Бозон Хиггса

«Частица Бога» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о других значениях, см. Частица Бога (значения) .

Бозон Хиггса

События бозона-кандидата Хиггса в столкновений протонов результате на БАКе . Верхнее событие эксперимента CMS показывает распад на два фотона (пунктирные желтые линии и зеленые башни). Нижнее событие в эксперименте ATLAS показывает распад на четыре мюона (красные треки).
Состав	Элементарная частица
Статистика	бозонный
Символ	ЧАС 0
Теоретический	Р. Браут , Ф. Энглерт , П. Хиггс , Г.С. Гуральник , Ч.Р. Хаген и TWB Киббл (1964)
Обнаруженный	Большой адронный коллайдер (2011–2013 гг.)
Масса	125,11 ± 0,11 ГэВ/ c 2
Средний срок службы	1.56 × 10 −22 с (прогнозировано) 1.2 ~ 4.6 × 10 −22 s (ориентировочно измерено при значимости 3,2 сигмы (1 из 1000))
Распадается на	Пара дно – антидно (наблюдается) Два W-бозона (наблюдаются) Два глюона (предсказано) Пара Тау -антитау (наблюдается) Два Z-бозона (наблюдаются) Два фотона (наблюдаемые) Два лептона и фотон (распад Далица через виртуальный фотон ) (ориентировочно наблюдается при значимости сигма 3,2 (1 из 1000)) Пара мюон -антимюон (предсказано) Различные другие распады (предсказаны)
Электрический заряд	0 и
Цветовой заряд	0
Вращаться	0 ч.
Слабый изоспин	− ⁠ 1 / 2 ⁠
Слабый гиперзаряд	+1
Паритет	+1

, Бозон Хиггса иногда называемый частицей Хиггса , — элементарная частица в Стандартной модели физики элементарных частиц, возникающая в результате квантового возбуждения поля Хиггса . одно из направлений теории физики элементарных частиц . В Стандартной модели частица Хиггса представляет собой массивный скалярный бозон с нулевым спином , четной (положительной) четностью , без электрического заряда и цветового заряда , который связывается с массой (взаимодействует с ней). Он также очень нестабилен и распадается на другие частицы почти сразу после рождения.

Поле Хиггса представляет собой скалярное поле с двумя нейтральными и двумя электрически заряженными компонентами, образующими сложный дублет слабой изоспиновой SU(2)-симметрии. Его « потенциал Сомбреро » приводит к тому, что он принимает ненулевое значение повсюду (включая пустое пространство), что нарушает слабую изоспиновую симметрию электрослабого взаимодействия и посредством механизма Хиггса придает массу покоя всем массивным элементарным частицам Стандартной модели. , включая сам бозон Хиггса. Существование поля Хиггса стало последней непроверенной частью Стандартной модели физики элементарных частиц и в течение нескольких десятилетий считалось «центральной проблемой физики элементарных частиц».

И поле, и бозон названы в честь физика Питера Хиггса , который в 1964 году вместе с пятью другими учёными в трёх группах предложил механизм Хиггса — способ приобретения массы некоторыми частицами . (Все фундаментальные частицы, известные на тот момент должен быть безмассовым при очень высоких энергиях, но полностью объяснить, как некоторые частицы приобретают массу при более низких энергиях, было чрезвычайно сложно.) Если бы эти идеи были верны, частица, известная как скалярный бозон, также должна была бы существовать (с определенными свойствами). Эта частица была названа бозоном Хиггса, и ее можно было использовать для проверки того, является ли поле Хиггса правильным объяснением.

После 40-летних поисков субатомная частица с ожидаемыми свойствами была обнаружена в 2012 году в ходе экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе недалеко от Женевы , Швейцария. Впоследствии было подтверждено, что новая частица соответствует ожидаемым свойствам бозона Хиггса. Физики из двух из трех команд, Питер Хиггс и Франсуа Энглерт , были удостоены Нобелевской премии по физике в 2013 году за свои теоретические предсказания. Хотя имя Хиггса стало ассоциироваться с этой теорией, несколько исследователей в период с 1960 по 1972 год независимо друг от друга разработали различные ее части.

В средствах массовой информации бозон Хиггса часто называют « частицей Бога » в честь книги «Частица Бога» нобелевского лауреата Леона Ледермана , вышедшей в 1993 году . Название подверглось критике со стороны физиков. включая Хиггса.

Введение

Стандартная модель

Физики объясняют фундаментальные частицы и силы нашей Вселенной с помощью Стандартной модели — широко распространенной модели, основанной на квантовой теории поля предсказывает почти все известные частицы и силы, помимо гравитации , которая с большой точностью . (Для гравитации используется отдельная теория, общая теория относительности .) В Стандартной модели частицы и силы в природе (помимо гравитации) возникают из свойств квантовых полей, известных как калибровочная инвариантность и симметрия . Силы в Стандартной модели передаются частицами, известными как калибровочные бозоны .

Калибровочные инвариантные теории и симметрии

«Сказать, что физика — это исследование симметрии, было бы лишь немного преувеличением» — Филип Андерсон , Нобелевский лауреат по физике.

Калибровочно-инвариантные теории — это теории, обладающие полезным свойством; некоторые виды изменений стоимости определенных предметов не влияют на результаты или измерения, которые мы проводим. Пример: изменение напряжения в электромагните на +100 вольт не вызывает никакого изменения создаваемого им магнитного поля . Точно так же измерение скорости света в вакууме, по-видимому, дает одинаковый результат, независимо от местоположения во времени и пространстве и независимо от местного гравитационного поля .

В теориях такого типа калибр — это элемент, значение которого мы можем изменить. Тот факт, что некоторые изменения оставляют результаты, которые мы измеряем, неизменными, означает, что это калибровочно-инвариантная теория, а симметрии — это особые виды изменений в калибровке, которые приводят к оставлению измерений неизменными. Симметрии такого рода являются мощными инструментами для глубокого понимания фундаментальных сил и частиц нашего физического мира. Поэтому калибровочная инвариантность является важным свойством теории физики элементарных частиц. Они тесно связаны с законами сохранения и описываются математически с помощью теории групп . Квантовая теория поля и Стандартная модель являются калибровочно-инвариантными теориями, то есть они фокусируются на свойствах нашей Вселенной, демонстрируя это свойство калибровочной инвариантности и связанные с ней симметрии.

Проблема массы калибровочного бозона (покоя)

Квантовые теории поля, основанные на калибровочной инвариантности, с большим успехом использовались для понимания электромагнитных и сильных взаимодействий , но примерно к 1960 году все попытки создать калибровочно-инвариантную теорию для слабого взаимодействия (и ее комбинации с электромагнитным взаимодействием, известной вместе как электрослабое взаимодействие ) постоянно терпели неудачу. В результате этих неудач калибровочные теории начали терять репутацию. Проблема заключалась в том, что требования симметрии для этих двух взаимодействий неверно предсказывали, что калибровочные бозоны слабого взаимодействия ( W и Z частицы ) будут иметь «нулевую массу» (в специальной терминологии физики элементарных частиц «масса» относится конкретно к массе покоя ). Но эксперименты показали, что калибровочные бозоны W и Z имеют ненулевую массу (массу покоя).

Кроме того, многие многообещающие решения, по-видимому, требуют существования дополнительных частиц, известных как бозоны Голдстоуна . Но данные свидетельствуют о том, что их тоже не существовало. Это означало, что либо калибровочная инвариантность была неправильным подходом, либо что-то неизвестное придавало W- и Z-бозонам слабого взаимодействия их массу и делало это таким образом, чтобы не создавать бозонов Голдстоуна. К концу 1950-х и началу 1960-х годов физики не знали, как решить эти проблемы или как создать всеобъемлющую теорию физики элементарных частиц.

Нарушение симметрии

В конце 1950-х годов Ёитиро Намбу осознал, что при определённых условиях может произойти спонтанное нарушение симметрии — процесс, при котором симметричная система становится асимметричной. Нарушение симметрии — это когда какая-то переменная, которая ранее не влияла на результаты измерений ( изначально это была «симметрия» ), теперь влияет на результаты измерений ( теперь она «нарушена» и больше не является симметрией ). В 1962 году физик Филип Андерсон , эксперт в области физики конденсированного состояния , заметил, что нарушение симметрии играет роль в сверхпроводимости , и предположил, что это также может быть частью ответа на проблему калибровочной инвариантности в физике элементарных частиц.

В частности, Андерсон предположил, что бозоны Голдстоуна , возникающие в результате нарушения симметрии, могут вместо этого в некоторых обстоятельствах быть «поглощены». безмассовыми W- и Z-бозонами . Если бы это было так, возможно, бозонов Голдстоуна не существовало бы, а бозоны W и Z могли бы набирать массу , решая обе проблемы одновременно. Подобное поведение уже теоретически предполагалось в сверхпроводимости. показали, что это теоретически возможно В 1964 году физики Абрахам Кляйн и Бенджамин Ли , по крайней мере, для некоторых ограниченных ( нерелятивистских ) случаев.

Механизм Хиггса

Основные статьи: механизм Хиггса и Стандартная модель

По итогам 1963 г. и начало 1964 г. В статьях три группы исследователей независимо друг от друга более полно развили эти теории в так называемых статьях о нарушении симметрии ПРЛ 1964 года . Все три группы пришли к одинаковым выводам и для всех случаев, а не только для некоторых ограниченных случаев. Они показали, что условия электрослабой симметрии были бы «нарушены», если бы во Вселенной существовал необычный тип поля , и действительно, не было бы голдстоуновских бозонов, а некоторые существующие бозоны приобрели бы массу .

Поле, необходимое для того, чтобы это произошло (которое в то время было чисто гипотетическим), стало известно как поле Хиггса (в честь Питера Хиггса , одного из исследователей), а механизм, с помощью которого оно приводило к нарушению симметрии, стал известен как механизм Хиггса . Ключевой особенностью необходимого поля является то, что для того, чтобы поле имело ненулевое значение, чем нулевое, потребуется меньше энергии, в отличие от всех других известных полей, поэтому поле Хиггса имеет ненулевое значение (или вакуумное математическое ожидание) . ) повсюду . Это ненулевое значение теоретически может нарушить электрослабую симметрию. Это было первое предложение, способное показать, как слабые калибровочные бозоны могут иметь массу, несмотря на их основную симметрию, в рамках калибровочно-инвариантной теории.

Хотя эти идеи не получили первоначальной поддержки или внимания, к 1972 году они превратились в всеобъемлющую теорию и доказали, что способны давать «разумные» результаты , которые точно описывали известные в то время частицы и которые с исключительной точностью предсказывали несколько других частиц. частицы, открытые в последующие годы . В 1970-е годы эти теории быстро стали Стандартной моделью физики элементарных частиц.

Поле Хиггса

Чтобы обеспечить нарушение симметрии, Стандартная модель включает поле , необходимое для «нарушения» электрослабой симметрии и придания частицам правильной массы. Предполагалось, что это поле, которое стало известно как «поле Хиггса», существует во всем пространстве и нарушает некоторые законы симметрии электрослабого взаимодействия , запуская механизм Хиггса. Следовательно, это привело бы к тому, что калибровочные бозоны W и Z слабого взаимодействия стали бы массивными при всех температурах ниже чрезвычайно высокого значения. Когда бозоны слабого взаимодействия приобретают массу, это влияет на расстояние, которое они могут свободно преодолеть, которое становится очень малым, что также соответствует экспериментальным данным. Более того, позже стало понятно, что то же самое поле может по-другому объяснить, почему другие фундаментальные составляющие материи (включая электроны и кварки ) имеют массу.

В отличие от всех других известных полей, таких как электромагнитное поле , поле Хиггса является скалярным полем и имеет ненулевое среднее значение в вакууме .

«Центральная проблема»

Прямых доказательств существования поля Хиггса еще не было, но даже без прямых доказательств точность его предсказаний заставила ученых поверить в то, что теория может быть верной. К 1980-м годам вопрос о том, существует ли поле Хиггса и, следовательно, корректна ли вся Стандартная модель, стал считаться одним из наиболее важных вопросов, оставшихся без ответа, в физике элементарных частиц . Существование поля Хиггса стало последней непроверенной частью Стандартной модели физики элементарных частиц и в течение нескольких десятилетий считалось «центральной проблемой физики элементарных частиц».

На протяжении многих десятилетий у учёных не было возможности определить, существует ли поле Хиггса, поскольку в то время не существовало технологии, необходимой для его обнаружения. Если бы поле Хиггса действительно существовало, то оно не было бы похоже ни на одно другое известное фундаментальное поле, но также возможно, что эти ключевые идеи или даже вся Стандартная модель были в чем-то неверны.

Предполагаемая теория Хиггса сделала несколько ключевых предсказаний. Одним из важнейших предсказаний было то, что соответствующая частица , называемая «бозоном Хиггса», также должна существовать. Доказательство существования бозона Хиггса докажет существование поля Хиггса и, следовательно, окончательно докажет правильность объяснения Стандартной модели. Поэтому были проведены обширные поиски бозона Хиггса , как способа доказать существование самого поля Хиггса.

Поиск и открытие

Хотя поле Хиггса существовало бы повсюду, доказать его существование было далеко не просто. В принципе, его существование можно доказать, обнаружив его возбуждения , которые проявляются в виде частиц Хиггса ( бозона Хиггса ), но их чрезвычайно трудно создать и обнаружить из-за энергии, необходимой для их создания, и их очень редкого образования, даже если энергии достаточно. Таким образом, прошло несколько десятилетий, прежде чем удалось найти первые свидетельства существования бозона Хиггса. коллайдеров частиц , детекторов и компьютеров, способных искать бозоны Хиггса, ушло более 30 лет ( около 1980–2010 гг . ) На разработку . Важность этого фундаментального вопроса привела к 40-летним поискам и строительству одной из самых дорогих и сложных экспериментальных установок в мире на сегодняшний день — ЦЕРН коллайдера Большого адронного . в попытке создать бозоны Хиггса и другие частицы для наблюдения и изучения.

