Higgs bozonu hakkında basit bir ifadeyle - bilim adamları hadron çarpıştırıcısının yardımıyla neyi keşfettiler, bu bozona ne için ihtiyaç duyuldu? Higgs bozonunun keşfi, bütçe fonlarının daha verimli kullanılmasına olanak sağlayacak. Bozondan daha küçük olan şey.
İki proton çarpıştığında Higgs bozonunun görünümünü gösteren simülasyon
Higgs bozonu Higgs bozonu
Higgs bozonu, evrenin temel fiziksel ve astronomik yasalarını önceden hazırlamadan ve anlamadan doğasını anlamak çok zor olan temel bir parçacıktır.
Higgs bozonunun birçok benzersiz özelliği vardır ve bu onun başka bir isim almasına izin verdi - Tanrı parçacığı. Açık bir kuantumun rengi ve elektrik yükleri vardır ve dönüşü aslında sıfırdır. Bu, kuantum rotasyonuna sahip olmadığı anlamına gelir. Ek olarak bozon, yerçekimsel reaksiyonlara tamamen katılır ve nötrinolarla kombinasyon halinde b-kuark ve b-antikuark çiftlerine, fotonlara, elektronlara ve pozitronlara bozunmaya eğilimlidir. Ancak bu süreçlerin parametrelerinin genişliği 17 megaelektronvoltu (MeV) geçmiyor. Yukarıdaki özelliklere ek olarak Higgs parçacığı leptonlara ve W bozonlarına bozunma yeteneğine sahiptir. Ancak ne yazık ki yeterince iyi görülemiyorlar ve bu da olgunun incelenmesini, kontrolünü ve analizini önemli ölçüde zorlaştırıyor. Bununla birlikte, yine de kaydedilebildikleri nadir anlarda, bu tür durumlar için tipik olan temel parçacıkların fiziksel modellerine tamamen karşılık geldiklerini tespit etmek mümkündü.
Higgs bozonunun keşfinin tahmini ve tarihçesi
Etkileşime girdiğinde nötr bir Higgs bozonu oluşturan W veya Z bozonlarının olası üretimini gösteren Feynman diyagramı
2013 yılında İngiliz Peter Higgs ve Belçika vatandaşı François Englert, temel parçacık kütlelerinin nasıl ve nelerden kaynaklandığını anlamayı mümkün kılan bir mekanizmanın varlığının keşfi ve kanıtlanması nedeniyle Nobel Fizik Ödülü'nü aldı. Ancak bundan çok önce Higgs bozonunu keşfetmeye yönelik çeşitli deneyler ve girişimler zaten yapılmıştı. 1993 yılında Batı Avrupa'da Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısının gücünü kullanan benzer araştırmalar başladı. Ancak sonuçta bu projeyi düzenleyenlerin beklediği sonuçları tam anlamıyla elde edemediler. Rus bilimi de konunun incelenmesine dahil oldu. Yani 2008-2009'da. JINR bilim adamlarından oluşan küçük bir ekip, Higgs bozonunun kütlesine ilişkin hassas bir hesaplama yaptı. Daha yakın bir zamanda, 2015 baharında, tüm bilim dünyasının bildiği ATLAS ve CMS işbirlikleri, Higgs bozonunun kütlesini yeniden ayarladı; bu bilgilere göre bu kütle yaklaşık olarak 125,09 ± 0,24 gigaelektronvolta (GeV) eşitti.
Higgs bozonunun parametrelerini aramaya ve tahmin etmeye yönelik deneyler
Yukarıda belirtildiği gibi, bozon kütlesini belirlemeye yönelik ilk araştırma ve değerlendirme deneyleri 1993 yılında başlamıştır. Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısında yürütülen kapsamlı araştırmalar 2001 yılında tamamlandı. Bu deneyden elde edilen sonuçlar 2004 yılında daha da ayarlandı. Güncellenen hesaplamalara göre kütlesinin üst sınırı 251 gigaelektronvolta (GeV) eşitti. 2010 yılında bozunma sırasında ortaya çıkan b-mezon, müon ve antimüon sayısında %1'lik bir fark ortaya çıktı.
İstatistiksel eksikliklere rağmen Büyük Hadron Çarpıştırıcısından veriler 2011 yılından bu yana düzenli olarak alınmaya devam ediliyor. Bu, yanlış bilgilerin düzeltilmesi konusunda umut verdi. Bir yıl sonra keşfedilen ve Higgs bozonu ile aynı pariteye ve bozunma yeteneğine sahip olan yeni bir temel parçacık, 2013 yılında ciddi eleştirilere ve şüphelere maruz kaldı. Ancak sezon sonuna gelindiğinde, biriken tüm verilerin işlenmesi kesin sonuçlara yol açtı: yeni keşfedilen parçacık şüphesiz aranan Higgs bozonudur ve Standart Fiziksel Modele aittir.
Higgs bozonu hakkında ilginç gerçekler
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı. Projenin ana hedeflerinden biri Higgs bozonunun varlığının deneysel olarak kanıtlanması ve araştırılmasıdır.
Higgs bozonuyla ilgili en ilginç ve inanılmaz gerçeklerden biri, onun aslında doğada var olmamasıdır. Sonuç olarak bu parçacık, diğer temel elementlerden farklı olarak bizi çevreleyen uzayda bulunmuyor. Bu, Higgs bozonunun doğumundan hemen sonra ortadan kaybolmasıyla açıklanmaktadır. Bu anlık metamorfoz, bir parçacığın parçalanmasıyla meydana gelir. Üstelik bozonun en kısa varlığı boyunca başka hiçbir şeyle etkileşime girecek zamanı bile yoktur.
Higgs bozonuna verilen sözde "takma adlar" da oldukça ilginç ve dikkat çekicidir. Medya sayesinde şok edici isimler kamuoyunun gündemine geldi. Bunlardan biri, yeni keşfedilen Nobel Ödülü sahibi kuantum Leon Lederman tarafından icat edildi ve kulağa "lanet parçacık" gibi geliyordu. Ancak editör tarafından eserin matbu baskısında yer almamış ve yerine “Tanrı’nın parçacığı” ya da “Tanrı’nın parçacığı” kullanılmıştır.
Higgs bozonunun diğer kütle isimleri
Lederman'ın Higgs bozonuna verdiği "takma adlar"ın popülaritesine rağmen, bilim adamlarının büyük çoğunluğu bunları onaylamıyor ve daha sıklıkla başka bir "ortak" ad kullanıyor. "Şampanya şişesi bozonu" anlamına gelir. Higgs bozonunun tanımlanmasında böyle bir terminolojinin ortaya çıkmasının temeli, karmaşık alanının bir cam şampanya şişesinin tabanıyla belirli bir benzerliğiydi. "Yaramaz" bilim adamları için daha az önemli olmayan, önemli bir parçacığın keşfi vesilesiyle içilen şampanya bolluğunu ima eden alegorik karşılaştırmadır.
Bozonun keşfinden önce bile Higgs içermeyen fiziksel modellerin geliştirildiği gerçeğine de dikkat etmek gerekir. Bunlar standardın bir nevi genişletilmesi anlamına geliyor.
Modern bilim yerinde durmuyor, sürekli ve istikrarlı bir şekilde gelişiyor. Günümüz fiziği ve ilgili alanlarda biriken bilgiler, Higgs bozonunun sadece tahmin edilmesini değil, aynı zamanda keşfinin yapılmasını da mümkün kılmıştır. Ancak özelliklerinin incelenmesi ve elde edilen bilgilerin uygulama alanlarının belirlenmesi henüz başlangıç aşamasındadır. Bu nedenle, modern fizikçilerin ve gökbilimcilerin Evren için bu temel parçacığın incelenmesiyle ilgili hala yapacak çok işi ve deneyleri var.
Teorik olarak Standart Model, yerçekimine uymamasına rağmen iyi çalışıyor. Bu sayede fizikçiler, deneysel olarak keşfedilmeden önce bazı parçacıkların varlığını tahmin edebildiler. Ve böylece Higgs bozonu ufukta belirdi. Bu parçacığın Standart Model'e ve bir bütün olarak Evren'e nasıl uyduğunu bulalım.
Higgs bozonu: bulmacanın son parçası
Bilim adamları, bu dört temel kuvvetin her birinin, maddeyi etkileyen karşılık gelen bir parçacığa (veya bozona) sahip olduğuna inanıyor. Bunu anlamak zor. Gücü varlığın ve yokluğun ötesinde gizemli bir eter olarak düşünmeye alışığız ama aslında güç, maddenin kendisi kadar gerçektir.
Bazı fizikçiler bozonları, kendilerini oluşturan madde parçacıklarına lastik bantlarla bağlanan ölçekler olarak tanımlıyorlar. Bu benzetmeyi kullanırsak, bozonların sürekli olarak lastik bantlarla dışarı fırladığını ve kuvvet üretme sürecinde diğer bozonlara dolandığını hayal edebiliriz.
Bilim insanları dört temel kuvvetin her birinin kendine özgü bozonları olduğuna inanıyor. Örneğin elektromanyetik alanlar, elektromanyetik kuvveti maddeye bir foton aracılığıyla iletir. Fizikçiler Higgs bozonunun da aynı işleve sahip olduğunu ancak kütle aktaracağını düşünüyor.
Peki Higgs bozonu olmadan maddenin kütlesi olabilir mi? Standart Modele göre hayır. Ancak fizikçiler bir çözüm buldular. Peki ya tüm parçacıkların kendi kütlesi yoksa ve bunu belirli bir alandan geçerek kazanıyorlarsa? Higgs alanı olarak bilinen bu alan, farklı parçacıkları farklı şekilde etkiler. Fotonlar fark edilmeden kayıp gidebilir, ancak W ve Z bozonları kütlenin içinde sıkışıp kalacaktır. Aslında Higgs bozonunun varlığı varsayımı, kütlesi olan her şeyin, tüm Evreni kaplayan, her yerde mevcut olan Higgs alanıyla etkileşime girdiğini söylüyor. Ve Standart Model tarafından tanımlanan diğer alanlar gibi Higgs alanının da diğer parçacıkları etkilemesi için kendi taşıyıcı parçacığına ihtiyacı vardır. Higgs bozonu denir.
4 Temmuz 2012'de Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda çalışan bilim insanları, Higgs bozonu gibi davranan bir parçacık keşfettiklerini duyurdular. Nefes verebilirsiniz - fizikçiler düşündüler, ancak Higgs'e benzer birkaç bozon olabileceği ortaya çıktı, bu da daha yüksek enerji seviyelerindeki araştırmaların devam edeceği ve devam edeceği anlamına geliyor.
Dikkat çekici olan, Higgs bozonunun beklenmedik bir şekilde Evrenin ölümünün habercisi olduğunun ortaya çıkmasıdır. Senaryo mümkündür.
