada się następnie na parę łatwych do wykrycia naładowanych leptonów ( elektrony lub miony ).

Rozpad na bezmasowe bozony o cechowaniu (tj. gluony lub fotony ) jest również możliwy, ale wymaga pośredniej pętli wirtualnych ciężkich kwarków (górnych lub dolnych) lub masywnych bozonów cechowania. Najczęstszym takim procesem jest rozpad na parę gluonów poprzez pętlę wirtualnych ciężkich kwarków. Proces ten, będący odwrotnością wspomnianego powyżej procesu fuzji gluonów, ma miejsce około 8,6% czasu dla bozonu Higgsa o ​​masie125 GeV/ c 2 . O wiele rzadszy jest rozpad na parę fotonów, w którym pośredniczy pętla bozonów W lub ciężkich kwarków, co zdarza się tylko dwa razy na tysiąc rozpadów. Proces ten jest jednak bardzo istotny dla eksperymentalnych poszukiwań bozonu Higgsa, ponieważ energię i pęd fotonów można bardzo dokładnie zmierzyć, dając dokładną rekonstrukcję masy rozpadającej się cząstki.

Dyskusja publiczna

Nazewnictwo

Nazwy używane przez fizyków

Nazwa najsilniej związana z cząstką i polem to bozon Higgsa i pole Higgsa. Przez pewien czas cząstka była znana przez kombinację jej autorskich nazwisk z PRL (w tym czasami Andersona), na przykład cząstka Brouta–Englert–Higgs, cząstka Andersona-Higgsa, czy Englert–Brout–Higgs–Guralnik–Hagen– Mechanizm krokietów, które czasami są nadal używane. Podsycana po części kwestią uznania i potencjalnej wspólnej Nagrody Nobla, najbardziej odpowiednia nazwa wciąż była od czasu do czasu przedmiotem debaty aż do 2013 roku. Sam Higgs woli nazywać cząstkę skrótem wszystkich zaangażowanych osób lub „bozonem skalarnym”. ”, lub „tak zwana cząstka Higgsa”.

Wiele napisano o tym, jak nazwisko Higgsa zaczęło być używane wyłącznie. Oferowane są dwa główne wyjaśnienia. Po pierwsze, Higgs podjął w swoim artykule krok, który był albo wyjątkowy, jaśniejszy, albo bardziej wyraźny w formalnym przewidywaniu i badaniu cząstki. Spośród autorów artykułów PRL tylko artykuł Higgsa wyraźnie przedstawiał przewidywanie, że będzie istniała masywna cząstka i obliczył niektóre jej właściwości; był zatem „pierwszym, który postulował istnienie masywnej cząstki” według Natury . Fizyk i autor Frank Close oraz fizyk-blogger Peter Woit komentują, że artykuł GHK został również ukończony po przesłaniu Higgsa i Brout-Englert do Physical Review Letters , i że sam Higgs zwrócił uwagę na przewidywany masywny bozon skalarny , podczas gdy wszystkie inni skupili się na masywnych bozonach wektorowych . W ten sposób wkład Higgsa dostarczył również eksperymentatorom kluczowego „konkretnego celu” potrzebnego do przetestowania teorii.

Jednak zdaniem Higgsa, Brout i Englert nie wspomnieli wprost o bozonie, ponieważ jego istnienie jest w ich pracy oczywiste, podczas gdy według Guralnika artykuł GHK był kompletną analizą całego mechanizmu łamania symetrii, którego matematyczny rygor jest nieobecny w inne dwa artykuły, aw niektórych roztworach może istnieć masywna cząstka. Według historyka nauki Davida Kaisera artykuł Higgsa dostarczył również „szczególnie ostrego” przedstawienia wyzwania i jego rozwiązania .