4 июля 2012 года была открыта новая частица с массой от 125 до 127 ГэВ/ с. ² было объявлено; физики подозревали, что это был бозон Хиггса. С тех пор было показано, что частица ведет себя, взаимодействует и распадается многими способами, предсказанными для частиц Хиггса Стандартной моделью, а также имеет четность и нулевой спин . два фундаментальных свойства бозона Хиггса. Это также означает, что это первая элементарная скалярная частица , обнаруженная в природе.

К марту 2013 года существование бозона Хиггса было подтверждено, и, следовательно, концепция некоторого типа поля Хиггса во всем пространстве получила сильную поддержку. Наличие поля, теперь подтвержденное экспериментальными исследованиями, объясняет, почему некоторые фундаментальные частицы имеют массу (покоя) , несмотря на симметрию, контролирующую их взаимодействия, подразумевающую, что они должны быть «безмассовыми». Это также решает несколько других давних загадок, таких как причина чрезвычайно короткого расстояния, которое преодолевают бозоны слабого взаимодействия , и, следовательно, чрезвычайно короткого радиуса действия слабого взаимодействия. По состоянию на 2018 год углубленные исследования показывают, что частица продолжает вести себя в соответствии с предсказаниями для бозона Хиггса Стандартной модели. Необходимы дополнительные исследования, чтобы с большей точностью подтвердить, что обнаруженная частица обладает всеми предсказанными свойствами или существует ли, как описано некоторыми теориями, несколько бозонов Хиггса.

Природа и свойства этого поля сейчас исследуются дальше с использованием большего количества данных, собранных на БАКе.

Интерпретация

различные аналогии Для описания поля Хиггса и бозона использовались , включая аналогии с хорошо известными эффектами, нарушающими симметрию, такими как радуга и призма , электрические поля и рябь на поверхности воды.

Другие аналогии, основанные на сопротивлении макрообъектов, движущихся через среду (например, людей, движущихся сквозь толпу, или некоторых объектов, движущихся через сироп или патоку ), широко используются, но вводят в заблуждение, поскольку поле Хиггса на самом деле не сопротивляется частицам, а эффект массы не вызвано сопротивлением.

Обзор бозона Хиггса и свойств поля

« Потенциал Сомбреро » поля Хиггса ответственен за набор массы некоторыми частицами.

В Стандартной модели бозон Хиггса — это массивный скалярный бозон , массу которого необходимо найти экспериментально. Его масса определена как 125,35 ± 0,15 ГэВ/ с. ² от CMS (2022 г.) и 125,11 ± 0,11 ГэВ/ c ² АТЛАС (2023). Это единственная частица, которая остается массивной даже при очень высоких энергиях. У него нулевой спин , четная (положительная) четность , нет электрического заряда и цветового заряда , и он соединяется с массой (взаимодействует с ней). Он также очень нестабилен и почти сразу распадается на другие частицы несколькими возможными путями.

Хиггса Поле представляет собой скалярное поле с двумя нейтральными и двумя электрически заряженными компонентами, которые образуют сложный дублет слабой изоспиновой симметрии SU (2). В отличие от любого другого известного квантового поля, оно обладает потенциалом Сомбреро . Такая форма означает, что ниже чрезвычайно высоких энергий около 159,5 ± 1,5 ГэВ такие, как те, которые наблюдаются в течение первой пикосекунды (10 ⁻¹² s) Большого взрыва , поле Хиггса в его основном состоянии требует меньше энергии, чтобы иметь ненулевое вакуумное математическое ожидание (значение), чем нулевое значение. Поэтому в сегодняшней Вселенной поле Хиггса имеет ненулевое значение везде (включая пустое пространство). Это ненулевое значение, в свою очередь, повсеместно нарушает изоспиновую SU(2)-симметрию электрослабого взаимодействия . (Технически ненулевое математическое ожидание преобразует члены связи Юкавы лагранжиана в массовые члены.) Когда это происходит, три компонента поля Хиггса «поглощаются» калибровочными бозонами SU(2) и U(1) ( « механизм Хиггса »), чтобы стать продольными компонентами теперь уже массивных W- и Z-бозонов взаимодействия слабого . Оставшийся электрически нейтральный компонент либо проявляется как бозон Хиггса, либо может соединяться отдельно с другими частицами, известными как фермионы (через связи Юкавы ), заставляя их приобретать массу . также

Значение

Доказательства существования поля Хиггса и его свойств были чрезвычайно важны по многим причинам. Важность бозона Хиггса во многом заключается в том, что его можно исследовать, используя существующие знания и экспериментальные технологии, как способ подтвердить и изучить всю теорию поля Хиггса. И наоборот, доказательство того, что поля Хиггса и бозона не существует, также имело бы важное значение.

Физика элементарных частиц

Валидация Стандартной модели

Бозон Хиггса подтверждает Стандартную модель посредством механизма генерации массы . По мере того, как будут проводиться более точные измерения его свойств, могут быть предложены или исключены более продвинутые расширения. По мере разработки экспериментальных средств измерения поведения и взаимодействий поля это фундаментальное поле может быть лучше понято. Если бы поле Хиггса не было открыто, Стандартную модель пришлось бы модифицировать или заменить.

, вероятно, появится «новая» В связи с этим среди физиков обычно существует убеждение, что за пределами Стандартной модели физика , и что Стандартная модель в какой-то момент будет расширена или заменена. Открытие Хиггса, а также многочисленные измерения столкновений, происходящих на БАКе, предоставляют физикам чувствительный инструмент для поиска в своих данных любых доказательств того, что Стандартная модель, похоже, не работает, и могут предоставить важные доказательства, которые помогут исследователям в будущих теоретических разработках.

Нарушение симметрии электрослабого взаимодействия

Ниже чрезвычайно высокой температуры нарушение электрослабой симметрии приводит к тому, что электрослабое взаимодействие частично проявляется как короткодействующее слабое взаимодействие , которое переносится массивными калибровочными бозонами . Считается, что в истории Вселенной нарушение электрослабой симметрии происходило примерно за 1 пикосекунду (10 ⁻¹² с) после Большого взрыва , когда Вселенная имела температуру 159,5 ± 1,5 ГэВ кВ _. / Это нарушение симметрии необходимо для формирования атомов и других структур, а также для ядерных реакций в звездах, таких как Солнце . Поле Хиггса ответственно за это нарушение симметрии.

Получение массы частиц

Поле Хиггса играет решающую роль в генерации масс кварков калибровочных и заряженных лептонов (посредством взаимодействия Юкавы), а также бозонов W и Z (посредством механизма Хиггса).

Стоит отметить, что поле Хиггса не «создает» массу из ничего (что нарушило бы закон сохранения энергии ), а поле Хиггса не отвечает за массу всех частиц. Например, примерно 99% массы барионов ( сложных частиц, таких как протон и нейтрон ), вместо этого обусловлено квантовой хромодинамической энергией связи , которая представляет собой сумму кинетических энергий кварков и энергий безмассовых глюонов, опосредующих сильное взаимодействие внутри барионов. В теориях, основанных на Хиггсе, свойство «массы» представляет собой проявление потенциальной энергии , передаваемой фундаментальным частицам при их взаимодействии («паре») с полем Хиггса, которое содержало эту массу в виде энергии .

Скалярные поля и расширение Стандартной модели

Поле Хиггса - единственное скалярное поле (спин-0), которое можно обнаружить; все остальные фундаментальные поля Стандартной модели являются спиновыми. ⁠ 1/2 со ⁠ или бозоны фермионы спином 1. По словам Рольфа-Дитера Хойера , генерального директора ЦЕРН, когда был открыт бозон Хиггса, это доказательство существования скалярного поля почти так же важно, как роль Хиггса в определении массы других частиц. другие гипотетические скалярные поля, предложенные другими теориями, от инфлатона до квинтэссенции . Это предполагает, что , возможно, также могут существовать и

Космология

Инфлатон

Было проведено значительное научное исследование возможных связей между полем Хиггса и инфлатоном предложенным в качестве объяснения расширения пространства в течение первой доли секунды Вселенной – гипотетическим полем , (известной как « эпоха инфляции »). Некоторые теории предполагают, что за это явление может быть ответственно фундаментальное скалярное поле; Поле Хиггса является таким полем, и его существование привело к появлению статей, анализирующих, может ли оно также быть инфлатоном, ответственным за экспоненциальное расширение Вселенной во время Большого взрыва . Такие теории являются весьма предварительными и сталкиваются со значительными проблемами, связанными с унитарностью , но могут быть жизнеспособными, если сочетаться с дополнительными функциями, такими как большая неминимальная связь, скаляр Бранса-Дикке или другая «новая» физика, и они получили лечение, предполагающее, что Модели инфляции Хиггса по-прежнему представляют теоретический интерес.

Природа Вселенной и ее возможные судьбы

Диаграмма, показывающая массы бозона Хиггса и топ-кварков , которая может указывать на то, стабильна ли наша Вселенная или это долгоживущий «пузырь» . По состоянию на 2012 год эллипс 2 σ , основанный на данных Тэватрона и БАКа, все еще допускает обе возможности.

В Стандартной модели существует вероятность того, что основное состояние нашей Вселенной, известное как «вакуум», является долгоживущим, но не полностью стабильным . В этом сценарии Вселенная, какой мы ее знаем, может быть эффективно разрушена путем коллапса в более стабильное состояние вакуума . Иногда об этом ошибочно сообщалось как о бозоне Хиггса, «кончающем» Вселенную. Если массы бозона Хиггса и топ-кварка известны более точно, а Стандартная модель обеспечивает точное описание физики элементарных частиц вплоть до крайних энергий планковского масштаба , то можно вычислить, является ли вакуум стабильным или просто долговременным. жил. Масса Хиггса 125–127 ГэВ/ с. ² кажется, чрезвычайно близко к границе стабильности, но окончательный ответ требует гораздо более точных измерений полюсной массы топ-кварка. Новая физика может изменить эту картину.

Если измерения бозона Хиггса предполагают, что наша Вселенная находится внутри ложного вакуума такого типа, то это будет означать – более чем вероятно, что через многие миллиарды лет – что силы, частицы и структуры Вселенной могут перестать существовать в том виде, в каком мы их знаем (и быть заменены другими), если возникнет настоящий вакуум . Хиггса Это также предполагает, что самосвязь λ и ее функция β _λ могут быть очень близки к нулю в масштабе Планка, что имеет «интригующие» последствия, включая теории гравитации и инфляцию на основе Хиггса. Будущий электрон-позитронный коллайдер сможет обеспечить точные измерения топ-кварка, необходимые для таких вычислений.

Энергия вакуума и космологическая постоянная

Дополнительная информация: энергия нулевой точки и состояние вакуума.

Более умозрительно, поле Хиггса также было предложено как энергия вакуума , которая при экстремальных энергиях первых моментов Большого взрыва превратила Вселенную в своего рода безликую симметрию недифференцированной чрезвычайно высокой энергии. В такого рода спекуляциях единое поле Теории Великого Объединения идентифицируется как поле Хиггса (или моделируется на его основе), и именно за счет последовательных нарушений симметрии поля Хиггса или какого-либо подобного поля при фазовых переходах , которые в настоящее время возникают известные силы и поля Вселенной.

Связь (если таковая имеется) между полем Хиггса и наблюдаемой в настоящее время плотностью вакуумной энергии Вселенной также стала предметом научных исследований. Как было замечено, нынешняя плотность энергии вакуума чрезвычайно близка к нулю, но плотности энергии, предсказанные на основе поля Хиггса, суперсимметрии и других современных теорий, обычно на много порядков больше. Непонятно, как это согласовать. Эта проблема космологической постоянной остается главной нерешенной проблемой в физике.

История

Теоретизация

См. Также: статьи о нарушении симметрии PRL 1964 года , механизм Хиггса и историю квантовой теории поля.

Шесть авторов статей PRL 1964 года , получивших премию Дж. Дж. Сакураи 2010 года за свою работу; слева направо: Киббл , Гуральник , Хаген , Энглерт , Браут ; Изображение справа: Хиггс .

Физики элементарных частиц изучают материю , состоящую из фундаментальных частиц , взаимодействие которых осуществляется посредством обменных частиц – калибровочных бозонов – действующих как переносчики силы . В начале 1960-х годов были открыты или предложены некоторые из этих частиц, а также теории, предполагающие, как они связаны друг с другом, некоторые из которых уже были переформулированы как теории поля, в которых объектами исследования являются не частицы и силы. но квантовые поля и их симметрии . Однако попытки создать модели квантового поля для двух из четырех известных фундаментальных взаимодействий — электромагнитного взаимодействия и слабого ядерного взаимодействия — а затем объединить эти взаимодействия , по-прежнему не увенчались успехом.

Одна из известных проблем заключалась в том, что калибровочно-инвариантные подходы, включая неабелевы модели, такие как теория Янга-Миллса (1954), которая давала большие надежды для единых теорий, также, по-видимому, предсказывали, что известные массивные частицы являются безмассовыми. Теорема Голдстоуна , касающаяся непрерывных симметрий внутри некоторых теорий, также, по-видимому, исключала многие очевидные решения. поскольку это, казалось, показывало, что частицы нулевой массы, известные как бозоны Голдстоуна , которые просто «не видны». также должны существовать По словам Гуральника , у физиков «не было понимания», как можно преодолеть эти проблемы.

Лауреат Нобелевской премии Питер Хиггс в Стокгольме, декабрь 2013 г.