Akademisyen Valery Rubakov, Nükleer Araştırma Enstitüsü RAS ve Moskova Devlet Üniversitesi.
4 Temmuz 2012'de fizik açısından olağanüstü önem taşıyan bir olay meydana geldi: CERN'deki (Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi) bir seminerde, keşfin yazarlarının dikkatlice beyan ettiği gibi, yeni bir parçacığın keşfi duyuruldu. özellikleri açısından temel fizik parçacıklarının Standart Modelinin teorik olarak tahmin edilen temel bozonuna. Bu isim tamamen yeterli olmasa da genellikle Higgs bozonu olarak anılır. Öyle olsa bile, bilinen temel parçacıklar arasında hiçbir benzerliği olmayan ve dünyanın fiziksel tablosunda eşsiz bir yere sahip olan temel fiziğin ana nesnelerinden birinin keşfinden bahsediyoruz (bkz. “Bilim ve Yaşam”) No. 1, 1996, makale “Higgs Bozonu gerekli!”).
LHC-B dedektörü, b-kuark içeren hadronlar olan B-mezonların özelliklerini incelemek için tasarlanmıştır. Bu parçacıklar hızla parçalanır ve parçacık ışınından yalnızca bir milimetrenin çok küçük bir kısmı kadar uzağa uçmak için zamanları olur. Fotoğraf: Maximilien Brice, CERN.
Standart Modelin temel parçacıkları. Hemen hemen hepsinin, üzerinde tilde bulunan bir sembolle gösterilen kendi antipartikülleri vardır.
Mikro dünyadaki etkileşimler. Elektromanyetik etkileşim, fotonların yayılması ve soğurulması nedeniyle oluşur (a). Zayıf etkileşimler de benzer niteliktedir: Z-bozonlarının (b) veya W-bozonlarının (c) emisyonu, soğurulması veya bozunmasından kaynaklanırlar.
Higgs bozonu H (spin 0), spinleri antiparalel olan ve toplamı 0 olan iki fotona (spin 1) bozunur.
Bir foton yayınlandığında veya hızlı bir elektron tarafından bir Z-bozonu yayınlandığında, spininin hareket yönüne yansıması değişmez. Dairesel ok elektronun iç dönüşünü gösterir.
Düzgün bir manyetik alanda, elektron alan boyunca düz bir çizgide ve herhangi bir yönde spiral şeklinde hareket eder.
Uzun dalga boyuna ve dolayısıyla düşük enerjiye sahip bir foton, bir kuark-antikuark çifti olan π-mezonun yapısını çözemez.
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda muazzam enerjilere kadar hızlanan parçacıklar çarpışarak birçok ikincil parçacık (reaksiyon ürünü) üretir. Bunlar arasında fizikçilerin neredeyse yarım yüzyıldır bulmayı umduğu Higgs bozonu keşfedildi.
İngiliz fizikçi Peter W. Higgs, 1960'ların başında temel parçacıkların Standart Modelinde başka bir bozonun, maddede kütle yaratan alanın bir kuantumunun olması gerektiğini kanıtladı.
Seminerde ve öncesinde yaşananlar
Seminerin duyurusu haziran ayının sonunda yapıldı ve olağanüstü olacağı hemen belli oldu. Gerçek şu ki, yeni bir bozonun varlığına dair ilk belirtiler Aralık 2011'de CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda (LHC) gerçekleştirilen ATLAS ve CMS deneylerinde alındı. Ayrıca seminerden kısa bir süre önce, Tevatron proton-antiproton çarpıştırıcısındaki (Fermilab, ABD) deneylerden elde edilen verilerin de yeni bir bozonun varlığına işaret ettiğine dair bir mesaj ortaya çıktı. Bütün bunlar henüz bir keşiften bahsetmek için yeterli değildi. Ancak Aralık ayından bu yana LHC'de toplanan veri miktarı iki katına çıktı ve bunları işleme yöntemleri daha gelişmiş hale geldi. Sonuç etkileyiciydi: ATLAS ve CMS deneylerinin her birinde ayrı ayrı, sinyalin istatistiksel güvenilirliği parçacık fiziğinde keşif seviyesi olarak kabul edilen bir değere (beş standart sapma) ulaştı.
Seminer şenlik havasında gerçekleştirildi. CERN'de çalışan araştırmacıların ve orada yaz programlarında okuyan öğrencilerin yanı sıra, aynı gün Melbourne'de açılan yüksek enerji fiziği konusundaki en büyük konferansın katılımcıları tarafından internet aracılığıyla "ziyaret edildi". Seminer internet üzerinden Rusya da dahil olmak üzere dünyanın dört bir yanındaki araştırma merkezlerine ve üniversitelere yayınlandı. CMS işbirliklerinin liderleri Joe Incandela ve ATLAS Fabiola Gianotti'nin etkileyici performanslarının ardından CERN Genel Direktörü Rolf Heuer şu sonuca vardı: "Sanırım elimizde!" (“Sanırım bu bizim elimizde!”).
Peki "bizim elimizde" olan nedir ve teorisyenler bunu neden ortaya attılar?
Yeni parçacık nedir?
Mikro dünya teorisinin minimal versiyonuna garip bir şekilde Standart Model adı veriliyor. Bilinen tüm temel parçacıkları (bunları aşağıda listeledik) ve aralarındaki bilinen tüm etkileşimleri içerir. Yerçekimi etkileşimi diğerlerinden farklıdır: temel parçacıkların türlerine bağlı değildir, ancak Einstein'ın genel görelilik teorisi tarafından tanımlanır. Higgs bozonu, Standart Modelin yakın zamana kadar keşfedilmemiş tek unsuru olarak kaldı.
Standart Model'i minimal olarak adlandırdık çünkü içinde başka temel parçacıklar yok. Özellikle, bir ve yalnızca bir Higgs bozonu vardır ve bileşik bir parçacık değil, temel bir parçacıktır (diğer olasılıklar aşağıda tartışılacaktır). Higgs bozonunun ait olduğu yeni sektör hariç, Standart Modelin çoğu yönü çok sayıda deneyde test edilmiştir ve LHC çalışma programındaki ana görev, teorinin minimal versiyonunun gerçekten geçerli olup olmadığını bulmaktır. doğada uygulandığını ve mikro dünyayı ne kadar tam olarak tanımladığını.
Bu programın uygulanması sırasında, mikro dünya fiziği standartlarına göre oldukça ağır olan yeni bir parçacık keşfedildi. Bu bilim alanında kütle, kütle ve dinlenme enerjisi arasındaki E = mс 2 ilişkisi akılda tutularak enerji birimi cinsinden ölçülür. Enerji birimi elektronvolttur (eV) - bir elektronun 1 voltluk potansiyel farkından geçtikten sonra elde ettiği enerji ve türevleri - MeV (milyon, 10 6 eV), GeV (milyar, 10 9 eV), TeV (trilyon, 10 12 eV) . Bu birimlerdeki elektronun kütlesi 0,5 MeV, protonun kütlesi yaklaşık 1 GeV ve bilinen en ağır temel parçacık olan t-kuarkın kütlesi ise 173 GeV'dir. Yani yeni parçacığın kütlesi 125-126 GeV'dir (belirsizlik ölçüm hatasıyla ilişkilidir). Bu yeni parçacığa N adını verelim.
Elektrik yükü yoktur, kararsızdır ve farklı şekillerde bozunabilir. CERN Büyük Hadron Çarpıştırıcısında iki fotona, H → γγ ve iki elektron-pozitron ve/veya müon-antimüon çiftine, H → e + e - e + e -, H → e + e bozunmaları incelenerek keşfedildi. - μ + μ - , H → μ + μ - μ + μ-. İkinci tür süreç H → 4ℓ olarak yazılır; burada ℓ, e +, e -, μ + veya μ - parçacıklarından birini belirtir (bunlara lepton denir). Hem CMS hem de ATLAS ayrıca H → 2ℓ2ν bozunumları ile açıklanabilecek bazı fazla olay rapor etmektedir; burada ν bir nötrinodur. Ancak bu fazlalığın henüz istatistiksel açıdan yüksek bir anlamı yoktur.
Genel olarak, yeni parçacık hakkında şu anda bilinen her şey, temel parçacıklar teorisinin en basit versiyonu olan Standart Model tarafından tahmin edilen Higgs bozonu olarak yorumlanmasıyla tutarlıdır. Standart Model'i kullanarak, hem Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndaki proton-proton çarpışmalarında Higgs bozonu oluşma olasılığını hem de bozunma olasılıklarını hesaplamak ve böylece beklenen olayların sayısını tahmin etmek mümkündür. Tahminler deneylerle iyi bir şekilde doğrulandı, ancak elbette hata sınırları dahilinde. Deneysel hatalar hâlâ büyüktür ve hâlâ çok az ölçülen değer vardır. Yine de keşfedilenin Higgs bozonu veya ona çok benzeyen bir şey olduğundan şüphe etmek zordur, özellikle de bu bozunmaların çok nadir olması gerektiği düşünülürse: 1000 Higgs bozonundan 2'si iki fotona bozunur ve 10.000'de 1'i 4ℓ'ye bozunur.
Vakaların yarısından fazlasında Higgs bozonunun bir b-kuark - b-antikuark çiftine bozunması gerekir: H → bb̃. Proton-proton (ve proton-antiproton) çarpışmalarında bir bb̃ çiftinin doğuşu, herhangi bir Higgs bozonu olmasa bile çok sık görülen bir olgudur ve ondan gelen sinyali bu "gürültüden" yalıtmak henüz mümkün olmamıştır (fizikçiler arka plan diyor) ) LHC'deki deneylerde. Bu kısmen Tevatron çarpıştırıcısında başarıldı ve buradaki istatistiksel anlamlılık belirgin şekilde daha düşük olmasına rağmen, bu veriler aynı zamanda Standart Modelin tahminleriyle de tutarlıdır.
Tüm temel parçacıkların spin iç açısal momentumu vardır. Bir parçacığın spini tam sayı (sıfır dahil) veya Planck sabiti ћ cinsinden yarım tam sayı olabilir. Spini tam sayı olan parçacıklara bozon, yarım tam sayı spinli parçacıklara ise fermiyon denir. Bir elektronun spini 1/2, bir fotonun spini 1'dir. Yeni bir parçacığın bozunma ürünlerinin analizinden, onun spininin integral olduğu, yani bir bozon olduğu sonucu çıkar. Bir parçacığın H → γγ çifti fotonlara bozunmasındaki açısal momentumun korunumundan şu sonuç çıkar: her fotonun spini tam sayıdır; Son durumun (foton çifti) toplam açısal momentumu her zaman bozulmadan kalır. Bu, başlangıç durumunun da bozulmamış olduğu anlamına gelir.