Alternatywnym wyjaśnieniem jest to, że nazwa ta została spopularyzowana w latach 70. ze względu na użycie jej jako wygodnego skrótu lub z powodu błędu w cytowaniu. Wiele kont (w tym własne Higgsa ) przypisuje nazwisko „Higgs” fizykowi Benjaminowi Lee . Lee był znaczącym popularyzatorem teorii we wczesnych latach i zwyczajowo przypisywał nazwę „Higgs” jako „wygodny skrót” dla jej elementów od 1972 r. i przynajmniej w jednym przypadku już od 1966 r. Chociaż Lee wyjaśnił w swoim przypis, że „'Higgs' jest skrótem od Higgs, Kibble, Guralnik, Hagen, Brout, Englert”, jego użycie tego terminu (a być może także błędne cytowanie przez Stevena Weinberga artykułu Higgsa jako pierwszego w jego przełomowym artykule z 1967 roku) oznaczało że około 1975-1976 inni zaczęli używać nazwy „Higgs” wyłącznie jako skrótu. W 2012 roku fizyk Frank Wilczek , który był uznawany za nazwanie elementarną cząstek, tym Axion (ponad alternatywnej propozycji „Higglet”, przez Weinberga) zatwierdziła „bozon Higgsa” nazwy, stwierdzając, „Historia jest skomplikowana, a gdziekolwiek wyciągnąć linia, będzie ktoś tuż pod nią."

Przezwisko

Bozon Higgsa jest często określany jako „boska cząstka” w popularnych mediach poza społecznością naukową. Pseudonim pochodzi od tytułu książki z 1993 roku poświęconej fizyce bozonu Higgsa i fizyce cząstek elementarnych, The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? przez laureata Nagrody Nobla Fizyka i Fermilab reżyser Leon Lederman . Lederman napisał to w kontekście nieudanego wsparcia rządu USA dla Superconducting Super Collider , częściowo skonstruowanego tytanicznego konkurenta Wielkiego Zderzacza Hadronów o planowanych energiach zderzeń 2 × 20 TeV, który był broniony przez Ledermana od jego powstania w 1983 roku i został zamknięty w 1993 roku Książka starała się częściowo promować świadomość znaczenia i potrzeby takiego projektu w obliczu możliwej utraty finansowania. Lederman, czołowy badacz w tej dziedzinie, pisze, że chciał zatytułować swoją książkę Cholerna cząstka: Jeśli wszechświat jest odpowiedzią, jakie jest pytanie? Redaktor Ledermana uznał, że tytuł jest zbyt kontrowersyjny i przekonał go do zmiany tytułu na God Particle: Jeśli wszechświat jest odpowiedzią, jakie jest pytanie?

Chociaż użycie tego terminu w mediach mogło przyczynić się do większej świadomości i zainteresowania, wielu naukowców uważa, że ​​nazwa ta jest niewłaściwa, ponieważ jest sensacyjną hiperbolą i wprowadza w błąd czytelników; cząstka również nie ma nic wspólnego z żadnym Bogiem , pozostawia otwarte liczne pytania w fizyce fundamentalnej i nie wyjaśnia ostatecznego pochodzenia wszechświata . Higgs , ateista , był niezadowolony i stwierdził w wywiadzie z 2008 roku, że uważa to za "wstydliwe", ponieważ jest to "rodzaj nadużycia... który moim zdaniem może obrazić niektórych ludzi". Pseudonim został wyśmiewany również w mediach głównego nurtu. Pisarz naukowy Ian Sample stwierdził w swojej książce z 2010 roku na temat poszukiwań, że pseudonim jest „powszechnie nienawidzony” przez fizyków i być może „najgorszym wyśmiewanym” w historii fizyki , ale (według Ledermana) wydawca odrzucił wszystkie tytuły wspominając "Higgsa" jako pozbawionego wyobraźni i zbyt nieznanego.

Lederman rozpoczyna od przeglądu długich ludzkich poszukiwań wiedzy i wyjaśnia, że ​​jego żartobliwy tytuł nakreśla analogię między wpływem pola Higgsa na fundamentalne symetrie podczas Wielkiego Wybuchu a pozornym chaosem struktur, cząstek. , siły i interakcje, które doprowadziły i ukształtowały nasz obecny wszechświat, z biblijną historią Babel, w której pierwotny pojedynczy język wczesnej Księgi Rodzaju został podzielony na wiele różnych języków i kultur.