Физик элементарных частиц и математик Питер Войт резюмировал состояние исследований на тот момент:

Работа Янга и Миллса над неабелевой калибровочной теорией имела одну огромную проблему: в теории возмущений есть безмассовые частицы, которые не соответствуют ничему, что мы видим. Один из способов избавиться от этой проблемы сейчас довольно хорошо понятен: явление конфайнмента, реализованное в КХД , где сильные взаимодействия избавляются от безмассовых «глюонных» состояний на больших расстояниях. К началу шестидесятых годов люди начали понимать другой источник безмассовых частиц: спонтанное нарушение непрерывной симметрии. понял и выяснил, что Филип Андерсон Летом 1962 года при наличии как калибровочной симметрии , так и спонтанного нарушения симметрии безмассовая мода Намбу–Голдстоуна [которая порождает бозоны Голдстоуна] может сочетаться с безмассовыми модами калибровочного поля [которые порождают безмассовые калибровочные бозоны] для создания физического массивного векторного поля [калибровочных бозонов с массой]. Именно это происходит в сверхпроводимости — предмете, в котором Андерсон был (и остается) одним из ведущих экспертов. [текст сокращен]

Механизм Хиггса — это процесс, посредством которого векторные бозоны могут приобретать массу покоя без явного нарушения калибровочной инвариантности , как побочный продукт спонтанного нарушения симметрии . Первоначально математическая теория спонтанного нарушения симметрии была задумана и опубликована в рамках физики элементарных частиц Ёитиро Намбу в 1960 году. (и отчасти предвосхищен Эрнстом Штюкельбергом в 1938 г. ), а концепция того, что такой механизм может предложить возможное решение «проблемы массы», была первоначально предложена в 1962 году Филипом Андерсоном, который ранее написал статьи о нарушенной симметрии и ее последствиях в сверхпроводимости. В своей статье 1963 года о теории Янга-Миллса Андерсон пришел к выводу, что «учитывая сверхпроводящий аналог… [т] эти два типа бозонов, похоже, способны нейтрализовать друг друга… оставляя бозоны с конечной массой»), а в марте 1964 года Абрахам Кляйн и Бенджамин Ли показали, что теорему Голдстоуна можно таким образом обойти, по крайней мере, в некоторых нерелятивистских случаях, и предположили, что это возможно в истинно релятивистских случаях.

Эти подходы были быстро развиты в полную релятивистскую модель, независимо и почти одновременно, тремя группами физиков: Франсуа Энглером и Робертом Браутом в августе 1964 года; Питер Хиггс в октябре 1964 года; и Джеральдом Гуральником , Карлом Хагеном и Томом Кибблом (GHK) в ноябре 1964 года. Хиггс также написал короткое, но важное: ответ, опубликованный в сентябре 1964 года на возражение Гилберта , который показал, что при расчете в рамках датчика радиации теорема Голдстоуна и возражение Гилберта станут неприменимыми. Позже Хиггс описал возражение Гилберта как повод для написания собственной статьи. Свойства модели были дополнительно рассмотрены Гуральником в 1965 г. Хиггсом в 1966 году. Киббла в 1967 году, и далее GHK в 1967 году. Первые три статьи 1964 года продемонстрировали, что когда калибровочная теория объединяется с дополнительным заряженным скалярным полем, которое спонтанно нарушает симметрию, калибровочные бозоны могут последовательно приобретать конечную массу. в 1967 году. Стивен Вайнберг и Абдус Салам независимо показал, как можно использовать механизм Хиггса для нарушения электрослабой симметрии Глэшоу единой модели Шелдона для слабых и электромагнитных взаимодействий . (сама по себе является продолжением работы Швингера ), сформировав то, что стало Стандартной моделью физики элементарных частиц. Вайнберг был первым, кто заметил, что это также обеспечит массовые члены для фермионов.

Поначалу эти основополагающие статьи о спонтанном нарушении калибровочных симметрий в значительной степени игнорировались, поскольку широко считалось, что рассматриваемые (неабелевы калибровочные) теории зашли в тупик и, в частности, что их нельзя перенормировать . В 1971–72 годах Мартинус Вельтман и Жерар 'т Хоофт доказали, что перенормировка Янга – Миллса возможна в двух статьях, посвященных безмассовым, а затем и массивным полям. Их вклад и работы других над ренормгруппой , включая «существенные» теоретические работы российских физиков Людвига Фаддеева , Андрея Славнова , Ефима Фрадкина и Игоря Тютина. - в конечном итоге оказался «чрезвычайно глубоким и влиятельным», но даже несмотря на то, что все ключевые элементы будущей теории были опубликованы, широкого интереса по-прежнему почти не было. Например, Коулман в своем исследовании обнаружил, что «практически никто не обращал внимания» на статью Вайнберга до 1971 года. и обсуждался Дэвидом Политцером в его Нобелевской речи 2004 года. – сейчас наиболее цитируемый в физике элементарных частиц - и даже в 1970 году, по словам Политцера, учение Глэшоу о слабом взаимодействии не содержало упоминания о работах Вайнберга, Салама или самого Глэшоу. На практике, утверждает Политцер, почти каждый узнал об этой теории благодаря физику Бенджамину Ли , который объединил работы Вельтмана и 'т Хофта с открытиями других и популяризировал завершенную теорию. Таким образом, с 1971 года интерес и признание «взорвались». и идеи быстро были поглощены мейнстримом.

Получившаяся в результате электрослабая теория и Стандартная модель точно предсказали (среди прочего) слабые нейтральные токи , три бозона , топ- кварки и очаровательные кварки , а также с большой точностью массу и другие свойства некоторых из них. Многие из участников в конечном итоге получили Нобелевские премии или другие известные награды. В статье 1974 года и подробном обзоре в «Обзорах современной физики» отмечалось, что «хотя никто не сомневался в [математической] правильности этих аргументов, никто не верил, что природа дьявольски умна, чтобы воспользоваться ими». добавив, что теория до сих пор давала точные ответы, согласующиеся с экспериментом, но неизвестно, была ли теория фундаментально верной. К 1986 году и снова в 1990-е годы стало возможным писать, что понимание и доказательство сектора Хиггса Стандартной модели было «центральной проблемой сегодня в физике элементарных частиц».

Краткое изложение и влияние документов PRL

Каждая из трех статей, написанных в 1964 году, была признана знаковыми во время празднования 50-летия Physical Review Letters . За эту работу шесть авторов также были удостоены премии Дж. Дж. Сакураи 2010 года в области теоретической физики элементарных частиц . (В том же году возник спор, потому что в случае присуждения Нобелевской премии могли быть признаны только три ученых, причем шесть были отмечены за статьи. ) Две из трех статей PRL (Хиггса и GHK) содержали уравнения для гипотетического поля , которое в конечном итоге стало известно как поле Хиггса, и его гипотетического кванта , бозона Хиггса. Последующая статья Хиггса 1966 года показала механизм распада бозона; только массивный бозон может распадаться, и распады могут доказать этот механизм.

В статье Хиггса бозон массивен, и в заключительном предложении Хиггс пишет, что «существенной особенностью» теории «является предсказание неполных мультиплетов скалярных и векторных бозонов ». ( Фрэнк Клоуз отмечает, что калибровочные теоретики 1960-х годов были сосредоточены на проблеме безмассовых векторных бозонов, а подразумеваемое существование массивного скалярного бозона не рассматривалось как важное; только Хиггс напрямую обращался к ней. ) В статье GHK бозон безмассовый и отделен от массивных состояний. В обзорах 2009 и 2011 годов Гуральник утверждает, что в модели GHK бозон безмассен только в приближении низшего порядка, но не подвергается никаким ограничениям и приобретает массу при более высоких порядках, и добавляет, что статья GHK была единственной один, чтобы показать, что в модели нет безмассовых голдстоуновских бозонов , и дать полный анализ общего механизма Хиггса. Все трое пришли к одинаковым выводам, несмотря на совершенно разные подходы: статья Хиггса по существу использовала классические методы, работа Энглерта и Браута включала расчет поляризации вакуума в теории возмущений вокруг предполагаемого вакуумного состояния, нарушающего симметрию, а GHK использовал операторный формализм и законы сохранения для исследования углублять способы обхода теоремы Голдстоуна. Некоторые версии теории предсказывали более одного вида полей и бозонов Хиггса, а альтернативные модели «без Хиггса» рассматривались до открытия бозона Хиггса.

Экспериментальный поиск

Основная статья: Поиск бозона Хиггса

Для создания бозонов Хиггса два пучка частиц ускоряются до очень высоких энергий и сталкиваются внутри детектора частиц . Иногда, хотя и редко, бозон Хиггса создается как часть побочных продуктов столкновения. Поскольку бозон Хиггса распадается очень быстро, детекторы частиц не могут обнаружить его напрямую. Вместо этого детекторы регистрируют все продукты распада ( сигнатура распада ) и на основе данных восстанавливается процесс распада. Если наблюдаемые продукты распада соответствуют возможному процессу распада (известному как канал распада ) бозона Хиггса, это указывает на то, что бозон Хиггса мог быть создан. На практике многие процессы могут давать схожие признаки распада. К счастью, Стандартная модель точно предсказывает вероятность возникновения каждого из этих процессов и каждого известного процесса. Таким образом, если детектор обнаружит больше сигнатур распада, последовательно соответствующих бозону Хиггса, чем можно было бы ожидать, если бы бозона Хиггса не существовало, то это было бы убедительным доказательством существования бозона Хиггса.

Поскольку образование бозона Хиггса при столкновении частиц, вероятно, будет очень редким (1 из 10 миллиардов на БАКе), и многие другие возможные события столкновений могут иметь аналогичные признаки распада, данные сотен триллионов столкновений должны быть проанализированы и должны «показать одну и ту же картину», прежде чем можно будет прийти к выводу о существовании бозона Хиггса. Чтобы прийти к выводу, что новая частица была обнаружена, физики элементарных частиц требуют, чтобы статистический анализ двух независимых детекторов частиц показал, что вероятность того, что наблюдаемые признаки распада обусловлены просто фоновой случайностью, составляет менее одного на миллион. Стандарт Модельные события – т. е. наблюдаемое количество событий более чем на пять стандартных отклонений (сигма) отличается от ожидаемого, если бы не было новой частицы. Больше данных о столкновениях позволяет лучше подтвердить физические свойства любой наблюдаемой новой частицы и позволяет физикам решить, действительно ли это бозон Хиггса, как описано в Стандартной модели, или какая-то другая гипотетическая новая частица.

мощный ускоритель частиц Чтобы найти бозон Хиггса, понадобился , поскольку бозоны Хиггса нельзя было увидеть в экспериментах с более низкими энергиями. Коллайдер должен был иметь высокую светимость , чтобы обеспечить достаточное количество столкновений и сделать выводы. Наконец, для обработки огромного количества данных (25 петабайт в год по состоянию на 2012 год), полученных в результате столкновений, потребовались современные вычислительные мощности. К объявлению от 4 июля 2012 года новый коллайдер, известный как Большой адронный коллайдер, был построен в ЦЕРН с запланированной возможной энергией столкновения 14 ТэВ – что в семь раз больше, чем у предыдущего коллайдера – и более 300 триллионов ( 3 × 10 ¹⁴ ) Протон-протонные столкновения БАК анализировались с помощью LHC Computing Grid , крупнейшей в мире вычислительной сети (по состоянию на 2012 год), включающей более 170 вычислительных центров во всемирной сети в 36 странах.

Искать до 4 июля 2012 г.

Первые обширные поиски бозона Хиггса были проведены на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) в ЦЕРНе в 1990-х годах. По окончании своей службы в 2000 году LEP не нашла убедительных доказательств существования Хиггса. Это означало, что если бы бозон Хиггса существовал, он должен был бы быть тяжелее 114,4 ГэВ/ с. ² .

Поиски продолжились в Фермилабе в США, где Тэватрон – коллайдер, открывший высший кварк для этой цели был модернизирован в 1995 году. Не было никакой гарантии, что Тэватрон сможет найти бозон Хиггса, но это был единственный действующий суперколлайдер с тех пор, как Большой адронный коллайдер (БАК) все еще находился в стадии строительства, а запланированный сверхпроводящий суперколлайдер был отменен в 1993 году и так и не был завершен. . Тэватрон смог исключить только дальнейшие диапазоны массы Хиггса и был остановлен 30 сентября 2011 года, поскольку он больше не мог идти в ногу с БАК. Окончательный анализ данных исключил возможность существования бозона Хиггса с массой от 147 ГэВ/ с. ² и 180 ГэВ/ c ² . Кроме того, наблюдался небольшой (но не существенный) избыток событий, возможно, указывающий на существование бозона Хиггса с массой от 115 ГэВ/ с. ² и 140 ГэВ/ c ² .

Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе в Швейцарии был разработан специально для подтверждения или исключения существования бозона Хиггса. Построенный в 27-километровом туннеле под землей недалеко от Женевы, первоначально населенном LEP, он был спроектирован для столкновения двух пучков протонов, первоначально с энергией 3,5 ТэВ на луч (всего 7 ТэВ), что почти в 3,6 раза больше, чем у Тэватрона, и с возможностью повышения до 2 × 7 ТэВ (всего 14 ТэВ) в будущем. Теория предполагала, что если бозон Хиггса существует, то столкновения на этих энергетических уровнях смогут его обнаружить. Поскольку это один из самых сложных научных инструментов , когда-либо созданных, его эксплуатационная готовность была отложена на 14 месяцев из- за гашения магнита через девять дней после первых испытаний, вызванного неисправным электрическим соединением, которое повредило более 50 сверхпроводящих магнитов и загрязнило вакуумную систему.