Ayrıca birliğe eşit değildir: spini 1 olan bir parçacık spini 1 olan iki fotona bozunamaz. Geriye spini 0 kalır; 2 veya daha fazla. Yeni parçacığın spini henüz ölçülmemiş olsa da, spini 2 veya daha büyük bir parçacıkla karşı karşıya olmamız son derece düşük bir ihtimal. H'nin dönüşünün sıfır olduğu neredeyse kesindir ve göreceğimiz gibi, Higgs bozonunun da tam olarak böyle olması gerekir.
Yeni parçacığın bilinen özelliklerinin açıklamasına son verirken, mikro dünya fiziği standartlarına göre oldukça uzun bir süre yaşadığını söyleyelim. Deneysel verilere dayanarak, kullanım ömrüne ilişkin daha düşük bir tahmin, ТH > 10 -24 s değerini verir; bu, Standart Modelin tahminiyle çelişmez: ТH = 1,6·10 -22 s. Karşılaştırma için: Bir t-kuarkın ömrü T t = 3·10 -25 s'dir. LHC'de yeni bir parçacığın ömrünün doğrudan ölçülmesinin pek mümkün olmadığını unutmayın.
Neden başka bir bozon?
Kuantum fiziğinde, her temel parçacık belirli bir alanın kuantumu olarak hizmet eder ve bunun tersi de geçerlidir: her alanın kendi kuantum parçacığı vardır; Bunun en ünlü örneği elektromanyetik alan ve onun kuantumu olan fotondur. Bu nedenle başlıkta sorulan soruyu şu şekilde yeniden formüle etmek mümkündür:
Neden yeni bir alana ihtiyaç duyuldu ve ondan beklenen özellikler nelerdir?
Kısa cevap, mikro dünya teorisinin simetrilerinin - ister Standart Model ister daha karmaşık bir teori olsun - temel parçacıkların kütleye sahip olmasını yasakladığı ve yeni alanın bu simetrileri kırarak parçacık kütlelerinin varlığını sağladığıdır. Standart Modelde - teorinin en basit versiyonu (ama yalnızca içinde!) - yeni alanın tüm özellikleri ve buna bağlı olarak yeni bozonun kütlesi hariç, yine simetri hususlarına dayanarak açıkça tahmin edilir. . Söylediğimiz gibi, mevcut deneysel veriler teorinin en basit versiyonuyla tutarlıdır, ancak bu veriler hala oldukça azdır ve temel parçacık fiziğinin yeni sektörünün tam olarak nasıl çalıştığını anlamak için önümüzde yapılacak pek çok çalışma vardır.
En azından genel anlamda mikro dünyanın fiziğinde simetrinin rolünü ele alalım.
Simetriler, korunum yasaları ve yasaklar
Newton mekaniği, özel görelilik mekaniği, kuantum mekaniği veya mikro dünya teorisi gibi fiziksel teorilerin ortak özelliği, her simetrinin kendi korunum yasasına sahip olmasıdır. Örneğin zamandaki kaymalara göre simetri (yani fizik yasalarının zamanın her anında aynı olması) enerjinin korunumu yasasına, uzaydaki kaymalara göre simetri ise yasaya karşılık gelir. momentumun korunumu ve içindeki dönüşlere göre simetri (uzaydaki tüm yönler eşittir) — açısal momentumun korunumu yasası. Korunum yasaları aynı zamanda yasaklar olarak da yorumlanabilir: Listelenen simetriler, kapalı bir sistemin evrimi sırasında enerjisinde, momentumunda ve açısal momentumunda meydana gelen değişiklikleri yasaklar.
Ve bunun tersi de geçerlidir: Her korunum yasasının kendi simetrisi vardır; Bu ifade kuantum teorisi açısından kesinlikle doğrudur. Şu soru ortaya çıkıyor: Elektrik yükünün korunumu yasasına hangi simetri karşılık gelir? Az önce bahsettiğimiz uzay ve zaman simetrilerinin bununla hiçbir ilgisi olmadığı açıktır. Bununla birlikte, bariz uzay-zaman simetrilerine ek olarak, bariz olmayan “iç” simetriler de vardır. Bunlardan biri elektrik yükünün korunmasına yol açar. Aynı iç simetrinin (yalnızca geniş anlamda anlaşıldığında - fizikçiler "ölçü değişmezliği" terimini kullanırlar) fotonun neden kütlesi olmadığını açıklaması bizim için önemlidir. Bir fotonun kütle eksikliği, ışığın yalnızca iki tür polarizasyona (sol ve sağ) sahip olmasıyla yakından ilgilidir.
Işığın yalnızca iki tür polarizasyonunun varlığı ile fotonda kütlenin yokluğu arasındaki bağlantıyı açıklığa kavuşturmak için, simetrilerden bahsetmekten bir anlığına uzaklaşalım ve temel parçacıkların spin, yarı tam sayı veya tam sayı ile karakterize edildiğini bir kez daha hatırlayalım. Planck sabiti ћ birimleri cinsinden. Temel fermiyonların (yarım tamsayı spin parçacıkları) spini 1/2'dir. Bunlar elektron e, elektron nötrino ν e, elektronun ağır analogları - müon μ ve tau lepton τ, bunların nötrinoları ν μ ve ν τ, altı tip u, d, c, s, t, b'nin kuarkları ve bunlara karşılık gelen antipartiküllerdir. hepsi (pozitron e +, elektron antinötrino ν̃ e, antikuark ũ, vb.). U ve d kuarklar hafiftir ve protonu (kuark bileşimi uud) ve nötronu (udd) oluştururlar. Geriye kalan kuarklar (c, t, s, b) daha ağırdır; bunlar kısa ömürlü parçacıkların, örneğin K-mezonların bir parçasıdır.
Tam spin parçacıkları olan bozonlar, yalnızca fotonu değil aynı zamanda onun uzak analoglarını da içerir - gluonlar (spin 1). Gluonlar kuarklar arasındaki etkileşimlerden sorumludur ve onları proton, nötron ve diğer bileşen parçacıklara bağlar. Ek olarak, aşağıda tartışılacak olan elektrik yüklü W +, W - bozonları ve nötr bir Z-bozonu olmak üzere üç spin-1 parçacığı daha vardır. Higgs bozonunun daha önce de belirtildiği gibi sıfır dönüşe sahip olması gerekir. Şimdi Standart Modelde bulunan tüm temel parçacıkları listeledik.
Devasa bir spin s parçacığı (ћ birimlerinde), belirli bir eksen üzerinde farklı spin projeksiyonları olan 2s + 1 duruma sahiptir (spin iç açısal momentumdur - bir vektördür, dolayısıyla belirli bir eksene projeksiyonu kavramı olağan anlama sahiptir) . Örneğin, bir elektronun (s = 1/2) dinlenme çerçevesindeki dönüşü, örneğin yukarı (s 3 = +1/2) veya aşağı (s 3 = -1/2) yönlendirilebilir. Z bozonunun kütlesi sıfırdan farklıdır ve s = 1 dönüşü vardır, dolayısıyla farklı dönüş projeksiyonlarına sahip üç durumu vardır: s 3 = +1, 0 veya -1. Kütlesiz parçacıklarda durum tamamen farklıdır. Işık hızında uçtuklarından böyle bir parçacığın hareketsiz olduğu referans sistemine gitmesi imkansızdır. Yine de sarmallığından, yani dönüşün hareket yönüne yansıtılmasından bahsedebiliriz. Yani, fotonun dönüşü birliğe eşit olsa da, hareket yönünde ve ona karşı bu tür yalnızca iki projeksiyon vardır. Bunlar ışığın (fotonların) sağ ve sol polarizasyonlarıdır. Fotonun kütlesi olsaydı var olması gereken sıfır dönüş projeksiyonlu üçüncü durum, elektrodinamiğin derin iç simetrisi, yani elektrik yükünün korunumuna yol açan simetri tarafından engellenir. Dolayısıyla bu iç simetri, fotonda kütlenin varlığını yasaklamaktadır!
Yanlış bir şey mi var
Ancak bizi ilgilendiren fotonlar değil, W ± - ve Z bozonlarıdır. 1983 yılında CERN'deki Spp̃S proton-antiproton çarpıştırıcısında keşfedilen ve teorisyenler tarafından çok önceden tahmin edilen bu parçacıklar oldukça büyük bir kütleye sahiptir: W± bozonunun kütlesi 80 GeV'dir (bir protondan yaklaşık 80 kat daha ağırdır) ve Z bozonunun kütlesi 91 GeV'dir. W ± - ve Z bozonlarının özellikleri, esas olarak elektron-pozitron çarpıştırıcıları LEP (CERN) ve SLC (SLAC, ABD) ve proton-antiproton çarpıştırıcısı Tevatron'da (Fermilab, ABD) yapılan deneyler sayesinde iyi bilinmektedir: W ± - ve Z bozonlarıyla ilgili bir dizi miktarın ölçümü, % 0,1'den daha iyi. Özellikleri ve diğer parçacıklar da Standart Model tarafından mükemmel bir şekilde tanımlanmaktadır. Bu aynı zamanda W ± - ve Z bozonlarının elektronlar, nötrinolar, kuarklar ve diğer parçacıklarla etkileşimleri için de geçerlidir. Bu arada, bu tür etkileşimlere zayıf denir. Ayrıntılı olarak incelenmiştir; Bunların tezahürlerinin uzun zamandır bilinen örneklerinden biri müon, nötron ve çekirdeklerin beta bozunmalarıdır.
Daha önce de belirtildiği gibi, W ± - ve Z bozonlarının her biri, bir foton gibi iki spin durumunda değil, üç spin durumunda olabilir. Ancak fermiyonlarla (nötrinolar, kuarklar, elektronlar vb.) prensipte fotonlarla aynı şekilde etkileşime girerler. Örneğin bir foton, bir elektronun elektrik yüküyle ve hareket eden elektronun yarattığı elektrik akımıyla etkileşime girer. Aynı şekilde, Z-bosonu da elektron hareket ettiğinde ortaya çıkan belirli bir elektron yükü ve akımı ile etkileşime girer, yalnızca bu yük ve akım doğası gereği elektriksel değildir. Birazdan tartışacağımız önemli bir özelliğe kadar, elektrik yüküne ek olarak elektrona bir Z yükü de atanırsa benzetme tamamlanacaktır. Hem kuarkların hem de nötrinoların kendi Z yükleri vardır.
Elektrodinamikle olan benzerlik daha da ileri gidiyor. Foton teorisi gibi, W ± ve Z bozonlarının teorisi de elektrik yükünün korunumu yasasına yol açan derin iç simetriye sahiptir. Fotonla tam bir benzerlik içinde, W ± - ve Z bozonlarının üçüncü bir polarizasyona ve dolayısıyla kütleye sahip olmasını yasaklar. Tutarsızlığın ortaya çıktığı yer burasıdır: Spin-1 parçacığının kütlesi üzerindeki simetri yasağı bir foton için işe yarar, ancak W ± - ve Z bozonları için işe yaramaz!