Dzisiaj… mamy model standardowy, który sprowadza całą rzeczywistość do kilkunastu cząstek i czterech sił… To z trudem wywalczona prostota […i…] niezwykle dokładna. Ale jest też niekompletny i w rzeczywistości niespójny wewnętrznie… Ten bozon jest tak kluczowy dla dzisiejszego stanu fizyki, tak kluczowy dla naszego ostatecznego zrozumienia struktury materii, a jednocześnie tak nieuchwytny, że nadałem mu przydomek : Boska Cząstka. Dlaczego boska cząstka? Dwa powody. Po pierwsze, wydawca nie pozwoliłby nam nazwać tego cholerną cząstką, chociaż może to być bardziej odpowiedni tytuł, biorąc pod uwagę jego nikczemny charakter i koszty, jakie powoduje. A po drugie, jest coś w rodzaju związku z inną książką , znacznie starszą...
— Lederman i Teresi Boska cząstka: Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jakie jest pytanie?

Lederman pyta, czy bozon Higgsa został dodany tylko po to, by zakłopotać i zmylić tych, którzy szukają wiedzy o wszechświecie, i czy fizycy będą zdezorientowani tym, jak opisano w tej historii, czy też ostatecznie pokonają wyzwanie i zrozumieją „jak piękny jest wszechświat [Bóg ] zrobiony".

Inne propozycje

Konkurs na zmianę nazwy przeprowadzony przez brytyjską gazetę The Guardian w 2009 roku spowodował, że ich korespondent naukowy wybrał nazwę „ bozon butelki szampana ” jako najlepsze zgłoszenie: „Dno butelki szampana ma kształt potencjału Higgsa i jest często używane jako ilustracja na wykładach z fizyki. Więc to nie jest żenująco imponująca nazwa, jest zapadająca w pamięć i [ma] również pewne powiązanie z fizyką”. Nazwa Higgson została również zasugerowana w opinii opublikowanej w internetowej publikacji Instytutu Fizyki -physiworld.com .

Wyjaśnienia i analogie edukacyjne

Zdjęcie światła przechodzącego przez pryzmat dyspersyjny : efekt tęczy powstaje, ponieważ nie wszystkie fotony są pod wpływem materiału dyspersyjnego pryzmatu w tym samym stopniu.

Odbyła się szeroko zakrojona publiczna dyskusja na temat analogii i wyjaśnień cząstki Higgsa i tego, jak pole tworzy masę, w tym omówienie prób wyjaśniających na własną rękę oraz konkurs w 1993 r. na najlepsze popularne wyjaśnienie przez ówczesnego brytyjskiego ministra nauki Sir Williama Waldegrave'a oraz artykuły w gazetach na całym świecie.

Współpraca edukacyjna z udziałem fizyka LHC i nauczyciela z liceum w CERN sugeruje, że rozproszenie światła  – odpowiedzialne za tęczę i pryzmat dyspersyjny  – jest użyteczną analogią do łamania symetrii pola Higgsa i efektu masowego.

Łamanie symetrii
w optyce
W próżni światło wszystkich kolorów (lub fotony o wszystkich długościach fal ) przemieszcza się z tą samą prędkością , co jest sytuacją symetryczną. W niektórych substancjach, takich jak szkło , woda czy powietrze , ta symetria jest zaburzona (patrz: Fotony w materii ) . W rezultacie światło o różnych długościach fal ma różne prędkości .
Łamanie symetrii
w fizyce cząstek
W „naiwnych” teoriach z cechowaniem bozony cechowania i inne fundamentalne cząstki są bezmasowe – również w sytuacji symetrycznej. W obecności pola Higgsa symetria ta zostaje złamana. W rezultacie cząstki różnych typów będą miały różne masy.

Matt Strassler używa pól elektrycznych jako analogii:

Niektóre cząstki oddziałują z polem Higgsa, podczas gdy inne nie. Te cząstki, które wyczuwają pole Higgsa, zachowują się tak, jakby miały masę. Coś podobnego dzieje się w polu elektrycznym  – naładowane obiekty są przyciągane i neutralne obiekty mogą przepływać przez nie nienaruszone. Możesz więc myśleć o wyszukiwaniu Higgsa jako o próbie wywołania fal w polu Higgsa [ utworzenie bozonów Higgsa ], aby udowodnić, że naprawdę tam jest.