Сбор данных на БАК наконец начался в марте 2010 года. К декабрю 2011 года два основных детектора частиц на БАК, ATLAS и CMS , сузили диапазон масс, в котором бозон Хиггса мог существовать, примерно до 116–130 ГэВ/ c. ² (ATLAS) и 115–127 ГэВ/ c ² (ЦМС). Также уже имел место ряд многообещающих событий, которые «испарились» и оказались ничем иным, как случайными колебаниями. Однако примерно с мая 2011 г. Результаты обоих экспериментов показали медленное появление небольшого, но постоянного избытка признаков гамма- и 4-лептонного распада, а также несколько других распадов частиц, все это намекало на появление новой частицы с массой около 125 ГэВ/ с. ² . Примерно к ноябрю 2011 г. аномальные данные при энергии 125 ГэВ/ с ² становилось «слишком большим, чтобы его игнорировать» (хотя все еще далеко от убедительных результатов), и руководители групп как в ATLAS, так и в CMS в частном порядке подозревали, что они могли найти Хиггса. 28 ноября 2011 года на внутренней встрече двух руководителей групп и генерального директора ЦЕРН последние исследования впервые обсуждались за пределами их команд, что позволило предположить, что и ATLAS, и CMS могут прийти к единому возможному общему результату при энергии 125 ГэВ. / с ² и начались первоначальные приготовления в случае успешного обнаружения. Хотя в то время эта информация не была публично известна, сужение возможного диапазона Хиггса примерно до 115–130 ГэВ/2 и неоднократное наблюдение небольших, но последовательных избытков событий по нескольким каналам как на ATLAS, так и на CMS в диапазоне 124–126 ГэВ. / с ² регион (описываемый как «заманчивые намеки» примерно на 2–3 сигмы) был общеизвестен и вызвал «большой интерес». Поэтому примерно в конце 2011 года широко ожидалось, что БАК предоставит достаточно данных, чтобы либо исключить, либо подтвердить открытие бозона Хиггса к концу 2012 года, когда их данные о столкновениях 2012 года (с немного более высокой энергией столкновения 8 ТэВ) были получены. был осмотрен.

Открытие бозона-кандидата в ЦЕРНе

Диаграммы Фейнмана , показывающие наиболее чистые каналы, связанные с маломассивными (~ 125 ГэВ/ c 2 ) Кандидат в бозон Хиггса, наблюдаемый ATLAS и CMS на БАКе . Доминирующий механизм образования этой массы включает в себя слияние двух глюонов от каждого протона с петлей топ-кварка , которая сильно взаимодействует с полем Хиггса, образуя бозон Хиггса. Слева: Дифотонный канал: бозон впоследствии распадается на два фотона гамма-излучения в результате виртуального взаимодействия с петлей W-бозона или петлей топ-кварков . Справа: четырехлептонный «золотой канал»: бозон испускает два Z-бозона , каждый из которых распадается на два лептона (электроны, мюоны). Экспериментальный анализ этих каналов достиг значимости более пяти стандартных отклонений (сигма) в обоих экспериментах.

22 июня 2012 г. ЦЕРН объявил о предстоящем семинаре, посвященном предварительным результатам за 2012 г. и вскоре после этого (примерно с 1 июля 2012 г., согласно анализу распространяющихся слухов в социальных сетях) ) в СМИ начали распространяться слухи о том, что это будет включать в себя важное объявление, но было неясно, будет ли это более сильным сигналом или формальным открытием. Спекуляции переросли в «лихорадочную» апогею, когда появились сообщения о том, что Питер Хиггс , предложивший частицу, должен был присутствовать на семинаре. и что были приглашены «пять ведущих физиков» - обычно считается, что они обозначают пять ныне живущих авторов 1964 года - с участием Хиггса, Энглерта, Гуральника, Хагена, а Киббл подтвердил свое приглашение (Браут умер в 2011 году).

4 июля 2012 года оба эксперимента ЦЕРН объявили, что независимо друг от друга сделали одно и то же открытие: ЦМС ранее неизвестного бозона с массой 125,3 ± 0,6 ГэВ/ c ² и ATLAS бозона с массой 126,0 ± 0,6 ГэВ/ c ² . Используя комбинированный анализ двух типов взаимодействия (известных как «каналы»), оба эксперимента независимо достигли локальной значимости 5 сигм, что означает, что вероятность получить хотя бы такой же сильный результат только случайно составляет менее одного из трех миллионов. При учете дополнительных каналов значимость CMS снижалась до 4,9 сигма.

Обе команды работали «вслепую» друг от друга примерно с конца 2011 или начала 2012 года. это означает, что они не обсуждали свои результаты друг с другом, обеспечивая дополнительную уверенность в том, что любой общий результат является подлинным подтверждением существования частицы. Этот уровень доказательств, подтвержденный независимо двумя отдельными группами и экспериментами, соответствует формальному уровню доказательств, необходимому для объявления о подтвержденном открытии.

31 июля 2012 года коллаборация ATLAS представила дополнительный анализ данных о «наблюдении новой частицы», включая данные третьего канала, что улучшило значимость до 5,9 сигма (1 из 588 миллионов шансов получить хотя бы столь же убедительные доказательства с помощью только случайные фоновые эффекты) и масса 126,0 ± 0,4 (стат) ± 0,4 (система) ГэВ/ c ² , а CMS улучшила значимость до 5-сигма и массы 125,3 ± 0,4 (стат) ± 0,5 (система) ГэВ/ с. ² .

Новая частица протестирована как возможный бозон Хиггса

После открытия в 2012 году до сих пор не было подтверждено, является ли энергия 125 ГэВ/ c ² Частица была бозоном Хиггса. С одной стороны, наблюдения оставались в соответствии с тем, что наблюдаемая частица была бозоном Хиггса Стандартной модели, и частица распалась по крайней мере на некоторые из предсказанных каналов. Более того, темпы добычи и коэффициенты ветвления для наблюдаемых каналов в целом соответствовали предсказаниям Стандартной модели в пределах экспериментальных неопределенностей. Однако экспериментальные неопределенности в настоящее время все еще оставляют место для альтернативных объяснений, а это означает, что объявление об открытии бозона Хиггса было бы преждевременным. Чтобы предоставить больше возможностей для сбора данных, предложенное закрытие БАКа в 2012 году и модернизация в 2013–2014 годах были отложены на семь недель до 2013 года.

В ноябре 2012 года на конференции в Киото исследователи заявили, что доказательства, собранные с июля, больше соответствуют базовой Стандартной модели, чем ее альтернативам, при этом ряд результатов для нескольких взаимодействий соответствует предсказаниям этой теории. Физик Мэтт Страсслер выделил «значительные» доказательства того, что новая частица не является псевдоскалярной частицей с отрицательной четностью (что соответствует этому необходимому открытию для бозона Хиггса), «испарению» или отсутствию повышенной значимости для предыдущих намеков на ожидаемые результаты нестандартной модели. Взаимодействия Стандартной модели с W- и Z-бозонами , отсутствие «существенных новых последствий» в пользу или против суперсимметрии и в целом отсутствие существенных отклонений на сегодняшний день от результатов, ожидаемых от бозона Хиггса Стандартной модели. Однако некоторые виды расширений Стандартной модели также покажут очень похожие результаты; поэтому комментаторы отметили, что, основываясь на других частицах, которые все еще понимаются спустя долгое время после их открытия, могут потребоваться годы, чтобы быть уверенным, и десятилетия, чтобы полностью понять найденную частицу.

Эти результаты означали, что по состоянию на январь 2013 года учёные были абсолютно уверены, что нашли неизвестную частицу с массой ~ 125 ГэВ/ с. ² и не был введен в заблуждение экспериментальной ошибкой или случайным результатом. На основании первоначальных наблюдений они также были уверены, что новая частица была своего рода бозоном. Поведение и свойства частицы, изученные с июля 2012 года, также оказались весьма близкими к поведению, ожидаемому от бозона Хиггса. Даже в этом случае это мог быть бозон Хиггса или какой-то другой неизвестный бозон, поскольку будущие тесты могут показать поведение, не соответствующее бозону Хиггса, поэтому по состоянию на декабрь 2012 года ЦЕРН все еще только заявлял, что новая частица «соответствует» бозон Хиггса, и ученые еще не сказали однозначно, что это был бозон Хиггса. Несмотря на это, в конце 2012 года в многочисленных сообщениях СМИ было объявлено (ошибочно), что в течение года было подтверждено существование бозона Хиггса.

В январе 2013 года генеральный директор ЦЕРН Рольф-Дитер Хойер заявил, что, основываясь на анализе данных на сегодняшний день, ответ может быть возможен «к середине 2013 года». а заместитель заведующего кафедрой физики Брукхейвенской национальной лаборатории заявил в феврале 2013 года, что для «окончательного» ответа может потребоваться «еще несколько лет» после перезапуска коллайдера в 2015 году . В начале марта 2013 года директор по исследованиям ЦЕРН Серджио Бертолуччи заявил, что подтверждение спина 0 было основным оставшимся требованием для определения того, является ли частица хотя бы каким-то видом бозона Хиггса.

Подтверждение существования и текущего статуса

14 марта 2013 г. ЦЕРН подтвердил следующее:

CMS и ATLAS сравнили ряд вариантов спин-четности этой частицы, и все они предпочитают отсутствие спина и даже четность (два фундаментальных критерия бозона Хиггса, согласующихся со Стандартной моделью). Это, в сочетании с измеренными взаимодействиями новой частицы с другими частицами, убедительно указывает на то, что это бозон Хиггса.

Это также делает эту частицу первой элементарной скалярной частицей, открытой в природе.

Ниже приведены примеры тестов, использованных для подтверждения того, что обнаруженная частица является бозоном Хиггса:

Требование	Как тестировалось/объяснение	Текущий статус (по состоянию на июль 2017 г.) )
Нулевое вращение	Изучение закономерностей распада. Спин 1 был исключен во время первоначального открытия из-за наблюдаемого распада на два фотона ( γ γ ), оставив спин 0 и спин 2 в качестве оставшихся кандидатов.	Спин-0 подтвержден. Гипотеза спина 2 исключается с уровнем достоверности, превышающим 99,9%.
Четный (положительный) паритет	Изучение углов, под которыми разлетаются продукты распада. Отрицательная четность также не одобрялась, если подтверждался спин 0.	Даже паритет предварительно подтвержден. Гипотеза отрицательной четности спина 0 исключается с уровнем достоверности, превышающим 99,9%.
Каналы распада (результаты распада частиц) соответствуют предсказаниям.	Стандартная модель предсказывает характер распада излучения с энергией 125 ГэВ/ с. 2 Бозон Хиггса. Все ли это наблюдается и с нужной скоростью? Особенно важно то, что мы должны наблюдать распады на пары фотонов (γ γ), W и Z-бозоны (W − В + и Z Z), нижние кварки (b b ) и тау-лептоны (τ − т + ), среди возможных исходов.	б б , в в, т − т + , В − В + и Z Z наблюдалось. Все наблюдаемые уровни сигнала соответствуют предсказаниям Стандартной модели.
Пары с массой (т. е. сила взаимодействия с частицами Стандартной модели, пропорциональная их массе)	Физик элементарных частиц Адам Фальковски утверждает, что основные качества бозона Хиггса заключаются в том, что это частица со спином 0 (скалярная), которая также связана с массой (бозоны W и Z); доказать, что одного спина 0 недостаточно.	Связь с массой убедительно доказана («При уровне достоверности 95 % c V находится в пределах 15 % от значения стандартной модели c V = 1»).
Результаты более высокой энергии остаются стабильными	После перезапуска БАК в 2015 году с более высокой энергией 13 ТэВ поиск множественных частиц Хиггса (как и предсказывалось в некоторых теориях) и испытания, нацеленные на другие версии теории частиц, продолжились. Эти результаты с более высокими энергиями должны продолжать давать результаты, соответствующие теориям Хиггса.	Анализ столкновений до июля 2017 года не показывает отклонений от Стандартной модели, при этом точность эксперимента лучше, чем результаты при более низких энергиях.

Выводы с 2013 года

Сила связи с бозоном Хиггса (вверху) и отношение к предсказанию стандартной модели (внизу), полученное на основе данных о поперечном сечении и коэффициенте ветвления. В κ рамках муфты ${\sqrt {{\kappa }_{V}}}{m}_{V}/{\rm {vev}}\quad (={\sqrt {{\kappa }_{V}{g}_{V}/2{\rm {vev}}}})$ и ${\kappa }_{F}{m}_{V}/{\rm {vev}}$ для векторных бозонов V (=Z,W) и для фермионов F ( = t , b , τ ( μ не подтверждено как 2022 год, но есть доказательства)) соответственно, где ${m}_{V/F}$ массы и $vev$ вакуумное математическое ожидание ( ${g}_{V}$ абсолютная сила сцепления).

В июле 2017 года ЦЕРН подтвердил, что все измерения по-прежнему согласуются с предсказаниями Стандартной модели, и назвал обнаруженную частицу просто «бозоном Хиггса». По состоянию на 2019 год Большой адронный коллайдер продолжал получать результаты, подтверждающие понимание поля и частиц Хиггса, достигнутое в 2013 году.

Экспериментальная работа БАКа с момента перезапуска в 2015 году включала исследование поля Хиггса и бозона на более высоком уровне детализации и подтверждение правильности менее распространенных предсказаний. В частности, исследования, проведенные с 2015 года, предоставили убедительные доказательства предсказанного прямого распада на фермионы, такие как пары нижних кварков (3,6 σ), что описано как «важная веха» в понимании его короткого времени жизни и других редких распадов, а также для подтверждения распада. на пары тау-лептонов (5,9 σ). В ЦЕРН это было описано как «имеющее первостепенное значение для установления связи бозона Хиггса с лептонами и представляет собой важный шаг на пути к измерению его связей с фермионами третьего поколения, очень тяжелыми копиями электронов и кварков, роль которых в природе очень велика». глубокая тайна». Опубликованные результаты по состоянию на 19 марта 2018 года при энергии 13 ТэВ для ATLAS и CMS содержали измерения массы Хиггса при 124,98 ± 0,28 ГэВ/ с. ² и 125,26 ± 0,21 ГэВ/ c ² соответственно.

В июле 2018 года эксперименты ATLAS и CMS сообщили о наблюдении распада бозона Хиггса на пару нижних кварков, что составляет примерно 60% всех его распадов.