Üstelik. Elektronların, nötrinoların, kuarkların ve diğer parçacıkların W ± - ve Z bozonları ile zayıf etkileşimleri, sanki bu fermiyonların kütlesi yokmuş gibi meydana gelir! Polarizasyon sayısının bununla hiçbir ilgisi yoktur: hem masif hem de kütlesiz fermiyonların iki polarizasyonu (spin yönleri) vardır. Önemli olan fermiyonların W± ve Z bozonlarıyla tam olarak nasıl etkileştiğidir.
Sorunun özünü açıklamak için önce elektronun kütlesini kapatalım (teoride buna izin verilir) ve elektronun kütlesinin sıfır olduğu hayali bir dünyayı düşünelim. Böyle bir dünyada elektron ışık hızında uçar ve hareket yönünde veya hareket yönüne karşı bir dönüşe sahip olabilir. Fotona gelince, ilk durumda sağ polarizasyona sahip bir elektrondan veya kısacası sağ elini kullanan bir elektrondan, ikinci durumda ise solak olandan bahsetmek mantıklıdır.
Elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerin nasıl çalıştığını (ve bunlara yalnızca elektronun katıldığını) iyi bildiğimiz için, hayali dünyamızda elektronun özelliklerini tanımlama konusunda oldukça yetenekliyiz. Ve onlar da böyledir.
Birincisi, bu dünyada sağ ve sol elektronlar tamamen farklı iki parçacıktır: Sağdaki elektron asla soldaki elektrona dönüşmez ve bunun tersi de geçerlidir. Bu, açısal momentumun korunumu yasası (bu durumda spin) tarafından yasaklanmıştır ve bir elektronun bir foton ve bir Z-boson ile etkileşimi onun polarizasyonunu değiştirmez. İkincisi, yalnızca sol elektron, elektronun W bozonu ile etkileşimini yaşar ve sağdaki buna hiç katılmaz. Bu resimde daha önce bahsettiğimiz üçüncü önemli özellik, sol ve sağ elektronların Z yüklerinin farklı olması ve sol elektronun Z bozonu ile sağdakine göre daha güçlü etkileşime girmesidir. Müon, tau lepton ve kuarklar benzer özelliklere sahiptir.
Kütlesiz fermiyonların olduğu hayali bir dünyada, sol ve sağ elektronların W ve Z bozonlarıyla farklı etkileşime girmesinde ve özellikle "sol" ve "sağ" Z yüklerinin farklı olmasında herhangi bir sorun olmadığını vurguluyoruz. . Bu dünyada sol ve sağ elektronlar farklı parçacıklardır ve bu da işin sonudur: Örneğin bir elektron ve bir nötrinonun farklı elektrik yüklerine sahip olması bizi şaşırtmaz: -1 ve 0.
Elektronun kütlesini dahil ettiğimizde hemen bir çelişkiye varırız. Hızı ışık hızına yakın olan ve dönüşü hareket yönüne ters olan hızlı bir elektron, hayali dünyamızdaki sol elektronla hemen hemen aynı görünür. Ve neredeyse aynı şekilde etkileşime girmelidir. Eğer etkileşimi Z yüküyle ilişkiliyse, o zaman Z yükünün değeri "sol elli" olur, hayali dünyadaki solak elektronunkiyle aynı. Ancak büyük kütleli bir elektronun hızı yine de ışık hızından düşüktür ve her zaman daha hızlı hareket eden bir referans sistemine geçebilirsiniz. Yeni sistemde elektronun hareket yönü tersine çevrilecek ancak dönüş yönü aynı kalacak.
Dönmenin hareket yönüne yansıması artık pozitif olacaktır ve böyle bir elektron solak değil, sağ elini kullanan bir elektron gibi görünecektir. Buna göre Z yükü, hayali dünyadaki sağ elini kullanan elektronun Z yüküyle aynı olmalıdır. Ancak bu olamaz: Ücretin değeri referans sistemine bağlı olmamalıdır. Bir çelişki var. Bu sonuca Z yükünün korunduğunu varsayarak ulaştığımızı vurgulayalım; Belirli bir parçacık için önemi hakkında konuşmanın başka yolu yoktur.
Bu çelişki, Standart Modelin simetrilerinin (kesinlik sağlamak için bundan bahsedeceğiz, ancak söylenen her şey teorinin diğer versiyonları için de geçerli olsa da) yalnızca W ± - ve Z bozonlarında değil, aynı zamanda kütlelerin varlığını da yasaklaması gerektiğini göstermektedir. aynı zamanda fermiyonlarda da bulunur. Peki simetrinin bununla ne ilgisi var?
Z yükünün korunmasına yol açmaları gerektiği gerçeğine rağmen. Bir elektronun Z yükünü ölçerek, elektronun solak mı yoksa sağlak mı olduğunu kesinlikle söyleyebiliriz. Ve bu ancak elektronun kütlesi sıfır olduğunda mümkündür.
Böylece, Standart Model'in tüm simetrilerinin elektrodinamikte olduğu gibi gerçekleştiği bir dünyada, tüm temel parçacıkların kütlesi sıfır olacaktır. Ancak gerçek dünyada kütleleri var, bu da Standart Modelin simetrilerinde bir şeyler olması gerektiği anlamına geliyor.
Simetri kırılması
Simetrinin korunum yasaları ve yasaklarla bağlantısından bahsederken bir durumu gözden kaçırdık. Korunum yasalarının ve simetri yasaklarının ancak simetri açıkça mevcut olduğunda karşılandığı gerçeğinde yatmaktadır. Ancak simetriler de bozulabilir. Örneğin, oda sıcaklığındaki homojen bir demir numunesinde, bir yöne yönlendirilmiş bir manyetik alan olabilir; numune o zaman bir mıknatıstır. Eğer içinde mikroskobik canlılar yaşıyor olsaydı, uzayın her yönünün eşit olmadığını keşfederlerdi. Manyetik alan boyunca uçan bir elektron, manyetik alandan kaynaklanan Lorentz kuvvetinden etkilenir, ancak onun boyunca uçan bir elektron, kuvvetten etkilenmez. Bir elektron, manyetik alan boyunca düz bir çizgide, alan boyunca bir daire içinde ve genel durumda bir spiral içinde hareket eder. Bu nedenle numunenin içindeki manyetik alan, uzaydaki dönüşlere göre simetriyi bozar. Bu bağlamda, mıknatısın içinde açısal momentumun korunumu yasası karşılanmamaktadır: Bir elektron spiral şeklinde hareket ettiğinde, açısal momentumun manyetik alana dik eksen üzerindeki izdüşümü zamanla değişir.
Burada kendiliğinden simetri kırılmasıyla uğraşıyoruz. Dış etkilerin yokluğunda (örneğin Dünyanın manyetik alanı), farklı demir numunelerinde manyetik alan farklı yönlere yönlendirilebilir ve bu yönlerden hiçbiri diğerine tercih edilmez. Dönmeye göre orijinal simetri hala mevcuttur ve numunedeki manyetik alanın herhangi bir yere yönlendirilebilmesiyle kendini gösterir. Ancak manyetik alan ortaya çıkınca tercih edilen bir yön de ortaya çıktı ve mıknatısın içindeki simetri bozuldu. Daha resmi bir düzeyde, demir atomlarının birbirleriyle ve manyetik alanla etkileşimini yöneten denklemler uzaydaki dönüşlere göre simetriktir, ancak bu atomlardan oluşan sistemin durumu (demir örneği) asimetriktir. Bu kendiliğinden simetri kırılması olgusudur. Burada en avantajlı, en az enerjiye sahip durumdan bahsettiğimizi unutmayın; Bu duruma temel denir. Başlangıçta mıknatıslanmamış olsa bile, demir numunesinin eninde sonunda varacağı yer burasıdır.
Dolayısıyla, teorinin denklemleri simetrik olduğunda ancak temel durum simetrik olmadığında bazı simetrilerin kendiliğinden kırılması meydana gelir. Bu durumda "kendiliğinden" kelimesi, sistemin kendisinin bizim katılımımız olmadan asimetrik bir durumu seçmesi nedeniyle kullanılmaktadır, çünkü enerjik olarak en uygun durum bu durumdur. Yukarıdaki örnekten, eğer simetri kendiliğinden bozulursa, bundan kaynaklanan korunum yasalarının ve yasaklarının işe yaramayacağı açıktır; örneğimizde bu, açısal momentumun korunumu anlamına gelir. Teorinin tam simetrisinin ancak kısmen bozulabileceğini vurgulayalım: Örneğimizde, uzaydaki tüm dönüşlere göre tam simetri dışında, manyetik alanın yönü etrafındaki dönüşlere göre simetri açık ve kesintisiz kalır.
Bir mıknatısın içinde yaşayan mikroskobik canlılar kendilerine şu soruyu sorabilirler: "Bizim dünyamızda bütün yönler eşit değildir, açısal momentum korunmaz ama uzay gerçekten de dönme açısından asimetrik midir?" Elektronların hareketini inceledikten ve ilgili teoriyi (bu durumda elektrodinamik) oluşturduktan sonra, bu sorunun cevabının olumsuz olduğunu anlayacaklardı: denklemleri simetriktir, ancak bu simetri, manyetik alanın "yayılması" nedeniyle kendiliğinden bozulur. her yer. Teoriyi daha da geliştirerek, simetrinin kendiliğinden bozulmasından sorumlu olan alanın kendi kuantasına, yani fotonlara sahip olması gerektiğini öngöreceklerdi. Ve bir mıknatısın içine küçük bir hızlandırıcı inşa ederek, bu kuantumların gerçekten var olduğunu görmekten mutlu oluruz; elektronların çarpışmasıyla doğarlar!
Genel anlamda parçacık fiziğindeki durum anlatılana benzer. Ancak önemli farklılıklar da var. Öncelikle demir atomlarından oluşan kristal kafes gibi bir ortamdan bahsetmeye gerek yok. Doğada en düşük enerjiye sahip durum boşluktur (tanımı gereği!). Bu, bir boşlukta (doğanın temel durumu) örneğimizdeki manyetik alana benzer şekilde düzgün bir şekilde "yayılmış" alanların bulunamayacağı anlamına gelmez. Tam tersine bahsettiğimiz tutarsızlıklar, Standart Model'in simetrilerinin (daha doğrusu bir kısmının) kendiliğinden kırılması gerektiğini gösteriyor ve bu da boşlukta bu ihlali sağlayan bir tür alanın var olduğunu varsayıyor. İkincisi, örneğimizdeki gibi uzay-zaman simetrilerinden değil, iç simetrilerden bahsediyoruz. Uzay-zaman simetrileri ise tam tersine boşlukta bir alanın varlığı nedeniyle bozulmamalıdır. Bundan önemli bir sonuç çıkar: Manyetik alandan farklı olarak, bu alan uzayda (daha kesin olarak uzay-zamanda, çünkü göreceli fizikle uğraştığımız için) herhangi bir yönü vurgulamamalıdır. Bu özelliğe sahip alanlara skaler denir; 0 spinli parçacıklara karşılık gelirler. Dolayısıyla boşlukta "yayılan" ve simetri kırılmasına yol açan alanın şimdiye kadar bilinmemesi ve yeni olması gerekir. Aslında yukarıda açıkça veya dolaylı olarak bahsettiğimiz bilinen alanlar (elektromanyetik alan, W±- ve Z-bozon alanları, gluonlar) spin 1 parçacıklarına karşılık gelir. Bu tür alanlar, uzay-zamandaki yönleri vurgular ve vektör olarak adlandırılır, ve bir alan skalerine ihtiyacımız var. Fermiyonlara (spin 1/2) karşılık gelen alanlar da uygun değildir. Üçüncüsü, yeni alan Standart Modelin simetrilerini tamamen kırmamalı; elektrodinamiğin iç simetrisi bozulmadan kalmalıdır. Son olarak ve bu en önemli şey, vakumda "yayılan" yeni alanın W ± - ve Z bozonları, elektronlar ve diğer fermiyonlar ile etkileşimi, bu parçacıklarda kütlelerin ortaya çıkmasına yol açmalıdır.