Podobne wyjaśnienie podał The Guardian :

Bozon Higgsa to w zasadzie fala na polu, które, jak się mówi, wyłoniło się wraz z narodzinami wszechświata i obejmuje kosmos do dnia dzisiejszego… Cząstka ma jednak kluczowe znaczenie: jest to dymiąca broń , dowód wymagany do wykazania teorii jest w porządku.

Wpływ pola Higgsa na cząstki został słynnie opisany przez fizyka Davida Millera jako podobny do pokoju pełnego pracowników partii politycznych rozmieszczonych równomiernie w całym pomieszczeniu: tłum przyciąga i spowalnia sławnych ludzi, ale nie spowalnia innych. Zwrócił także uwagę na dobrze znane efekty w fizyce ciała stałego, gdzie efektywna masa elektronu może być znacznie większa niż zwykle w obecności sieci krystalicznej.

Analogie oparte na efektach oporu , w tym analogie do „ syropu ” lub „ melasy ”, są również dobrze znane, ale mogą być nieco mylące, ponieważ mogą być rozumiane (błędnie) jako stwierdzenie, że pole Higgsa po prostu opiera się ruchowi jednych cząstek, ale innych nie. – prosty efekt rezystancyjny mógłby również kolidować z trzecim prawem Newtona .

Uznanie i nagrody

Przed końcem 2013 r. toczyła się dyskusja na temat tego, jak przydzielić kredyt, jeśli udowodniono, że bozon Higgsa jest udowodniony, bardziej wskazany, ponieważ oczekiwano nagrody Nobla , i bardzo szeroką bazę osób uprawnionych do wzięcia pod uwagę. Należą do nich szereg teoretyków, którzy umożliwili powstanie teorii mechanizmu Higgsa, teoretycy z artykułów PRL z 1964 r. (w tym sam Higgs), teoretycy, którzy wyprowadzili z nich działającą teorię elektrosłabą i sam Model Standardowy, a także eksperymentatorzy z CERN i inne instytucje, które umożliwiły dowód istnienia pola Higgsa i bozonu w rzeczywistości. Nagroda Nobla ma limit trzech osób, które mogą dzielić nagrodę, a niektórzy potencjalni zwycięzcy są już posiadaczami nagrody za inną pracę lub nie żyją (nagroda jest przyznawana tylko osobom za ich życia). Istniejące nagrody za prace związane z polem Higgsa, bozonem lub mechanizmem obejmują:

  • Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki (1979) – Glashow , Salam i Weinberg , za wkład w teorię zunifikowanego oddziaływania słabego i elektromagnetycznego między cząstkami elementarnymi
  • Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki (1999) – 't Hooft i Veltman , za wyjaśnienie struktury kwantowej oddziaływań elektrosłabych w fizyce
  • Nagroda JJ Sakurai for Theoretical Particle Physics (2010) – Hagen, Englert, Guralnik, Higgs, Brout i Kibble, za wyjaśnienie właściwości spontanicznego łamania symetrii w czterowymiarowej relatywistycznej teorii cechowania oraz mechanizmu spójnego generowania wektora masy bozonowe (dla artykułów z 1964 r. opisanych powyżej )
  • Nagroda Wolfa (2004) – Englert, Brout i Higgs
  • Nagroda Specjalna za Przełomowe w dziedzinie Fizyki Podstawowej (2013) – Fabiola Gianotti i Peter Jenni , rzecznicy współpracy ATLAS oraz Michel Della Negra, Tejinder Singh Virdee, Guido Tonelli i Joseph Incandela, byli i obecni rzecznicy współpracy CMS, „Dla [ ich] wiodącą rolę w przedsięwzięciu naukowym, które doprowadziło do odkrycia nowej cząstki podobnej do Higgsa przez współpracę ATLAS i CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN”.
  • Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki (2013) – Peter Higgs i François Englert , za teoretyczne odkrycie mechanizmu, który przyczynia się do naszego zrozumienia pochodzenia masy cząstek subatomowych, a który niedawno został potwierdzony poprzez odkrycie przewidywanej cząstki fundamentalnej, przez eksperymenty ATLAS i CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN

Współbadacz Englerta, Robert Brout, zmarł w 2011 roku, a Nagroda Nobla zwyczajnie nie jest przyznawana pośmiertnie .