Теоретические вопросы

Основная статья: Механизм Хиггса

Теоретическая необходимость Хиггса

« Иллюстрация нарушения симметрии »: – На высоких уровнях энергии (слева) шар оседает в центре, и результат оказывается симметричным. На более низких энергетических уровнях (справа) общие «правила» остаются симметричными, но вступает в силу потенциал «мексиканской шляпы»: «локальная» симметрия неизбежно нарушается, поскольку в конечном итоге мяч должен случайным образом катиться в ту или иную сторону.

Калибровочная инвариантность является важным свойством современных теорий частиц, таких как Стандартная модель , отчасти благодаря ее успеху в других областях фундаментальной физики, таких как электромагнетизм и сильное взаимодействие ( квантовая хромодинамика ). Однако до того, как Шелдон Глэшоу расширил модели электрослабого объединения в 1961 году, существовали большие трудности в разработке калибровочных теорий слабого ядерного взаимодействия или возможного единого электрослабого взаимодействия . Фермионы с массовым членом нарушили бы калибровочную симметрию и, следовательно, не могли бы быть калибровочно-инвариантными. (В этом можно убедиться, исследуя лагранжиан Дирака для фермиона с точки зрения левых и правых компонентов; мы обнаруживаем, что ни одна из частиц со спином-половиной не может изменить спиральность, как того требует масса, поэтому они должны быть безмассовыми. ) W- и Z-бозоны Наблюдается, что имеют массу, но член массы бозона содержит члены, которые явно зависят от выбора калибровки, и поэтому эти массы также не могут быть калибровочно-инвариантными. Поэтому кажется, что ни один бозонов стандартной модели из фермионов или не мог «начать» с массы как встроенного свойства, кроме как отказавшись от калибровочной инвариантности. Если бы калибровочная инвариантность должна была сохраняться, то эти частицы должны были бы приобретать свою массу за счет какого-то другого механизма или взаимодействия.

Кроме того, решения, основанные на спонтанном нарушении симметрии, оказались неэффективными, что, по-видимому, является неизбежным результатом теоремы Голдстоуна . Поскольку движение вокруг «круговой долины» комплексной плоскости, ответственной за спонтанное нарушение симметрии, не требует затрат потенциальной энергии, результирующее квантовое возбуждение представляет собой чистую кинетическую энергию и, следовательно, представляет собой безмассовый бозон («бозон Голдстоуна»), что, в свою очередь, подразумевает новый дальнобойная сила. Но никаких новых дальнодействующих сил или безмассовых частиц обнаружено не было. Таким образом, что бы ни придавало этим частицам их массу, оно не должно было «нарушать» калибровочную инвариантность как основу для других частей теорий, где она хорошо работала, и не должно было требовать или предсказывать неожиданные безмассовые частицы или дальнодействующие силы, которые на самом деле не казались существовать в природе.

Решение всех этих перекрывающихся проблем пришло благодаря открытию ранее незамеченного пограничного случая, скрытого в математике теоремы Голдстоуна: что при определенных условиях теоретически возможно нарушение симметрии без нарушения калибровочной инвариантности и без каких-либо новых безмассовых частиц или сил и с получением «разумных» ( перенормируемых ) математических результатов. Это стало известно как механизм Хиггса .

Краткое изложение взаимодействий между определенными частицами, описываемыми Стандартной моделью

Стандартная модель предполагает наличие поля , ответственного за этот эффект, называемого полем Хиггса (обозначение: $\phi$), который обладает необычным свойством ненулевой амплитуды в основном состоянии ; т.е. ненулевое математическое ожидание вакуума . Он может иметь такой эффект из-за своего необычного потенциала в форме «мексиканской шляпы», самая нижняя «точка» которого не находится в его «центре». Проще говоря, в отличие от всех других известных полей, поле Хиггса требует меньше энергии, чтобы иметь ненулевое значение, чем нулевое значение, поэтому в конечном итоге оно имеет ненулевое значение повсюду . Ниже определенного чрезвычайно высокого уровня энергии существование этого ненулевого вакуумного ожидания спонтанно нарушает электрослабую калибровочную симметрию , что, в свою очередь, приводит к возникновению механизма Хиггса и запускает приобретение массы теми частицами, которые взаимодействуют с полем. Этот эффект возникает потому, что скалярные компоненты поля Хиггса «поглощаются» массивными бозонами как степени свободы и соединяются с фермионами через взаимодействие Юкавы , тем самым создавая ожидаемые массовые члены. При нарушении симметрии в этих условиях бозоны Голдстоуна возникающие взаимодействуют с полем Хиггса (и с другими частицами, способными взаимодействовать с полем Хиггса) вместо того, чтобы становиться новыми безмассовыми частицами. Неразрешимые проблемы обеих основополагающих теорий «нейтрализуют» друг друга, а конечным результатом является то, что элементарные частицы приобретают постоянную массу в зависимости от того, насколько сильно они взаимодействуют с полем Хиггса. Это простейший известный процесс, способный придать массу калибровочным бозонам , оставаясь при этом совместимым с калибровочными теориями . Его квантом будет скалярный бозон , известный как бозон Хиггса.

Простое объяснение теории, начиная с ее истоков в сверхпроводимости.

Предложенный механизм Хиггса возник в результате теорий, предложенных для объяснения наблюдений в сверхпроводимости . Сверхпроводник не допускает проникновения внешних магнитных полей ( эффект Мейснера ). Это странное наблюдение подразумевает, что во время этого явления электромагнитное поле каким-то образом становится короткодействующим. Успешные теории, объясняющие это, возникли в 1950-е годы сначала для фермионов ( теория Гинзбурга-Ландау , 1950), а затем для бозонов ( теория БКШ , 1957).

В этих теориях сверхпроводимость интерпретируется как возникновение заряженного поля конденсата . Первоначально значение конденсата не имеет какого-либо предпочтительного направления, что означает, что оно скалярное, но его фаза способна определять калибровку в теориях поля, основанных на калибровке. Для этого поле должно быть заряжено. Заряженное скалярное поле также должно быть комплексным (или, описываемым по-другому, оно содержит как минимум два компонента и симметрию, способную вращать друг друга). В наивной калибровочной теории калибровочное преобразование конденсата обычно вращает фазу. Но в этих обстоятельствах он вместо этого фиксирует предпочтительный выбор фазы. Однако оказывается, что выбор датчика таким образом, чтобы конденсат везде имел одну и ту же фазу, также приводит к тому, что электромагнитное поле приобретает дополнительный член. Этот дополнительный член приводит к тому, что электромагнитное поле становится короткодействующим.

Когда к этой теории было привлечено внимание в физике элементарных частиц, параллели стали ясны. Изменение обычно дальнодействующего электромагнитного поля на короткодействующее в рамках калибровочно-инвариантной теории было именно тем эффектом, который искали для бозонов слабого взаимодействия (поскольку дальнодействующее взаимодействие имеет безмассовые калибровочные бозоны, а короткодействующее взаимодействие предполагает массивность калибровочного бозона). бозонов, что позволяет предположить, что результатом этого взаимодействия является приобретение массы калибровочными бозонами поля или аналогичный и эквивалентный эффект). Характеристики поля, необходимые для этого, также были достаточно четко определены: оно должно было быть заряженным скалярным полем, по крайней мере, с двумя компонентами и сложным, чтобы поддерживать симметрию, способную вращать их друг в друга.

Альтернативные модели

Основная статья: Альтернативы стандартной модели Хиггса

Минимальная стандартная модель, описанная выше, является простейшей известной моделью механизма Хиггса только с одним полем Хиггса. Однако также возможен расширенный сектор Хиггса с дополнительными дублетами или триплетами частиц Хиггса, и многие расширения Стандартной модели имеют эту особенность. Неминимальный сектор Хиггса, предпочитаемый теорией, — это модели двух дублетов Хиггса (2HDM), которые предсказывают существование квинтета скалярных частиц: двух CP-четных нейтральных бозонов Хиггса h. ⁰ и Х ⁰ , CP-нечетный нейтральный бозон Хиггса A ⁰ и две заряженные частицы Хиггса H ^± . Суперсимметрия («SUSY») также предсказывает взаимосвязь между массами бозона Хиггса и массами калибровочных бозонов и может учитывать энергию 125 ГэВ/ с. ² нейтральный бозон Хиггса.

Ключевой метод различения этих разных моделей включает изучение взаимодействий частиц («связь») и точных процессов распада («коэффициентов ветвления»), которые можно измерить и проверить экспериментально при столкновениях частиц. В модели 2HDM типа I один дублет Хиггса связан с верхними и нижними кварками, а второй дублет с кварками не связан. Эта модель имеет два интересных предела, в которых легчайший бозон Хиггса взаимодействует только с фермионами («калибровофобными » ) или только с калибровочными бозонами («фермиофобными»), но не с обоими сразу. В модели 2HDM типа II один дублет Хиггса соединяется только с кварками верхнего типа, а другой - только с кварками нижнего типа. Тщательно исследованная минимальная суперсимметричная стандартная модель (MSSM) включает в себя сектор Хиггса 2HDM типа II, поэтому ее можно опровергнуть доказательствами существования 2HDM типа I.

В других моделях скаляр Хиггса представляет собой составную частицу. Например, в техникоре роль поля Хиггса играют сильно связанные пары фермионов, называемые техникварками . В других моделях присутствуют пары топ-кварков (см. «Конденсат топ-кварков »). В других моделях поле Хиггса вообще отсутствует , а электрослабая симметрия нарушается с помощью дополнительных измерений.

Дальнейшие теоретические вопросы и проблема иерархии

Основные статьи: Проблема иерархии и Проблема иерархии § Масса Хиггса

Однопетлевая диаграмма Фейнмана поправки первого порядка к массе Хиггса. В Стандартной модели последствия этих поправок потенциально огромны, что приводит к так называемой проблеме иерархии .

Стандартная модель оставляет массу бозона Хиггса параметром, который нужно измерить, а не величиной, которую нужно вычислить. Это считается теоретически неудовлетворительным, особенно потому, что квантовые поправки (связанные с взаимодействием с виртуальными частицами ), по-видимому, должны привести к тому, что частица Хиггса будет иметь массу, значительно превышающую наблюдаемую, но в то же время Стандартная модель требует массы порядка от 100 до 1000 ГэВ/ c ² для обеспечения унитарности (в данном случае для унитаризации продольно-векторного рассеяния бозонов). Согласование этих точек зрения, по-видимому, требует объяснения, почему происходит почти идеальное подавление, приводящее к видимой массе ~ 125 ГэВ/ с. ² , и непонятно, как это сделать. Поскольку слабое взаимодействие составляет около 10 ³² раз сильнее гравитации, и (в связи с этим) масса бозона Хиггса настолько меньше, чем масса Планка или энергия Великого объединения , кажется, что либо существует какая-то основная связь или причина этих наблюдений, которая неизвестна и не описана Стандартная модель или какая-то необъяснимая и чрезвычайно точная настройка параметров – однако в настоящее время ни одно из этих объяснений не доказано. Это известно как проблема иерархии . В более широком смысле, проблема иерархии сводится к беспокойству о том, что будущая теория фундаментальных частиц и взаимодействий не должна иметь чрезмерных тонких настроек или чрезмерно тонких сокращений и должна позволить вычислить массы частиц, таких как бозон Хиггса. В некотором смысле эта проблема уникальна для частиц со спином 0 (таких как бозон Хиггса), которые могут вызвать проблемы, связанные с квантовыми поправками, которые не затрагивают частицы со спином. , Был предложен ряд решений включая суперсимметрию , конформные решения и решения с помощью дополнительных измерений, таких как модели мира на бранах .

Существуют также проблемы квантовой тривиальности , которые предполагают, что может оказаться невозможным создать последовательную квантовую теорию поля, включающую элементарные скалярные частицы. Ограничения тривиальности можно использовать для ограничения или прогнозирования таких параметров, как масса бозона Хиггса. Это также может привести к предсказуемой массе Хиггса в асимптотических сценариях безопасности .

Характеристики

Свойства поля Хиггса

В Стандартной модели поле Хиггса представляет собой скалярное тахионное поле: скалярное означает, что оно не преобразуется при преобразованиях Лоренца , и тахионное, что означает, что поле (но не частица) имеет мнимую массу и в определенных конфигурациях должно подвергаться нарушению симметрии . Он состоит из четырех компонентов: двух нейтральных и двух заряженных составляющих полей . Оба заряженных компонента и одно из нейтральных полей являются бозонами Голдстоуна , которые действуют как продольные компоненты третьей поляризации массивного W. ⁺ , В ⁻ и Z-бозоны . Квант оставшегося нейтрального компонента соответствует (и теоретически реализуется как) массивному бозону Хиггса. Этот компонент может взаимодействовать с фермионами посредством взаимодействия Юкавы, также придавая им массу.

Математически поле Хиггса имеет мнимую массу и, следовательно, является тахионным полем. Хотя тахионы ( частицы , которые движутся быстрее света ) являются чисто гипотетической концепцией, поля с мнимой массой стали играть важную роль в современной физике. Ни при каких обстоятельствах в таких теориях никакие возбуждения не распространяются быстрее света — наличие или отсутствие тахионной массы никак не влияет на максимальную скорость сигналов (нет нарушения причинности ) . Вместо частиц со скоростью, превышающей скорость света, воображаемая масса создает нестабильность: любая конфигурация, в которой одно или несколько возбуждений поля являются тахионными, должна спонтанно распадаться, и полученная конфигурация не содержит физических тахионов. Этот процесс известен как тахионная конденсация и в настоящее время считается объяснением того, как сам механизм Хиггса возникает в природе, и, следовательно, причиной нарушения электрослабой симметрии.