Kendiliğinden simetri kırılması nedeniyle spin-1 parçacıklarının (doğada bunlar W ± - ve Z bozonlarıdır) kütlelerinin oluşma mekanizması, temel parçacık fiziği bağlamında Brüksel teorisyenleri Francois Englert ve Robert Brout tarafından 1964'te önerildi ve biraz sonra Edinburglu fizikçi Peter Higgs tarafından.
Araştırmacılar, 1960-1961'de J. Jona ile birlikte J. Nambu'nun çalışmalarında tanıtılan kendiliğinden simetri kırılması fikrine (ancak vektör alanları olmayan, yani spin 1 parçacıkları olmayan teorilerde) dayandılar. -Lasinio, V. G. Vaks ve A. I. Larkin, J. Goldstone (Yoichiro Nambu, bu çalışmasıyla 2008'de Nobel Ödülü'nü aldı). Önceki yazarlardan farklı olarak Engler, Brout ve Higgs, hem skaleri (spin 0) hem de vektör alanını (spin 1) içeren (o zamanlar spekülatif) bir teoriyi değerlendirdiler. Bu teori, elektrodinamiğin simetrisine oldukça benzeyen, elektrik yükünün korunmasına ve foton kütlesinin yasaklanmasına yol açan bir iç simetriye sahiptir. Ancak elektrodinamikten farklı olarak iç simetri, boşlukta bulunan tekdüze bir skaler alan tarafından kendiliğinden bozulur. Engler, Brout ve Higgs'in dikkate değer bir sonucu, bu simetri ihlalinin otomatik olarak spin 1 parçacığında kütlenin - vektör alanının bir kuantumu - ortaya çıkmasını gerektirdiği gerçeğinin gösterilmesiydi!
Engler-Brout-Higgs mekanizmasının, fermiyon teorisine dahil edilmesi ve bunların simetriyi bozan bir skaler alanla etkileşimi ile ilişkili oldukça basit bir genellemesi, fermiyonlarda kütlenin ortaya çıkmasına yol açar. Her şey yerine oturmaya başlıyor! Standart Model daha ileri bir genelleme olarak elde edilmiştir. Artık bir değil, birkaç vektör alanı - fotonlar, W ± - ve Z bozonları (gluonlar ayrı bir hikayedir, Engler-Brout-Higgs mekanizmasıyla hiçbir ilgileri yoktur) ve farklı türde fermiyonlar içerir. Son adım aslında pek de önemsiz değil; Steven Weinberg, Sheldon Glashow ve Abdus Salam, zayıf ve elektromanyetik etkileşimlere ilişkin eksiksiz bir teori formüle ettikleri için 1979'da Nobel Ödülü'nü aldılar.
1964'e geri dönelim. Engler ve Brout, teorilerini analiz etmek için günümüz standartlarına göre oldukça ayrıntılı bir yaklaşım kullandılar. Muhtemelen bu nedenle, teorinin, devasa spin-1 parçacığının yanı sıra başka bir parçacığın (0 spinli bir bozonun) varlığını öngördüğünü fark etmemişlerdir. Ancak Higgs fark etti ve şimdi bu yeni spinsiz parçacığa genellikle Higgs bozonu adı veriliyor. . Daha önce de belirtildiği gibi, bu terminoloji tamamen doğru değildir: Kendiliğinden simetri kırılması ve spin-1 parçacıklarının kütlelerinin üretilmesi için bir skaler alan kullanılmasını ilk önerenler Engler ve Brout'tur. Daha fazla terminolojiye girmeden, sıfır dönüşlü yeni bozonun, simetriyi bozan skaler alanın bir kuantumu olarak hizmet ettiğini vurguluyoruz. Ve bu onun benzersizliğidir.
Burada bir açıklama yapmak gerekiyor. Kendiliğinden simetri kırılması olmasaydı W± ve Z bozonlarının kütlesiz olacağını tekrarlayalım. W+, W-, Z bozonlarının her biri, bir foton gibi iki polarizasyona sahip olacaktır. Toplamda, farklı polarizasyonlara sahip parçacıkların eşit olmadığı göz önüne alındığında, 2 × 3 = 6 tür W ± - ve Z bozonumuz olur. Standart Modelde, W ± ve Z bozonları masiftir, her biri üç dönüş durumuna, yani toplam 3 × 3 = 9 parçacık türü için üç polarizasyona sahiptir - W ±, Z alanlarının kuantumu. Şu soru ortaya çıkıyor: Üç "ekstra" tür nereden geldi? Gerçek şu ki, Standart Modelin bir değil dört Engler-Brout-Higgs skaler alanına sahip olması gerekiyor. Bunlardan birinin kuantumu Higgs bozonudur. Ve diğer üçünün kuantaları, kendiliğinden simetri kırılmasının bir sonucu olarak, büyük W ± - ve Z bozonlarında bulunan üç "ekstra" kuantuma dönüşür. W ± - ve Z bozonlarının kütleye sahip olduğu bilindiğinden, bunlar uzun zaman önce bulundu: W + -, W - ve Z bozonlarının üç "ekstra" dönüş durumu, oldukları gibidir.
Bu arada, bu aritmetik, dört Engler-Brout-Higgs alanının tamamının skaler olması ve kuantumlarının sıfır spinli olması gerçeğiyle tutarlıdır. Kütlesiz W ± - ve Z bozonları, hareket yönünde -1 ve +1'e eşit dönüş projeksiyonlarına sahip olacaktır. Büyük W ± - ve Z bozonları için bu projeksiyonlar -1, 0 ve +1 değerlerini alır, yani "ekstra" kuantumun projeksiyonu sıfırdır. Bu "ekstra" kuantumların elde edildiği üç Engler-Brout-Higgs alanı da sırf dönüş vektörleri sıfır olduğundan hareket yönü üzerinde sıfır dönüş projeksiyonuna sahiptir. Her şey birbirine uyuyor.
Yani Higgs bozonu, Standart Modeldeki dört Engler-Brout-Higgs skaler alanından birinin kuantumudur. Diğer üçü (bilimsel terim!) W ± - ve Z bozonları tarafından yenilir ve üçüncü eksik dönüş durumlarına dönüşürler.
Yeni bir bozon gerçekten gerekli mi?
Bu hikayedeki en şaşırtıcı şey, bugün anladığımızdır: Engler-Brout-Higgs mekanizması, mikro dünyanın fiziğindeki simetriyi kırmak ve temel parçacık kütleleri oluşturmak için mümkün olan tek mekanizma değildir ve Higgs bozonu da olmayabilir. var olmak. Örneğin, yoğun madde fiziğinde (sıvılar, katılar) kendiliğinden simetri kırılmasının birçok örneği ve bu kırılmayı sağlayan çeşitli mekanizmalar vardır. Ve çoğu durumda Higgs bozonuna benzeyen hiçbir şey yoktur.
Standart Modelin vakumda kendiliğinden simetri kırılmasının en yakın katı hal analoğu, bir süper iletkenin kalınlığında elektrodinamiğin iç simetrisinin kendiliğinden kırılmasıdır. Bu, bir süper iletkende bir fotonun belirli bir anlamda kütleye sahip olduğu gerçeğine yol açmaktadır (vakumdaki W ± - ve Z bozonları gibi). Bu, Meissner etkisinde (bir süperiletkenden manyetik alanın çıkarılması) kendini gösterir. Foton, süperiletkenin içine nüfuz etmeyi "istemez", burada kütlesel hale gelir: orada olması onun için "zordur", orada olması enerji açısından elverişsizdir (hatırlayın: E = mс 2). Geleneksel olarak bir dizi foton olarak kabul edilebilecek manyetik alan da aynı özelliğe sahiptir: süper iletkene nüfuz etmez. Bu Meissner etkisidir.
Etkili Ginzburg-Landau süperiletkenlik teorisi, Engler-Brout-Higgs teorisine son derece benzer (daha doğrusu tam tersi: Ginzburg-Landau teorisi 14 yıl daha eskidir). Aynı zamanda süperiletken boyunca eşit şekilde "yayılan" ve kendiliğinden simetri bozulmasına yol açan bir skaler alan içerir. Bununla birlikte, Ginzburg-Landau teorisinin etkili olarak adlandırılması boşuna değildir: mecazi olarak konuşursak, olgunun dış tarafını yakalar, ancak süperiletkenliğin ortaya çıkmasının temel, mikroskobik nedenlerini anlamak için tamamen yetersizdir. Aslında, bir süperiletkende skaler alan yoktur; elektronlar ve bir kristal kafes içerir ve süperiletkenlik, aralarındaki etkileşim nedeniyle ortaya çıkan elektron sisteminin temel durumunun özel özelliklerinden kaynaklanmaktadır (bkz. ” No. 2, 2004, makale “ ". - Ed.).
Benzer bir tablo mikrokozmosta da yaşanabilir mi? Boşlukta "yayılmış" bir temel skaler alanın olmadığı ve kendiliğinden simetri kırılmasının tamamen farklı nedenlerden kaynaklandığı ortaya çıkacak mı? Tamamen teorik olarak akıl yürütürsek ve deneysel gerçeklere dikkat etmezsek bu sorunun cevabı olumlu olacaktır. Bunun iyi bir örneği, daha önce adı geçen Steven Weinberg ve bağımsız olarak Leonard Susskind tarafından 1979'da önerilen technicolor modelidir.
Ne temel skaler alanları ne de Higgs bozonunu içeriyor; bunun yerine özellikleri bakımından kuarklara benzeyen birçok yeni temel parçacık var. Aralarındaki etkileşim, simetrinin kendiliğinden bozulmasına ve W ± - ve Z bozonlarının kütlelerinin oluşmasına yol açar. Bilinen fermiyonların (örneğin elektronun) kütleleri söz konusu olduğunda durum daha kötüdür, ancak bu sorun teoriyi karmaşıklaştırarak da çözülebilir.