Dodatkowo , 50-letni przegląd Physical Review Letters (2008) rozpoznał prace łamania symetrii PRL z 1964 r. oraz artykuł Weinberga z 1967 r . Model Leptonów (najczęściej cytowany artykuł w dziedzinie fizyki cząstek, od 2012 r.) „Kamienie milowe”.

Po odnotowanej obserwacji cząstki podobnej do Higgsa w lipcu 2012 r. kilka indyjskich mediów doniosło o rzekomym zaniedbaniu zasług indyjskiego fizyka Satyendry Nath Bose, po którego pracach w latach 20. XX wieku nazwano klasę cząstek „ bozonami ” (chociaż fizycy opisali Związek Bose z odkryciem jest wątły).

Aspekty techniczne i sformułowanie matematyczne

Potencjał pola Higgsa wykreślony jako funkcja i . Ma profil meksykańskiego kapelusza lub butelki szampana na ziemi.

W modelu standardowym Higgs pole jest polem skalarne cztery składnik, który tworzy kompleks dublet o słabej izospinowych su (2) symetrii:

gdy pole ma ładunek +1/2pod słabą symetrią hiperładowania U(1) .

Uwaga: ten artykuł stosuje konwencję skalowania, w którym ładunek elektryczny, P The słaby izospinowych , T 3 i słabych hiperładunek, T W , związane są Q = T 3 + Y W . Inną konwencją stosowaną w większości innych artykułów Wikipedii jest Q = T 3 +1/2Y W .

Higgsowa część Lagrange'a to

gdzie i to Bozony Gauge o su (2) i u (1) symetrii, oraz ich stałych sprzężenia , są macierze Pauli (Kompletny zestaw generatorów SU (2) symetrii), a , a , dzięki czemu ziemia stan łamie symetrię SU(2) (patrz rysunek).

Stan podstawowy pola Higgsa (dno potencjału) jest zdegenerowany z różnymi stanami podstawowymi powiązanymi ze sobą przez transformację cechowania SU(2). Zawsze można dobrać miernik tak, aby był w stanie podstawowym . Wartość oczekiwana w stanie podstawowym ( wartość oczekiwana próżni lub VEV) wynosi wtedy , gdzie . Zmierzona wartość tego parametru wynosi ~246 GeV/ c 2 . Ma jednostki masy i jest jedynym wolnym parametrem Modelu Standardowego, który nie jest liczbą bezwymiarową. Wyrazy kwadratowe w i powstają, które dają masy bozonom W i Z:

z ich stosunkiem określającym kąt Weinberga , , i pozostawiają bezmasowy foton U(1) , . Masa samego bozonu Higgsa jest dana przez

Kwarki i leptony oddziałują z polem Higgsa poprzez warunki interakcji Yukawy :

gdzie to lewoskrętne i prawoskrętne kwarki i leptony i- tej generacji , to macierze sprzężeń Yukawa, gdzie hc oznacza hermitowski sprzężenie wszystkich poprzednich wyrazów. W stanie podstawowym łamiącym symetrię pozostają tylko składniki zawierające , co powoduje powstanie składników masowych dla fermionów. Obracając pola kwarków i leptonów do podstawy, w której macierze sprzężeń Yukawy są ukośne, otrzymujemy

gdzie są masy fermionów i oznaczają wartości własne macierzy Yukawa.

Zobacz też

Model standardowy
Inne

Uwagi

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki

Popularna nauka, środki masowego przekazu i zasięg ogólny

Ważne dokumenty i inne

Wprowadzenie do dziedziny