Хотя идея мнимой массы может показаться тревожной, на самом деле квантуется только поле, а не сама масса. Следовательно, операторы поля в пространственноподобных разделенных точках по-прежнему коммутируют (или антикоммутируют) , а информация и частицы по-прежнему не распространяются быстрее света. Конденсация тахионов переводит физическую систему, которая достигла локального предела – и от которой можно было бы наивно ожидать, что она будет производить физические тахионы – в альтернативное стабильное состояние, в котором физические тахионы не существуют. Как только тахионное поле, такое как поле Хиггса, достигает минимума потенциала, его кванты перестают быть тахионами, а превращаются в обычные частицы, такие как бозон Хиггса.

Свойства бозона Хиггса

Поскольку поле Хиггса скалярно , бозон Хиггса не имеет спина . Бозон Хиггса также является собственной античастицей , CP-четным и не имеет электрического и цветового заряда .

Стандартная модель не предсказывает массу бозона Хиггса. Если эта масса находится между 115 и 180 ГэВ/ c ² (согласуется с эмпирическими наблюдениями 125 ГэВ/ c ² ), то Стандартная модель может быть справедлива на масштабах энергии вплоть до масштаба Планка ( 10 ¹⁹ ГэВ/ c ² ). Это должна быть единственная частица в Стандартной модели, которая остается массивной даже при высоких энергиях. Многие теоретики ожидают появления новой физики за пределами Стандартной модели в ТэВном масштабе, основанной на неудовлетворительных свойствах Стандартной модели. Максимально возможный масштаб массы, разрешенный для бозона Хиггса (или какого-либо другого механизма нарушения электрослабой симметрии), составляет 1,4 ТэВ; за пределами этой точки Стандартная модель становится несовместимой без такого механизма, поскольку унитарность . в некоторых процессах рассеяния нарушается

Также возможно, хотя экспериментально и сложно, оценить массу бозона Хиггса косвенно: в Стандартной модели бозон Хиггса оказывает ряд косвенных эффектов; в частности, петли Хиггса приводят к крошечным поправкам к массам W- и Z-бозонов. Прецизионные измерения электрослабых параметров, таких как константа Ферми и массы W- и Z-бозонов, можно использовать для расчета ограничений на массу бозона Хиггса. По состоянию на июль 2011 года прецизионные электрослабые измерения показывают, что масса бозона Хиггса, вероятно, будет меньше примерно 161 ГэВ/ с. ² на уровне достоверности 95% . Эти косвенные ограничения основаны на предположении, что Стандартная модель верна. Возможно, еще удастся обнаружить бозон Хиггса выше этих масс, если он будет сопровождаться другими частицами, помимо тех, которые учитываются Стандартной моделью.

БАК не может напрямую измерить время жизни бозона Хиггса из-за его чрезвычайной краткости. Прогнозируется как 1,56 × 10 ⁻²² с на основе предсказанной распада ширины 4,07 × 10 ⁻³ ГэВ . Однако его можно измерить косвенно, основываясь на сравнении масс, измеренных в результате квантовых явлений, происходящих в путях образования на оболочке и в гораздо более редких путях образования вне оболочки , полученных в результате распада Далица через виртуальный фотон (H → γ*γ → ℓℓγ ) . С помощью этой методики в 2021 году предварительно было измерено время жизни бозона Хиггса как 1,2 – 4,6 × 10. ⁻²² s , при значимости сигма 3,2 (1 из 1000).

Производство

Диаграммы Фейнмана для производства бозона Хиггса

Клеевой сплав	Хиггсовское излучение
Векторный синтез бозонов	Топ фьюжн

Если теория частиц Хиггса верна, то частица Хиггса может быть создана так же, как и другие изучаемые частицы, в коллайдере частиц . Это предполагает ускорение большого количества частиц до чрезвычайно высоких энергий и чрезвычайно близких к скорости света , а затем их столкновение. протоны и ионы свинца (голые ядра свинца атомов На БАК используются ). При экстремальных энергиях этих столкновений время от времени будут рождаться желаемые эзотерические частицы, и это можно будет обнаружить и изучить; любое отсутствие или отличие от теоретических ожиданий также может быть использовано для улучшения теории. Соответствующая теория частиц (в данном случае Стандартная модель) определит необходимые виды столкновений и детекторы. Стандартная модель предсказывает, что бозоны Хиггса могут образовываться разными способами: хотя всегда ожидается, что вероятность рождения бозона Хиггса при любом столкновении очень мала - например, только один бозон Хиггса на 10 миллиардов столкновений в Большом адронном коллайдере. Наиболее распространенными ожидаемыми процессами образования бозона Хиггса являются:

Клеевой сплав

Если сталкивающимися частицами являются адроны, такие как протон или антипротон – как в случае с БАК и Тэватроном – тогда наиболее вероятно, что два глюона, связывающие адроны, столкнутся. Самый простой способ создать частицу Хиггса — объединить два глюона в петлю виртуальных кварков. Поскольку связь частиц с бозоном Хиггса пропорциональна их массе, этот процесс более вероятен для тяжелых частиц. На практике достаточно учитывать вклад виртуальных верхних и нижних кварков (самых тяжелых кварков). Этот процесс является доминирующим вкладом на БАК и Тэватроне, поскольку его вероятность примерно в десять раз выше, чем у любого другого процесса.

Хиггсовское излучение

Если элементарный фермион сталкивается с антифермионом – например, кварк с антикварком или электрон с позитроном – они могут слиться, образовав виртуальный W- или Z-бозон, который, если он несет достаточную энергию, может затем испустить бозон Хиггса. Этот процесс был доминирующим способом производства на LEP, где электрон и позитрон столкнулись с образованием виртуального Z-бозона, и это был второй по величине вклад в производство бозона Хиггса на Тэватроне. На БАКе этот процесс является лишь третьим по величине, поскольку на БАКе происходит столкновение протонов с протонами, что делает столкновение кварка-антикварка менее вероятным, чем на Тэватроне. Хиггсовское излучение также известно как попутное производство .

Слабый синтез бозонов

Другая возможность, когда два (анти)фермиона сталкиваются, заключается в том, что они обмениваются виртуальным W- или Z-бозоном, который испускает бозон Хиггса. Сталкивающиеся фермионы не обязательно должны быть одного типа. Так, например, верхний кварк может обменять Z-бозон на анти-нижний кварк. Этот процесс является вторым по важности для производства частиц Хиггса на БАК и LEP.

Топ фьюжн

Последний процесс, который обычно рассматривается, является наименее вероятным (на два порядка). В этом процессе участвуют два сталкивающихся глюона, каждый из которых распадается на тяжелую пару кварк-антикварк. Кварк и антикварк из каждой пары могут затем объединиться, образуя частицу Хиггса.

Разлагаться

Предсказание Стандартной модели ширины распада частицы Хиггса зависит от значения ее массы.

Квантовая механика предсказывает, что если частица может распасться на набор более легких частиц, то в конечном итоге она так и сделает. Это справедливо и для бозона Хиггса. Вероятность того, что это произойдет, зависит от множества факторов, в том числе: разницы в массе, силы взаимодействия и т. д. Большинство этих факторов фиксируются Стандартной моделью, за исключением массы самого бозона Хиггса. Для бозона Хиггса с массой 125 ГэВ/ c ² SM предсказывает среднее время жизни около 1,6 × 10 ⁻²² с .

Предсказание Стандартной модели относительно коэффициентов ветвления различных мод распада частицы Хиггса зависит от значения ее массы.

Поскольку бозон Хиггса взаимодействует со всеми массивными элементарными частицами СМ, ​​он может распадаться во многих различных процессах. Каждый из этих возможных процессов имеет свою вероятность, выражаемую коэффициентом ветвления ; часть общего числа распадается вслед за этим процессом. СМ предсказывает эти коэффициенты ветвления как функцию массы Хиггса (см. график).

Бозон Хиггса распадается на пары тяжелых векторных бозонов (а), пары фермион-антифермион (б) и пары фотонов или Zγ (в, г)

Один из способов распада бозона Хиггса — это расщепление на пару фермион-антифермион. Как правило, бозон Хиггса с большей вероятностью распадется на тяжелые фермионы, чем на легкие фермионы, поскольку масса фермиона пропорциональна силе его взаимодействия с бозоном Хиггса. Согласно этой логике, наиболее распространенным распадом должен быть пара топ -антитоп-кварк. Однако такой распад был бы возможен только в том случае, если бозон Хиггса был тяжелее ~ 346 ГэВ/ с. ² , что в два раза больше массы топ-кварка. Для массы Хиггса 125 ГэВ/ c ² SM предсказывает, что наиболее распространенным распадом является пара нижнего кварка – антинижнего, что происходит в 57,7% случаев. Вторым наиболее распространенным распадом фермиона с такой массой является пара тау -антитау, который происходит лишь примерно в 6,3% случаев.

Другая возможность состоит в том, что бозон Хиггса разделится на пару массивных калибровочных бозонов. Наиболее вероятным является распад бозона Хиггса на пару W-бозонов (голубая линия на графике), что происходит примерно в 21,5% случаев для бозона Хиггса с массой 125 ГэВ/ с. ² . W-бозоны могут впоследствии распасться либо на кварк и антикварк, либо на заряженный лептон и нейтрино. Распады W-бозонов на кварки трудно отличить от фона, а распады на лептоны невозможно полностью восстановить (поскольку нейтрино невозможно обнаружить в экспериментах по столкновению частиц). Более чистый сигнал дает распад на пару Z-бозонов (что происходит примерно в 2,6% случаев для бозона Хиггса с массой 125 ГэВ/ c). ² ), если каждый из бозонов впоследствии распадается на пару легко обнаруживаемых заряженных лептонов ( электронов или мюонов ).

Распад на безмассовые калибровочные бозоны (т.е. глюоны или фотоны ) также возможен, но требует промежуточной петли из виртуальных тяжелых кварков (верхних или нижних) или массивных калибровочных бозонов. Самый распространенный такой процесс — распад на пару глюонов через петлю виртуальных тяжелых кварков. Этот процесс, обратный упомянутому выше процессу глюонного синтеза, происходит примерно в 8,6% случаев для бозона Хиггса с массой 125 ГэВ/ с. ² . Гораздо более редким является распад на пару фотонов, опосредованный петлей W-бозонов или тяжелых кварков, который происходит только дважды на тысячу распадов. Однако этот процесс очень актуален для экспериментальных поисков бозона Хиггса, поскольку энергию и импульс фотонов можно измерить очень точно, что дает точную реконструкцию массы распадающейся частицы.

В 2021 году предварительно наблюдался чрезвычайно редкий распад Далица. на два лептона (электроны или мюоны) и фотон (ℓℓγ) посредством виртуального фотона распада . Это может произойти тремя способами; Хиггс в виртуальный фотон в ℓℓγ, в котором виртуальный фотон (γ*) имеет очень маленькую, но ненулевую массу, Хиггс в Z-бозон в ℓℓγ или Хиггс в два лептона, один из которых испускает фотон в конечном состоянии, приводящий к ℓℓγ. ATLAS искал доказательства первого из них (H → γ*γ → ℓℓγ) при низкой массе дилептона (≤ 30 ГэВ/ с). ² ) , где этот процесс должен доминировать. Наблюдение имеет значимость сигма 3,2 (1 из 1000). Этот путь распада важен, поскольку он облегчает измерение внутренней и внешней массы бозона Хиггса (позволяя косвенно измерить время распада), а распад на две заряженные частицы позволяет исследовать сопряжение зарядов и нарушение зарядовой четности (CP) .

Общественное обсуждение

Мы

Имена, используемые физиками

Имя, наиболее тесно связанное с частицей и полем, — бозон Хиггса. и поле Хиггса. Некоторое время частица была известна под сочетанием имен ее авторов PRL (иногда включая Андерсона), например, частица Браута-Энглерта-Хиггса, частица Андерсона-Хиггса или частица Энглерта-Браута-Хиггса-Гуральника-Хагена- Механизм Киббла, и они до сих пор иногда используются. Отчасти это вызвано вопросом признания и потенциальной совместной Нобелевской премии. до 2013 года наиболее подходящее название время от времени оставалось темой споров. Сам Хиггс предпочитал называть частицу либо аббревиатурой всех участвующих, либо «скалярным бозоном», либо «так называемой частицей Хиггса».

О том, как имя Хиггса стало использоваться исключительно, написано немало. Предлагаются два основных объяснения. Во-первых, Хиггс предпринял в своей статье шаг, который был либо уникальным, либо более ясным, либо более явным, в формальном предсказании и исследовании частицы. Из авторов статей PRL только статья Хиггса явно предложила в качестве предсказания существование массивной частицы и рассчитала некоторые ее свойства; поэтому он был «первым, кто постулировал существование массивной частицы», согласно Nature . Физик и писатель Фрэнк Клоуз , а также физик-блогер Питер Войт отмечают, что статья GHK также была завершена после того, как Хиггс и Браут-Энглерт были представлены в Physical Review Letters . и что только Хиггс привлек внимание к предсказанному массивному скалярному бозону, в то время как все остальные сосредоточились на массивных векторных бозонах. Таким образом, вклад Хиггса также предоставил экспериментаторам решающую «конкретную цель», необходимую для проверки теории.

Однако, по мнению Хиггса, Браут и Энглерт не упомянули бозон явно, поскольку его существование совершенно очевидно в их работе. в то время как, по мнению Гуральника, статья GHK представляла собой полный анализ всего механизма нарушения симметрии, математическая строгость которого отсутствует в двух других статьях, и в некоторых решениях может существовать массивная частица. Дэвида Кайзера , в статье Хиггса также содержится «особенно резкое» изложение проблемы и ее решения По словам историка науки .