Dikkatli bir okuyucu şu soruyu sorabilir: "Simetriyi bozanın skaler alan olduğunu söyleyen önceki bölümdeki argümanlara ne dersiniz?" Buradaki boşluk, bu skaler alanın, karşılık gelen kuantum parçacıklarının temel olmayıp diğer "gerçek" temel parçacıklardan oluşması anlamında bileşik olabilmesidir.
Bu bağlamda kuantum-mekanik Heisenberg belirsizlik ilişkisi Δх ×Δр ≥ ћ'yi hatırlayalım; burada Δх ve Δр sırasıyla koordinat ve momentum belirsizlikleridir. Bunun tezahürlerinden biri, karakteristik iç boyutu Δх olan kompozit nesnelerin yapısının yalnızca yeterince yüksek momentuma р ≥ћ/Δх ve dolayısıyla yeterince yüksek enerjilere sahip parçacıkları içeren süreçlerde ortaya çıkmasıdır. Burada o dönemde atomları yüksek enerjili elektronlarla bombalayan ve böylece atomların çekirdek ve elektronlardan oluştuğunu bulan Rutherford'u hatırlamakta fayda var. Atomlara mikroskopla bakıldığında, en gelişmiş optiklerle (yani hafif - düşük enerjili fotonlar kullanılarak) bile, atomların bileşik olduğunu ve temel nokta parçacıkları olmadığını keşfetmek imkansızdır: yeterli çözünürlük yoktur.
Yani düşük enerjilerde bileşik parçacık temel parçacık gibi görünür. Düşük enerjilerdeki bu tür parçacıkları etkili bir şekilde tanımlamak için, bunların bir alanın kuantumu olduğu düşünülebilir. Bileşik parçacığın spini sıfır ise bu alan skalerdir.
Benzer bir durum, örneğin π-mezonların fiziğinde, yani spini 0 olan parçacıklarda da görülür. 1960'ların ortalarına kadar bunların kuarklardan ve antikuarklardan (π + -, π - kuark bileşimi) oluştuğu bilinmiyordu. - ve π 0 -mezonlar - bunlar sırasıyla ud̃, dũ ve uũ ve dd̃'nin bir kombinasyonudur).
Daha sonra π-mezonlar temel skaler alanlarla tanımlandı. Artık bu parçacıkların kompozit olduğunu biliyoruz, ancak π mezonların "eski" alan teorisi geçerliliğini koruyor çünkü düşük enerjilerdeki süreçler dikkate alınıyor. Sadece 1 GeV ve daha yüksek enerjilerde kuark yapıları ortaya çıkmaya başlar ve teori işlemeyi bırakır. 1 GeV'lik enerji ölçeği burada tesadüfen ortaya çıkmadı: bu, kuarkları π-mezonlara, protonlara, nötronlara vb. bağlayan güçlü etkileşimlerin ölçeğidir; bu, güçlü bir şekilde etkileşen parçacıkların kütlelerinin ölçeğidir, örneğin proton. π-mezonların ayrı durduğuna dikkat edin: burada bahsetmeyeceğimiz bir nedenden dolayı, çok daha küçük kütlelere sahiptirler: m π± = 140 MeV, m π0 = 135 MeV.
Dolayısıyla kendiliğinden simetri kırılmasından sorumlu olan skaler alanlar prensipte bileşik olabilir. Technicolor modelinin önerdiği durum tam olarak budur. Bu durumda, W ± - ve Z bozonları tarafından yenen ve onların eksik dönüş durumları haline gelen üç spinsiz kuantum, π + -, π - - ve π 0 -mezonlarla yakın bir analojiye sahiptir. Yalnızca karşılık gelen enerji ölçeği artık 1 GeV değil, birkaç TeV'dir. Böyle bir resimde, birçok yeni kurucu parçacığın (proton, nötron vb. analogları) varlığı bekleniyor. - birkaç TeV mertebesinde kütlelerle. Aksine nispeten hafif Higgs bozonu yoktur. Modelin bir diğer özelliği de içindeki W± ve Z bozonlarının kısmen bileşik parçacıklar olmasıdır, çünkü dediğimiz gibi bunların bazı bileşenleri π mezonlara benzemektedir. Bu, W± ve Z bozonlarının etkileşimlerinde kendini göstermelidir.
Technicolor modelinin (en azından orijinal formülasyonunda) yeni bozonun keşfinden çok önce reddedilmesine yol açan ikinci durumdu: LEP ve SLC'deki W± ve Z bozonlarının özelliklerinin kesin ölçümleri, bu modelle aynı fikirde değildir. modelin tahminleri.
Bu güzel teori, inatçı deneysel gerçekler tarafından ezildi ve Higgs bozonunun keşfi buna son verdi. Bununla birlikte, diğer bazı teorisyenler gibi benim için de bileşik skaler alanlar fikri, temel skaler alanlara sahip Engler-Brout-Higgs teorisinden daha çekici. Elbette CERN'de yeni bir bozonun keşfinden sonra bileşiklik fikri kendisini eskisinden daha da zor bir durumda buldu: Eğer bu parçacık bileşik ise, temel Higgs bozonunu oldukça başarılı bir şekilde taklit etmelidir. Yine de LHC'deki hangi deneylerin, her şeyden önce yeni bozonun özelliklerinin daha doğru ölçümlerini göstereceğini bekleyip görelim.
Keşif yapıldı. Sıradaki ne?
Çalışan bir hipotez olarak teorinin minimal versiyonuna, bir temel Higgs bozonunun yer aldığı Standart Modele dönelim. Bu teoride tüm temel parçacıkların kütlelerini veren Engler-Brout-Higgs alanı (daha doğrusu alanlar) olduğundan, bu parçacıkların her birinin Higgs bozonu ile etkileşimi kesinlikle sabittir. Parçacığın kütlesi ne kadar büyük olursa etkileşim o kadar güçlü olur; Etkileşim ne kadar güçlü olursa, Higgs bozonunun belirli bir türdeki parçacık çiftine bozunma olasılığı da o kadar artar. Higgs bozonunun tt̃, ZZ ve W+W- gerçek parçacık çiftlerine bozunması enerjinin korunumu yasası tarafından yasaklanmıştır. Bozunma ürünlerinin kütlelerinin toplamının bozunan parçacığın kütlesinden daha az olmasını gerektirir (yine E = mc 2'yi hatırlayın) ve bizim için hatırlayın, m n ≈ 125 GeV, m t = 173 GeV, m z = 91 GeV ve mw = 80 GeV. Bir sonraki en büyük kütle m b = 4 GeV olan b kuarkıdır ve bu nedenle, söylediğimiz gibi, Higgs bozonu en kolay şekilde bir bb̃ çiftine bozunur. Ayrıca ilginç olan, Higgs bozonunun oldukça ağır bir çift τ-lepton H → τ + τ - (m τ = 1,8 GeV) çiftine bozunmasıdır; bu,% 6 olasılıkla meydana gelir. H → μ + μ - (m µ = 106 MeV) bozunumu, %0,02'lik daha da küçük ancak yine de kaybolmayan bir olasılıkla meydana gelmelidir. Yukarıda tartışılan bozunmalara ek olarak H → γγ; H → 4ℓ ve H → 2ℓ2ν, olasılığı %0,15 olması gereken H → Zγ bozunumunu not ediyoruz. Tüm bu olasılıklar LHC'de ölçülebilir olacak ve bu tahminlerden herhangi bir sapma, çalışma hipotezimiz olan Standart Model'in yanlış olduğu anlamına gelecektir. Tersine, Standart Model'in tahminlerine uymak bizi onun geçerliliği konusunda giderek daha fazla ikna edecektir.
Aynı şey, proton çarpışmalarında Higgs bozonunun oluşması için de söylenebilir. Higgs bozonu, iki gluonun, bir çift yüksek enerjili ışık kuarkıyla, tek bir W veya Z bozonuyla veya son olarak bir tt̃ çiftiyle birlikte etkileşiminden tek başına üretilebilir. Higgs bozonu ile birlikte üretilen parçacıklar tespit edilip tanımlanabiliyor, böylece LHC'de farklı üretim mekanizmaları ayrı ayrı çalışılabiliyor. Böylece Higgs bozonunun W±-, Z-bozonları ve t-kuark ile etkileşimi hakkında bilgi elde etmek mümkündür.
Son olarak Higgs bozonunun önemli bir özelliği de kendisiyle etkileşimidir. N*'nin sanal bir parçacık olduğu Н* → НН sürecinde kendini göstermelidir. Bu etkileşimin özellikleri de Standart Model tarafından açıkça öngörülmektedir. Ancak bunun araştırılması uzak bir gelecek meselesidir.
Dolayısıyla LHC'nin yeni bozonun etkileşimlerini incelemek için kapsamlı bir programı var. Uygulanmasının bir sonucu olarak, Standart Modelin doğayı mı tanımladığı yoksa daha karmaşık (ve muhtemelen daha basit) başka bir teoriyle mi uğraştığımız az çok netleşecektir. Daha fazla ilerleme, ölçüm doğruluğunda önemli bir artışla ilişkilidir; bu tür makineler için rekor enerjiye sahip yeni bir elektron-pozitron hızlandırıcısının (e+e) çarpıştırıcısının yapımını gerektirecek. Bu yolda bizi pek çok sürpriz bekliyor olabilir.
Sonuç yerine: “yeni fizik” arayışında
“Teknik” açıdan bakıldığında Standart Model kendi içinde tutarlıdır. Yani, kendi çerçevesinde - en azından prensipte ve kural olarak pratikte - herhangi bir fiziksel miktarı hesaplamak mümkündür (tabii ki, tanımlamayı amaçladığı olayla ilgili) ve sonuç şunları içermeyecektir: belirsizlikler. Bununla birlikte, hepsi olmasa da pek çok teorisyen, Standart Model'deki gidişatın, en hafif deyimle, tamamen tatmin edici olmadığını düşünüyor. Ve bu öncelikle enerji ölçeğinden kaynaklanmaktadır.
Daha önce de belirtildiği gibi, Standart Modelin enerji ölçeği M cm = 100 GeV düzeyindedir (burada 1 GeV ölçeğindeki güçlü etkileşimlerden bahsetmiyoruz, onunla her şey daha basittir). Bu, W± ve Z bozonları ile Higgs bozonunun kütle ölçeğidir. Çok mu yoksa az mı? Deneysel bir bakış açısından - hemen hemen, ama teorik bir bakış açısından...
Fizikte başka bir enerji ölçeği daha var. Yerçekimi ile ilişkilidir ve Planck kütlesi M pl = 10 · 19 GeV'ye eşittir. Düşük enerjilerde, parçacıklar arasındaki yerçekimsel etkileşimler ihmal edilebilir düzeydedir, ancak artan enerjiyle birlikte artarlar ve M pl mertebesindeki enerjilerde yerçekimi güçlü hale gelir. M pl'nin üzerindeki enerjiler, her ne ise, kuantum çekim bölgesidir. Yerçekiminin belki de en temel etkileşim olması ve yerçekimi ölçeği M pl'nin en temel enerji ölçeği olması bizim için önemlidir. O halde Standart Model ölçeği Mcm = 100 GeV, Mpl = 1019 GeV'den neden bu kadar uzakta?
Tanımlanan sorunun daha incelikli başka bir yönü daha var. Fiziksel vakumun özellikleriyle ilişkilidir. Kuantum teorisinde, doğanın temel durumu olan boşluk, çok basit olmayan bir şekilde yapılandırılmıştır. İçinde sürekli olarak sanal parçacıklar yaratılıyor ve yok ediliyor; başka bir deyişle alan dalgalanmaları oluşur ve kaybolur. Bu süreçleri doğrudan gözlemleyemeyiz ancak bunlar temel parçacıkların, atomların vb. gözlemlenebilir özelliklerini etkiler. Örneğin, bir atomdaki bir elektronun sanal elektronlar ve fotonlarla etkileşimi, atom spektrumunda gözlemlenen bir olguya yol açar: Lamb kayması. Başka bir örnek: Bir elektronun veya müonun manyetik momentinin (anormal manyetik moment) düzeltilmesi de sanal parçacıklarla etkileşimden kaynaklanmaktadır. Bu ve benzeri etkiler hesaplanmış ve ölçülmüştür (bu durumlarda olağanüstü bir doğrulukla!), böylece fiziksel boşluğun doğru resmini elde ettiğimizden emin olabiliriz.
Bu resimde, teoride başlangıçta yer alan tüm parametreler, sanal parçacıklarla etkileşim nedeniyle ışınımsal olanlar adı verilen düzeltmeler alıyor. Kuantum elektrodinamiğinde küçüktürler ama Engler-Brout-Higgs sektöründe devasadırlar. Bu sektörü oluşturan temel skaler alanların özelliği budur; diğer alanlar bu özelliğe sahip değildir. Buradaki ana etki, ışınımsal düzeltmelerin Standart Model M cm'nin enerji ölçeğini yerçekimsel ölçek M pl'ye doğru "çekme" eğiliminde olmasıdır. Standart Model dahilinde kalırsak, o zaman tek çıkış yolu, teorinin başlangıç parametrelerini, radyasyon düzeltmeleriyle birlikte, doğru M cm değerine götürecek şekilde seçmektir. uyum M cm2 /M pl 2 = 10 -34'e yakın olmalıdır! Bu, Standart Model enerji ölçeği probleminin ikinci yönüdür: Doğada böyle bir uyumun meydana gelmesi mantıksız görünmektedir.
Pek çok teorisyen (yine de tekrarlıyoruz, hepsi değil) bu sorunun Standart Modelin ötesine geçme ihtiyacını açıkça gösterdiğine inanıyor. Gerçekten de, Standart Model "yeni fizik - NF" M nf enerji ölçeğinde çalışmayı durdurursa veya önemli ölçüde genişlerse, o zaman parametrelerin yerleştirilmesi için gerekli doğruluk kabaca konuşursak M 2 cm / M 2 nf olacaktır, ancak aslında yaklaşık iki kat daha azdır. Doğada parametrelerin ince ayarının olmadığını varsayarsak, “yeni fizik” ölçeğinin 1-2 TeV civarında, yani tam olarak Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda araştırmaya açık bölgede olması gerekir!
“Yeni fizik” nasıl olabilir? Bu konuda teorisyenler arasında bir birlik yoktur. Olasılıklardan biri, daha önce tartışılan kendiliğinden simetri kırılmasını sağlayan skaler alanların bileşik doğasıdır. Bir diğer popüler (şu ana kadar?) olasılık ise süpersimetridir; bununla ilgili olarak sadece yüzlerce GeV - birkaç TeV aralığında kütlelere sahip yeni parçacıklardan oluşan bir hayvanat bahçesini öngördüğünü söyleyeceğiz. Uzayın ek boyutları gibi çok egzotik seçenekler de tartışılıyor (örneğin, sözde M-teorisi - bkz. “Bilim ve Yaşam” No. 2, 3, 1997, “Süper Sicimler: Teoriye Giden Yol” makalesi) her şeyden.” - Ed. .).
Tüm çabalara rağmen henüz “yeni fizik”e dair hiçbir deneysel belirti alınamadı. Bu aslında şimdiden endişe uyandırmaya başlıyor: Her şeyi doğru anlıyor muyuz? Ancak enerji ve toplanan veri miktarı açısından henüz “yeni fizik”e ulaşmamış olmamız ve yeni, devrim niteliğinde keşiflerin bununla ilişkilendirilmesi oldukça muhtemel. Buradaki asıl umut yine, bir buçuk yıl içinde 13-14 TeV'lik tam enerjiyle çalışmaya başlayacak ve hızlı bir şekilde veri toplayacak olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'na bağlanıyor. Haberleri takip edin!
Hassas ölçüm ve keşif makineleri
Doğadaki en küçük nesneleri inceleyen parçacık fiziği, bu parçacıkların hızlandırıldığı, çarpıştığı ve parçalandığı devasa araştırma tesislerine ihtiyaç duyuyor. Bunlardan en güçlüsü çarpıştırıcılardır.
Çarpıştırıcı e + e - çarpıştırıcılarda elektronlar ve pozitronlar gibi parçacıkların kafa kafaya çarpıştığı, çarpışan parçacık ışınlarına sahip bir hızlandırıcıdır. Şimdiye kadar proton-antiproton, proton-proton, elektron-proton ve çekirdek-çekirdek (veya ağır iyon) çarpıştırıcıları da oluşturuldu. Diğer olasılıklar, örneğin μ + μ - - çarpıştırıcı hala tartışılıyor. Parçacık fiziğinin ana çarpıştırıcıları proton-antiproton, proton-proton ve elektron-pozitrondur.
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC)- proton-proton, iki proton ışınını birbirine doğru hızlandırır (aynı zamanda ağır iyon çarpıştırıcısı olarak da çalışabilir). Her ışındaki protonların tasarım enerjisi 7 TeV olduğundan toplam çarpışma enerjisi 14 TeV'dir. Çarpıştırıcı 2011 yılında bu enerjinin yarısı kadar, 2012 yılında ise 8 TeV'lik tam enerjiyle çalıştı. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, protonların elektrik alanlarıyla hızlandırıldığı ve süper iletken mıknatısların oluşturduğu alanlar tarafından tutulduğu 27 km uzunluğunda bir halkadır. Proton çarpışmaları, çarpışmalarda üretilen parçacıkları kaydetmek için dedektörlerin yerleştirildiği dört noktada meydana gelir. ATLAS ve CMS, yüksek enerjili parçacık fiziği araştırmaları için tasarlanmıştır; LHC-b, b-kuark içeren parçacıkları incelemek içindir ve ALICE, sıcak ve yoğun kuark-gluon maddesini incelemek içindir.
Spp̃S- CERN'deki proton-antiproton çarpıştırıcısı. Halka uzunluğu 6,9 km, maksimum çarpışma enerjisi 630 GeV'dir. 1981'den 1990'a kadar çalıştı.
LEP- LHC ile aynı tünelde bulunan, maksimum 209 GeV çarpışma enerjisine sahip bir halka elektron-pozitron çarpıştırıcısı. 1989'dan 2000'e kadar çalıştı.
SLC— SLAC, ABD'de doğrusal elektron-pozitron çarpıştırıcısı. Çarpışma enerjisi 91 GeV (Z-boson kütlesi). 1989'dan 1998'e kadar çalıştı.
Tevatron, ABD Fermilab'da bulunan bir halka proton-antiproton çarpıştırıcısıdır. Halkanın uzunluğu 6 km, maksimum çarpışma enerjisi 2 TeV'dir. 1987'den 2011'e kadar çalıştı.
Proton-proton ve proton-antiproton çarpıştırıcılarını elektron-pozitron çarpıştırıcılarıyla karşılaştırırken protonun bileşik bir parçacık olduğunu, kuarklar ve gluonlar içerdiğini aklınızda tutmanız gerekir. Bu kuarkların ve gluonların her biri, bir protonun enerjisinin yalnızca bir kısmını taşır. Bu nedenle, örneğin Büyük Hadron Çarpıştırıcısında temel bir çarpışmanın enerjisi (iki kuark arasında, iki gluon arasında veya bir kuark ile bir gluon arasında), çarpışan protonların toplam enerjisinden belirgin şekilde daha düşüktür (tasarım parametrelerinde 14 TeV) . Bu nedenle üzerinde çalışılabilecek enerji aralığı, çalışılan prosese bağlı olarak “sadece” 2-4 TeV'ye ulaşıyor. Elektron-pozitron çarpıştırıcılarının böyle bir özelliği yoktur: Elektron temel, yapısız bir parçacıktır.
Proton-proton (ve proton-antiproton) çarpıştırıcılarının avantajı, bu özellik dikkate alındığında bile bunlarla yüksek çarpışma enerjilerine ulaşmanın, elektron-pozitron çarpıştırıcılarına kıyasla teknik olarak daha kolay olmasıdır. Bir de eksi var. Protonun bileşik yapısı nedeniyle ve kuarklar ile gluonların birbirleriyle elektronlar ve pozitronlardan çok daha güçlü bir şekilde etkileşmeleri nedeniyle, proton çarpışmalarında Higgs bozonu veya Higgs bozonunun araştırılması açısından ilginç olmayan çok daha fazla olay meydana gelir. diğer yeni parçacıklar ve olaylar. İlginç olaylar proton çarpışmalarında daha "kirli" görünür; pek çok "yabancı", ilginç olmayan parçacıklar bunların içinde doğar. Bütün bunlar, elektron-pozitron çarpıştırıcılarına göre yararlı bir sinyalin izole edilmesinin daha zor olduğu “gürültü” yaratır. Buna göre ölçüm doğruluğu daha düşüktür. Bütün bunlardan dolayı proton-proton (ve proton-antiproton) çarpıştırıcılarına keşif makineleri, elektron-pozitron çarpıştırıcılarına ise hassas ölçüm makineleri adı verilmektedir.
Standart sapma(standart sapma) σ x - ölçülen değerin ortalama değerden rastgele sapmalarının karakteristiği. X'in ölçülen değerinin gerçek değerden rastgele 5σ x kadar farklı olma olasılığı yalnızca %0,00006'dır. Bu nedenle parçacık fiziğinde arka plandan 5σ kadar bir sinyal sapması, sinyalin doğru olarak tanınması için yeterli kabul edilir.