Альтернативное объяснение состоит в том, что это имя было популяризировано в 1970-х годах из-за его использования в качестве удобного сокращения или из-за ошибки в цитировании. Многие аккаунты ( включая собственные Хиггса) ) приписывают имя «Хиггс» физику Бенджамину Ли . Ли был значительным популяризатором теории на заре ее существования и с 1972 года обычно использовал имя «Хиггс» как «удобное сокращение» для ее компонентов. и, по крайней мере, в одном случае еще в 1966 году. Хотя Ли пояснил в своих сносках, что «Хиггс» — это аббревиатура от Хиггса, Киббла, Гуральника, Хагена, Браута, Энглерта», его использование этого термина (а также, возможно, ошибочное цитирование Стивеном Вайнбергом статьи Хиггса как первой в его основополагающей статье 1967 года). ) означало, что примерно к 1975–1976 годам другие также начали использовать имя «Хиггс» исключительно как сокращение. В 2012 году физик Фрэнк Вильчек , которому приписывают название элементарной частицы аксион (в отличие от альтернативного предложения Вайнберга «Хигглет»), одобрил название «бозон Хиггса», заявив: «История сложна, и где бы вы ни рисовали, линия, чуть ниже нее будет кто-то».

Псевдоним

Бозон Хиггса часто называют «частицей Бога» в популярных средствах массовой информации за пределами научного сообщества. Это прозвище происходит от названия книги 1993 года о бозоне Хиггса и физике элементарных частиц « Частица Бога: если Вселенная — это ответ, то в чем вопрос?» лауреат Нобелевской премии по физике и Фермилаб директор Леон Ледерман . Ледерман написал это в контексте неудачной поддержки правительством США сверхпроводящего суперколлайдера . частично построенный Титаник конкурент Большого адронного коллайдера с запланированной энергией столкновения 2 × 20 ТэВ , который Ледерман отстаивал с момента его создания в 1983 году. и закрыт в 1993 году. Книга частично была призвана повысить осведомленность о значении и необходимости такого проекта перед лицом возможной потери финансирования. Ледерман, ведущий исследователь в этой области, пишет, что он хотел назвать свою книгу «Проклятая частица: если Вселенная — это ответ, то в чем вопрос?» Редактор Ледермана решил, что название слишком спорное, и убедил его изменить название на «Частица Бога: если Вселенная — это ответ, в чем же вопрос?»

Хотя использование этого термина в средствах массовой информации могло способствовать повышению осведомленности и интереса, многие ученые считают, что это название неуместно поскольку это сенсационная гипербола и вводит читателей в заблуждение; частица также не имеет ничего общего с каким-либо Богом, оставляет открытыми многочисленные вопросы фундаментальной физики и не объясняет окончательного происхождения Вселенной . Сообщается, что Хиггс , атеист , был недоволен и заявил в интервью 2008 года, что нашел это «смущающим», потому что это «тот вид неправильного использования   [...], который, я думаю, может оскорбить некоторых людей». Это прозвище также подверглось высмеиванию в средствах массовой информации. Писатель-научный писатель Ян Сэмпл заявил в своей книге 2010 года о поиске, что это прозвище вызывает «всеобщую ненависть [d]» со стороны физиков и, возможно, является «самым высмеиваемым» в истории физики , но что (по словам Ледермана) издатель отклонил все названия. упоминание «Хиггса» как лишенного воображения и слишком неизвестного.

Ледерман начинает с обзора долгих поисков знаний человеком и объясняет, что его ироничный заголовок проводит аналогию между влиянием поля Хиггса на фундаментальные симметрии Большого взрыва и кажущимся хаосом структур, частиц. , силы и взаимодействия, которые привели и сформировали нашу нынешнюю вселенную, с библейской историей о Вавилоне , в которой изначальный единый язык раннего Бытия был фрагментирован на множество несопоставимых языков и культур.

Сегодня   [...] у нас есть стандартная модель, которая сводит всю реальность к примерно дюжине частиц и четырем силам   [...] Это с трудом завоеванная простота, [и] удивительно точная. Но он также неполный и, по сути, внутренне противоречивый   [...] Этот бозон настолько важен для современного состояния физики, настолько важен для нашего окончательного понимания структуры материи, но настолько неуловим, что я дал его прозвище: Частица Бога. Почему частица Бога? Две причины. Во-первых, издатель не позволил нам назвать ее «Проклятая частица», хотя это название могло бы быть более подходящим, учитывая ее злодейский характер и расходы, которые она причиняет. И во-вторых, есть своего рода связь с другой книгой , гораздо более старой...

— Ледерман и Терези

Ледерман спрашивает, был ли бозон Хиггса добавлен только для того, чтобы сбить с толку и сбить с толку тех, кто ищет знания о Вселенной, и будут ли физики сбиты с толку этим, как описано в этой истории, или в конечном итоге преодолеют вызов и поймут, «насколько прекрасна Вселенная [Бог ] сделал".

Другие предложения

Конкурс на переименование, проведенный британской газетой The Guardian в 2009 году, привел к тому, что ее научный корреспондент выбрал название « бозон бутылки шампанского » в качестве лучшего предложения: «Дно бутылки шампанского имеет форму потенциала Хиггса и часто используется в качестве иллюстрация на лекциях по физике. Так что это не пугающе грандиозное имя, оно запоминающееся и [оно] также имеет некоторую связь с физикой». Имя Хиггсон также было предложено в обзорной статье, опубликованной в Института физики интернет-издании Physicsworld.com .

Учебные объяснения и аналогии

Фотография света, проходящего через дисперсионную призму : эффект радуги возникает потому, что не на все фотоны влияет дисперсионный материал призмы в одинаковой степени.

В обществе широко обсуждались аналогии и объяснения частицы Хиггса и того, как поле создает массу. включая освещение самостоятельных попыток объяснения и конкурс 1993 года на лучшее популярное объяснение, проведенный тогдашним министром науки Великобритании сэром Уильямом Уолдегрейвом. и статьи в газетах по всему миру.

Образовательное сотрудничество с участием физика БАК и преподавателя средней школы ЦЕРН предполагает, что дисперсия света – ответственная за радугу и дисперсионную призму – является полезной аналогией нарушения симметрии поля Хиггса и эффекта, вызывающего массу.

Нарушение симметрии в оптике	В вакууме свет всех цветов (или фотоны всех длин волн ) распространяется с одинаковой скоростью , что является симметричной ситуацией. В некоторых веществах, таких как стекло, вода или воздух, эта симметрия нарушена (См.: Фотоны в веществе ) . В результате свет с разными длинами волн имеет разные скорости .
Нарушение симметрии в физике элементарных частиц	В «наивных» калибровочных теориях калибровочные бозоны и другие фундаментальные частицы не имеют массы – тоже симметричная ситуация. При наличии поля Хиггса эта симметрия нарушается. В результате частицы разных типов будут иметь разную массу.

Мэтт Страсслер использует электрические поля в качестве аналогии:

Некоторые частицы взаимодействуют с полем Хиггса, а другие нет. Те частицы, которые чувствуют поле Хиггса, ведут себя так, как будто они имеют массу. Нечто подобное происходит и в электрическом поле : заряженные объекты притягиваются, а нейтральные объекты могут проходить сквозь него, не подвергаясь воздействию. Таким образом, вы можете думать о поиске Хиггса как о попытке создать волны в поле Хиггса [ создать бозоны Хиггса ], чтобы доказать, что оно действительно существует.

Аналогичное объяснение предложила The Guardian :

Бозон Хиггса, по сути, представляет собой пульсацию в поле, которое, как говорят, возникло при рождении Вселенной и охватывает космос по сей день ... Однако частица имеет решающее значение: это дымящийся пистолет , доказательства, необходимые для подтверждения теории. это правильно.

Влияние поля Хиггса на частицы было классно описано физиком Дэвидом Миллером как похожее на комнату, полную работников политических партий, равномерно распределенных по комнате: толпа тяготеет к известным людям и замедляет их, но не замедляет других. Он также обратил внимание на хорошо известные эффекты в физике твердого тела , когда эффективная масса электрона может быть намного больше, чем обычно, при наличии кристаллической решетки.

Аналогии, основанные на эффектах сопротивления , включая аналогии с « сиропом » или « патокой », также хорошо известны, но могут вводить в заблуждение, поскольку их можно понять (неправильно) как утверждение, что поле Хиггса просто сопротивляется движению одних частиц, но не движению других. – простой резистивный эффект также может противоречить третьему закону Ньютона .

Бозон Хиггса обычно неправильно понимают как ответственный за массу, а не как поле Хиггса, и как относящийся к большей части массы во Вселенной.

Признание и награды

До конца 2013 года велась активная дискуссия о том, как распределить заслуги, если бозон Хиггса будет доказан, станет более заметным, поскольку Нобелевская премия ожидалась , и очень широкий круг людей, имеющих право на рассмотрение. К ним относятся ряд теоретиков, которые сделали возможной теорию механизма Хиггса, теоретики статей PRL 1964 года (включая самого Хиггса), теоретики, которые вывели из них рабочую электрослабою теорию и саму Стандартную модель, а также экспериментаторов из ЦЕРН и другие учреждения, которые сделали возможным доказательство существования поля Хиггса и бозона в реальности. Нобелевская премия имеет ограничение на то, что награду могут разделить три человека, и некоторые возможные победители уже являются лауреатами премии за другую работу или умерли (премия вручается только лицам при жизни). Существующие премии за работы, связанные с полем, бозоном или механизмом Хиггса, включают:

• Нобелевская премия по физике (1979) — Глэшоу , Салам и Вайнберг — за вклад в теорию единого слабого и электромагнитного взаимодействия между элементарными частицами.
• Нобелевская премия по физике (1999 г.) - Т Хоофт и Вельтман за объяснение квантовой структуры электрослабых взаимодействий в физике.
• Премия Дж. Дж. Сакураи в области теоретической физики элементарных частиц (2010 г.) - Хаген, Энглерт, Гуральник, Хиггс, Браут и Киббл за выяснение свойств спонтанного нарушения симметрии в четырехмерной релятивистской калибровочной теории и механизма последовательной генерации вектора. бозонные массы (для статей 1964 года, описанных выше )
• Премия Вольфа (2004) – Энглерт, Браут и Хиггс
• Специальная премия за прорыв в фундаментальной физике (2013 г.) – Фабиола Джанотти и Питер Дженни , представители коллаборации ATLAS, а также Мишель Делла Негра, Теджиндер Сингх Вирди, Гвидо Тонелли и Джозеф Инкандела, бывшие и нынешние представители коллаборации CMS, «За [ их] лидерскую роль в научных усилиях, которые привели к открытию новой частицы, подобной Хиггсу, благодаря сотрудничеству ATLAS и CMS на Большом адроном коллайдере ЦЕРН».
• Нобелевская премия по физике (2013 г.) — Питер Хиггс и Франсуа Энглерт — за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтвержден открытием предсказанной фундаментальной частицы эксперименты ATLAS и CMS на Большом адроном коллайдере ЦЕРН

Соавтор Энглерта Роберт Браут умер в 2011 году, и Нобелевская премия обычно не вручается посмертно .

Кроме того, Physical Review Letters 50-летний обзор (2008) признал статьи о нарушении симметрии PRL 1964 года и статью Вайнберга 1967 года «Модель лептонов » (наиболее цитируемая статья в физике элементарных частиц по состоянию на 2012 год) «веховыми письмами».

После сообщения о наблюдении частицы, подобной Хиггсу, в июле 2012 года, несколько индийских СМИ сообщили о предполагаемом пренебрежении заслугами индийского физика Сатьендры Натха Бозе, класс частиц « бозоны ». в честь работы которого в 1920-х годах был назван (хотя физики назвали связь Бозе с открытием незначительной).

Технические аспекты и математическая формулировка

См. Также: Математическая формулировка Стандартной модели.

Потенциал поля Хиггса, построенный как функция $\phi ^{0}$ и $\phi ^{3}$. у него профиль мексиканской шляпы или бутылки шампанского . У основания

В Стандартной модели поле Хиггса представляет собой четырехкомпонентное скалярное поле, образующее комплексный дублет слабой изоспиновой симметрии SU(2):

$\phi ={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left({\begin{array}{c}\phi ^{1}+i\phi ^{2}\\\phi ^{0}+i\phi ^{3}\end{array}}\right)\ ,$

пока поле имеет заряд + ⁠ 1 / 2 ⁠ при слабой симметрии гиперзаряда U(1).

Примечание. В этой статье используется соглашение о масштабировании, согласно которому электрический заряд Q , изоспин слабый T ₃ и слабый гиперзаряд Y _W связаны соотношением Q = T ₃ + Y _W . используется другое соглашение В большинстве других статей Википедии : Q = T ₃ + ⁠ 1 / 2 ⁠ Y _W .

Хиггсовская часть лагранжиана равна

${\mathcal {L}}_{\text{H}}=\left|\left(\partial _{\mu }-igW_{\mu \,a}{\tfrac {1}{2}}\sigma ^{a}-i{\tfrac {1}{2}}g'B_{\mu }\right)\phi \right|^{2}+\mu _{\text{H}}^{2}\phi ^{\dagger }\phi -\lambda \left(\phi ^{\dagger }\phi \right)^{2}\ ,$

где $W_{\mu \,a}$ и $B_{\mu }$ – калибровочные бозоны симметрий SU(2) и U(1), $g$ и $g'$ их соответствующие константы связи , $\sigma ^{a}$ – матрицы Паули (полный набор образующих симметрии SU(2)), а $\lambda >0$ и $\mu _{\text{H}}^{2}>0$, так что основное состояние нарушает симметрию SU(2) (см. рисунок).

Основное состояние поля Хиггса (дно потенциала) вырождено, при этом различные основные состояния связаны друг с другом калибровочным преобразованием SU(2). Всегда можно подобрать датчик такой, что в основном состоянии $\phi ^{1}=\phi ^{2}=\phi ^{3}=0$. Ожидаемая стоимость $\phi ^{0}$ в основном состоянии (математическое ожидание вакуума или VEV) тогда равно $\left\langle \phi ^{0}\right\rangle ={\tfrac {1}{\sqrt {2\,}}}v$, где $v={\tfrac {1}{\sqrt {\lambda \,}}}\left|\mu _{\text{H}}\right|$. Измеренное значение этого параметра составляет ~ 246 ГэВ/ с. ² . Он имеет единицы массы и является единственным свободным параметром Стандартной модели, который не является безразмерным числом. Квадратичные члены в $W_{\mu }$ и $B_{\mu }$ возникают, которые дают массы W- и Z-бозонам:

${\begin{aligned}m_{\text{W}}&={\tfrac {1}{2}}v\left|\,g\,\right|\ ,\\m_{\text{Z}}&={\tfrac {1}{2}}v{\sqrt {g^{2}+{g'}^{2}\ }}\ ,\end{aligned}}$

с их соотношением, определяющим угол Вайнберга , ${\textstyle \cos \theta _{\text{W}}={\frac {m_{\text{W}}}{\ m_{\text{Z}}\ }}={\frac {\left|\,g\,\right|}{\ {\sqrt {g^{2}+{g'}^{2}\ }}\ }}}$, и оставить безмассовый фотон U(1) , $\gamma$. Масса самого бозона Хиггса определяется выражением

$m_{\text{H}}={\sqrt {2\mu _{\text{H}}^{2}\ }}\equiv {\sqrt {2\lambda v^{2}\ }}.$

Кварки и лептоны взаимодействуют с полем Хиггса через условия взаимодействия Юкавы :

${\begin{aligned}{\mathcal {L}}_{\text{Y}}=&-\lambda _{u}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{0}-i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {u}}_{\text{L}}^{i}u_{\text{R}}^{j}+\lambda _{u}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}-i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {d}}_{\text{L}}^{i}u_{\text{R}}^{j}\\&-\lambda _{d}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{0}+i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {d}}_{\text{L}}^{i}d_{\text{R}}^{j}-\lambda _{d}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}+i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {u}}_{\text{L}}^{i}d_{\text{R}}^{j}\\&-\lambda _{e}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{0}+i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {e}}_{\text{L}}^{i}e_{\text{R}}^{j}-\lambda _{e}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}+i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {\nu }}_{\text{L}}^{i}e_{\text{R}}^{j}+{\textrm {h.c.}}\ ,\end{aligned}}$

где $(d,u,e,\nu )_{\text{L,R}}^{i}$ — левые и правые кварки и лептоны i -го поколения , $\lambda _{\text{u,d,e}}^{i\,j}$ являются матрицами связей Юкавы, где hc обозначает эрмитово сопряжение всех предыдущих членов. В основном состоянии нарушения симметрии только члены, содержащие $\phi ^{0}$ остаются, что приводит к появлению массовых членов для фермионов. Вращая кварковые и лептонные поля к базису, где матрицы связей Юкавы диагональны, получаем

${\mathcal {L}}_{\text{m}}=-m_{\text{u}}^{i}{\overline {u}}_{\text{L}}^{i}u_{\text{R}}^{i}-m_{\text{d}}^{i}{\overline {d}}_{\text{L}}^{i}d_{\text{R}}^{i}-m_{\text{e}}^{i}{\overline {e}}_{\text{L}}^{i}e_{\text{R}}^{i}+{\textrm {h.c.}},$

где массы фермионов $m_{\text{u,d,e}}^{i}={\tfrac {1}{\sqrt {2\ }}}\lambda _{\text{u,d,e}}^{i}v$, и $\lambda _{\text{u,d,e}}^{i}$ обозначают собственные значения матриц Юкавы.

См. также

Стандартная модель

• Механизм Хиггса - механизм, объясняющий образование массы калибровочных бозонов.
• История квантовой теории поля
• Введение в квантовую механику – Нетехническое введение в квантовую физику
• Некоммутативная стандартная модель
• Некоммутативная геометрия - Отдел математики
• Математическая формулировка Стандартной модели - Математика модели физики элементарных частиц.
  • Обзор полей стандартной модели
  • массовые члены и механизм Хиггса
• Квантовая калибровочная теория - Физическая теория с полями, инвариантными под действием локальных «калибровочных» групп Ли. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• W- и Z-бозоны – элементарные частицы; калибровочные бозоны, которые опосредуют слабое взаимодействие

Другой

• Статистика Бозе – Эйнштейна - Описание поведения бозонов.
• Составные модели Хиггса , расширение СМ, в котором бозон Хиггса состоит из более мелких компонентов.
• График Далитца - график физики элементарных частиц. Страницы, отображающие описания викиданных в качестве запасного варианта.
• Частичная лихорадка , американский документальный фильм 2013 года, посвященный различным экспериментам БАК и завершающийся идентификацией бозона Хиггса.
• Квантовая тривиальность - Возможный результат перенормировки в физике
• Скалярный бозон - бозон со спином, равным нулю.
• Действие Штюкельберга - частный случай абелева механизма Хиггса.
• Тахионное поле - Поле с мнимой массой.
• ZZ дибозон - субатомные частицы Страницы, отображающие описания викиданных в качестве запасного варианта

Источники

• Бернштейн, Джереми (январь 1974 г.). «Спонтанное нарушение симметрии, калибровочные теории, механизм Хиггса и все такое» (PDF) . Обзоры современной физики . 46 (1): 7–48. Бибкод : 1974РвМП...46....7Б . дои : 10.1103/RevModPhys.46.7 . Архивировано из оригинала (PDF) 21 января 2013 года . Проверено 10 декабря 2012 г.
• Пескин, Майкл Э.; Шредер, Дэниел В. (1995). Введение в квантовую теорию поля . Ридинг, Массачусетс: Издательская компания Addison-Wesley. ISBN  978-0-201-50397-5 .
• Типлер, Пол; Ллевеллин, Ральф (2003). Современная физика . У. Х. Фриман. ISBN  978-0-7167-4345-3 .
• Гриффитс, Дэвид (2008). Введение в элементарные частицы (2-е исправленное изд.). ВИЛИ-ВЧ. ISBN  978-3-527-40601-2 .

Дальнейшее чтение

• Намбу, Ёитиро ; Йона-Лазинио, Джованни (1961). «Динамическая модель элементарных частиц, основанная на аналогии со сверхпроводимостью» . Физический обзор . 122 (1): 345–358. Бибкод : 1961PhRv..122..345N . дои : 10.1103/PhysRev.122.345 .
• Андерсон, Филип В. (1963). «Плазмоны, калибровочная инвариантность и масса». Физический обзор . 130 (1): 439–442. Бибкод : 1963PhRv..130..439A . дои : 10.1103/PhysRev.130.439 .
• Кляйн, Авраам ; Ли, Бенджамин В. (1964). «Означает ли спонтанное нарушение симметрии частицы нулевой массы?». Письма о физических отзывах . 12 (10): 266–268. Бибкод : 1964PhRvL..12..266K . дои : 10.1103/PhysRevLett.12.266 .
• Гилберт, Уолтер (1964). «Нарушенные симметрии и безмассовые частицы». Письма о физических отзывах . 12 (25): 713–714. Бибкод : 1964PhRvL..12..713G . дои : 10.1103/PhysRevLett.12.713 .
• Хиггс, Питер (1964). «Нарушенные симметрии, безмассовые частицы и калибровочные поля». Письма по физике . 12 (2): 132–133. Бибкод : 1964PhL....12..132H . дои : 10.1016/0031-9163(64)91136-9 .
• Гуральник, Джеральд С .; Хаген, Чешская Республика ; Киббл, Том ВБ (1968). «Нарушенные симметрии и теорема Голдстоуна» . в Куле, РЛ ; Маршак Р.Э. (ред.). Достижения физики . Том. 2. Издательство «Интерсайенс» . стр. 567–708. ISBN  978-0-470-17057-1 . Архивировано из оригинала 23 апреля 2012 года . Проверено 18 июня 2011 г.
• Кэрролл, Шон (2013). Частица на краю Вселенной: Как охота за бозоном Хиггса приводит нас к краю нового мира . Даттон. ISBN  978-0-14-218030-3 .
• Якобс, Карл; Сиз, Крис (2015). «Открытие бозона Хиггса» . Схоларпедия . 10 (9): 32413. doi : 10.4249/scholarpedia.32413 .

Внешние ссылки

Популярная наука, средства массовой информации и общее освещение

• Наблюдение бозона Хиггса в ЦЕРН
• Охота на бозон Хиггса в эксперименте CMS в ЦЕРНе
• Бозон Хиггса в исследовательском центре ЦЕРН.
• «Частичная лихорадка» — документальный фильм о поисках бозона Хиггса.
• «Атомные крушители» — документальный фильм о поисках бозона Хиггса в Фермилабе.
• Сборник статей в Guardian
• Видео (04:38) – Сообщение ЦЕРН от 4 июля 2012 г. об открытии частицы, которая, как предполагается, является бозоном Хиггса.
• Видео1 (07:44) + Видео2 (07:44) – Объяснение бозона Хиггса физиком ЦЕРН доктором Дэниелом Уайтсоном (16 июня 2011 г.).
• HowStuffWorks: Что такое бозон Хиггса?
• Кэрролл, Шон . «Бозон Хиггса с Шоном Кэрроллом» . Шестьдесят символов . Университет Ноттингема.
• До свидания, Деннис (5 марта 2013 г.). «В погоне за бозоном Хиггса: как две команды соперников в ЦЕРНе искали самую неуловимую физику частицу» . New York Times Научные страницы . Проверено 22 июля 2013 г. - статья в стиле «за кулисами» New York Times о поисках Хиггса в ATLAS и CMS.
• История теории Хиггса авторов статей PRL и других тесно связанных с ними:
  • Хиггс, Питер (2010). «Моя жизнь как бозон» (PDF) . Выступление, прочитанное в Королевском колледже в Лондоне, 24 ноября 2010 г. Архивировано из оригинала (PDF) 4 ноября 2013 г. Проверено 17 января 2013 г. (также: Хиггс, Питер (24 ноября 2010 г.). «Моя жизнь как бозон: история Хиггса» . Международный журнал современной физики А. 17 : 86–88. Бибкод : 2002IJMPA..17S..86H . дои : 10.1142/S0217751X02013046 . )
  • Киббл, Том (2009). «Механизм Энглерта – Браута – Хиггса – Гуральника – Хагена – Киббла (история)» . Схоларпедия . Проверено 17 января 2013 г. (также: Киббл, Том (2009). «Механизм Энглерта-Браута-Хиггса-Гуральника-Хагена-Киббла (история)» . Схоларпедия . 4 (1): 8741. Бибкод : 2009SchpJ...4.8741K . doi : 10.4249/scholarpedia.8741 . )
  • Гуральник, Джеральд (2009). «История развития Гуральником, Хагеном и Кибблом теории спонтанного нарушения симметрии и калибровочных частиц». Международный журнал современной физики А. 24 (14): 2601–2627. arXiv : 0907.3466 . Бибкод : 2009IJMPA..24.2601G . дои : 10.1142/S0217751X09045431 . S2CID   16298371 . , Гуральник, Джеральд (2011). «Начало спонтанного нарушения симметрии в физике элементарных частиц. Материалы конференции DPF-2011, Провиденс, Род-Айленд, 8–13 августа 2011 г.». arXiv : 1110.2253v1 [ physical.hist-ph ]. и Гуральник, Джеральд (2013). «Еретические идеи, которые легли в основу стандартной модели физики элементарных частиц». Архивировано 15 октября 2013 г. в Wayback Machine SPG Mitteilungen, март 2013 г., № 39 (стр. 14), и разговор в Университете Брауна о документах PRL 1964 года.
  • Филип Андерсон (не один из авторов PRL) о нарушении симметрии в сверхпроводимости и ее миграции в физику элементарных частиц и статьях PRL
• Мультфильм про поиски
• Чам, Хорхе (19 февраля 2014 г.). «Правдивые дорожные истории: новое объяснение бозона Хиггса» . Завалено все выше и глубже . Проверено 25 февраля 2014 г.
• Бозон Хиггса , дискуссия на BBC Radio 4 с Джимом Аль-Халили, Дэвидом Уорком и Роджером Кэшмором ( В наше время , 18 ноября 2004 г.)

Важные документы и другие

• «Наблюдение новой частицы в поисках бозона Хиггса Стандартной модели с помощью детектора ATLAS на БАК». Буквы по физике Б. 716 (2012): 1–29. 2012. arXiv : 1207.7214 . Бибкод : 2012PhLB..716....1A . doi : 10.1016/j.physletb.2012.08.020 . S2CID   119169617 .
• «Наблюдение нового бозона с массой 125 ГэВ в эксперименте CMS на БАК». Буквы по физике Б. 716 (2012): 30–61. 2012. arXiv : 1207.7235 . Бибкод : 2012PhLB..716...30C . дои : 10.1016/j.physletb.2012.08.021 .
• Группа данных о частицах: обзор поисков бозонов Хиггса.
• 2001, пространственно-временная одиссея: материалы первой конференции Мичиганского центра теоретической физики : Мичиган, 21–25 мая 2001 г. (стр. 86–88), изд. Майкл Дж. Дафф, Джеймс Т. Лю, ISBN   978-981-238-231-3 , содержащий историю Хиггса о бозоне Хиггса.
• Мигдал, А.А.; Поляков, А.М. (1966). «Спонтанное нарушение симметрии сильного взаимодействия и отсутствие безмассовых частиц» (PDF) . Советский физический ЖЭТФ . 24 (1): 91. Бибкод : 1967ЖЭТП...24...91М . S2CID   34510322 . Архивировано из оригинала (PDF) 21 сентября 2018 года. — пример российской статьи 1966 года по этой теме.
• Министерство энергетики объясняет... бозон Хиггса

Введение в эту область

• Нарушение электрослабой симметрии - педагогическое введение в нарушение электрослабой симметрии с пошаговым выводом многих ключевых соотношений, Роберт Д. Клаубер, 15 января 2018 г. (архивировано на Wayback Machine)
• Спонтанное нарушение симметрии, калибровочные теории, механизм Хиггса и все такое (Бернштейн, Обзоры современной физики, январь 1974 г.) - введение на 47 страницах, охватывающее развитие, историю и математику теорий Хиггса примерно с 1950 по 1974 год.