Parçacıklar Standart Modelde listelenen proton, elektron, nötrino ve bunların antiparçacıkları hariç, kararsızdırlar: diğer parçacıklara bozunurlar. Bununla birlikte, üç nötrino türünden ikisinin de kararsız olması gerekir, ancak ömürleri son derece uzundur. Mikro dünyanın fiziğinde bir prensip vardır: Olabilecek her şey gerçekte gerçekleşir. Bu nedenle bir parçacığın kararlılığı bir tür korunum yasasıyla ilişkilidir. Yükün korunumu yasası gereği elektron ve pozitronun bozunması yasaktır. En hafif nötrino (spin 1/2) açısal momentumun korunumu nedeniyle bozulmaz. Bir protonun bozunması, baryon sayısı adı verilen başka bir "yükün" korunumu yasasıyla yasaklanmıştır (protonun baryon sayısı tanım gereği 1'dir ve daha hafif parçacıklarınki sıfırdır).
Başka bir iç simetri baryon sayısıyla ilişkilidir. Doğru mu, yaklaşık mı olduğu, protonun kararlı mı olduğu yoksa çok uzun da olsa sonlu bir ömrü olup olmadığı ayrı bir tartışma konusudur.
Kuarklar- temel parçacık türlerinden biri. Serbest durumda, gözlemlenmezler, ancak her zaman birbirleriyle bağlantılıdırlar ve bileşik parçacıklar - hadronlar oluştururlar. Bunun tek istisnası t-kuarktır; diğer kuarklarla veya antikuarklarla birleşerek bir hadron oluşturacak zamanı bulamadan bozunur. Hadronlar arasında proton, nötron, π-mezonlar, K-mezonlar vb. bulunur.
B kuark altı tür kuarktan biridir ve kütle olarak t kuarktan sonra ikinci kuarktır.
Müon, kütlesi m μ = 106 MeV olan bir elektronun ağır, kararsız bir analoğudur. Müon'un ömrü T μ = 2·10 -6 saniye, onun dedektörün tamamından bozulmadan geçmesine yetecek kadar uzundur.
Sanal parçacık gerçek bir parçacık için enerji ve momentum E 2 = p 2 s 2 + m 2 s 4 arasındaki olağan göreli ilişkinin karşılanması, ancak sanal bir parçacık için karşılanmaması açısından gerçek olandan farklıdır. Bu, enerji belirsizliği ΔE ile Δt sürecinin süresi arasındaki kuantum mekaniksel ilişki ΔE·Δt ~ ħ nedeniyle mümkündür. Bu nedenle, sanal bir parçacık neredeyse anında bozunur veya bir başkasıyla yok olur (ömrü Δt çok kısadır), gerçek bir parçacık ise gözle görülür derecede daha uzun yaşar veya genel olarak kararlıdır.
Kuzu seviye değişimi- sanal fotonların emisyonu ve soğurulması veya elektron-pozitron çiftlerinin sanal yaratımı ve yok edilmesinin etkisi altında hidrojen atomu ve hidrojen benzeri atomların seviyelerinin ince yapısında hafif bir sapma. Etki 1947'de Amerikalı fizikçiler W. Lamb ve R. Rutherford tarafından keşfedildi.
Fizikte bugüne kadar sıradan insan algısının anlayamadığı pek çok kavram ve olgu var. Bu orijinal kavramlardan biri haklı olarak Higgs bozonu olarak adlandırılabilir. Bu konuda bildiklerimizi ve bu olgunun sıradan insanlara ne kadar açıklanabileceğini daha ayrıntılı olarak düşünmeye değer.
Higgs bozonu, parçacık fiziğinin standart modelinde, Higgs mekanizması sırasında elektrozayıf simetrinin kendiliğinden kırılması sırasında ortaya çıkma eğiliminde olan temel bir parçacıktır.
Temel bir parçacık için uzun süreli arama
Parçacık, İngiliz fizikçi Peter Higgs tarafından 1964'te yayınlanan temel makalelerde öne sürüldü. Ve yalnızca birkaç on yıl sonra, teorik olarak tahmin edilen konsept, belirli arama sonuçlarıyla doğrulandı. 2012 yılında bu rol için en belirgin aday olan yeni bir parçacık keşfedildi. Ve zaten Mart 2013'te, bilgiler bireysel araştırmacılar tarafından doğrulandı. CERN'in ve bulunan parçacığın Higgs bozonu olduğu tanındı.
Bu tür ciddi araştırmalar için üzerinde uzun yıllardır test ve geliştirmelerin yapıldığı bir araştırma vardı. Ancak ortaya çıkan sonuçlar bile kamuya açıklanmak için acele etmiyor, her şeyi tekrar kontrol etmeyi ve daha ayrıntılı bir şekilde kanıtlamayı tercih ediyor.
Higgs bozonu, bulunan en son Standart Model parçacığıdır. Aynı zamanda, Leon Lederman'ın önerdiği versiyona göre, medyada resmi fiziksel terime "lanetlenmiş parçacık" deniyor. Her ne kadar kitabının başlığında Nobel ödüllü "Tanrı'nın parçacığı" ifadesini kullanmış olsa da, bu daha sonra pek anlaşılmadı.
Erişilebilir dilde Higgs bozonu
Pek çok bilim insanı Higgs bozonunun ne olduğunu ortalama bir insanın anlayabileceği şekilde açıklamaya çalıştı. Hatta 1993 yılında İngiltere Bilim Bakanı bu fiziksel kavramın en basit açıklaması için bir yarışma bile duyurdu. Aynı zamanda, bir tarafla karşılaştırmalı seçeneğin daha erişilebilir olduğu düşünülüyordu. Seçenek şuna benzer:
- Bir anda partinin başladığı büyük odaya ünlü bir kişi giriyor;
- ünlü bir kişi, o kişiyle iletişim kurmak isteyen misafirler tarafından takip edilirken, bu kişi herkesten daha düşük bir hızda hareket ederken;
- daha sonra genel kitle içinde ayrı gruplar (insan kümeleri) toplanmaya başlar, bazı haberleri veya dedikoduları tartışırlar;
- insanlar haberleri gruptan gruba aktarıyor, bunun sonucunda halk arasında küçük sıkışmalar oluşuyor;
- Sonuç olarak, ünlü bir kişiyi yakından çevreleyen, ancak onun katılımı olmadan bir grup insanın dedikodu tartıştığı görülüyor.
Karşılaştırmalı olarak bakıldığında, odadaki toplam insan sayısının Higgs alanı olduğu, insan gruplarının alanın rahatsız edici olduğu ve ünlü kişinin kendisinin de bu alanda hareket eden bir parçacık olduğu ortaya çıkıyor.
Higgs Bozonunun İnkar Edilemez Önemi
Sonunda adı ne olursa olsun, temel parçacığın önemi yadsınamaz. Her şeyden önce teorik fizikte yapılan hesaplamalar sırasında Evrenin yapısını incelemek gerekir.
Teorik fizikçiler Higgs bozonlarının bizi çevreleyen tüm alanı doldurduğunu öne sürdüler. Bozonlar diğer parçacık türleri ile etkileşime girdiklerinde kütlelerini onlara aktarırlar. Temel parçacıkların kütlesini hesaplamak mümkünse, Higgs bozonunun kendisinin hesaplanmasının tamamlanmış bir iş olarak kabul edilebileceği ortaya çıktı.
Dünyanın yapısını açıklayan bir Standart Model vardır. Bileşenlerden biri Higgs bozonudur. Basit bir ifadeyle - diğer parçacıklara kütle veren temel bir parçacıktır. Peki neden buna ihtiyaç var? Peki 2012'deki olay neden bilim çevrelerinde bu kadar yankı ve gürültüye neden oldu?
Standart Model
Fizikçiler arasında dünyanın modern tanımına Standart Model teorisi denir. Temel parçacıkların birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğini gösterir. Bilimde dört temel etkileşim vardır:
- Yerçekimsel.
- Güçlü.
- Zayıf.
- Elektromanyetik.
Standart Model yalnızca üçünü içerir; yerçekiminin farklı bir doğası vardır. Teoriye göre maddenin iki bileşeni vardır:
- Fermiyonlar - 12 adet;
- Bozonlar - 5 adet.
Higgs bozonu ilk kez 1964'te tartışıldı, ancak 2012'ye kadar yalnızca bir teori olarak kaldı. Bilim adamları, bu elementin kalan parçacıkların kütlesinden sorumlu olduğuna inanma eğilimindeydi. Ve böylece Higgs bozonunun Higgs alanının bir kuantumu olduğu deneysel olarak kanıtlandı. diğer her şeye kütle sağlar.
Çarpıştırıcıda Higgs bozonu parçacığı bulundu
Aramalar Tevatron çarpıştırıcısı (ABD) kullanılarak gerçekleştirildi. 2011 yılının sonunda, b-kuarklara bozunma sırasında Higgs bozonunun bir elementinin izleri keşfedildi. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın yardımıyla yapılan çalışmalarda bu, yalnızca bir yıl sonra, 2012'de fark edildi. Bu kadar uzun bir süre, diğer birçok unsurun da ikincisinde bulunmasından kaynaklanıyor.
Daha sonra sonuçları doğrulamak için diğer cihazlarda bozonu aramaya başladılar.
Sonuç olarak yarım asırlık teori deneysel olarak doğrulandı ve Bozon adını aldı tahmincisi ve Standart Modelin yaratıcılarından birinin onuruna - Peter Higgs . Şu anda fizikçiler, dünyanın yapısının tanımındaki eksik halkayı kanıtlayıp doldurabildiklerinden eminler.
Peter Higgs kimdir?
Dünyaca ünlü İngiliz bilim adamı Peter Higgs, 29 Mayıs 1929'da doğdu. Babası BBC mühendisiydi.
Yaşamın temel gerçekleri ve dönemleri:
- Peter okuldan beri matematik ve fizikle ilgilendi, dersler verdi ve popüler bilim adamlarının eserlerini verdi.
- Okuldan sonra Londra'daki King's College'a girdi ve fizik alanındaki tezini savunarak başarıyla mezun oldu.
- 1960'tan itibaren bilim adamı, Eichiru Nambo'nun süperiletkenlerde simetri kırılması fikrini aktif olarak incelemeye başladı. Çok geçmeden Peter, parçacıkların kütleye sahip olduğu teorisini kanıtlamayı başardı. Bu çalışmada, sıfır dönüşe sahip bir temel parçacığın varlığına ve diğerleriyle temas halindeyken onlara kütle verenin bu parçacık olduğuna dair bir teori ortaya koydu.
- Ayrıca simetri ihlalini açıklayan mekanizmayı da keşfetti. Edinburgh bölgesindeki dağlarda yürürken bu sonuca varması dikkat çekicidir. Bu mekanizma Standart Modelin önemli bir bileşenidir.
- 2013 yılında henüz hayattayken teorisinin deneysel olarak doğrulanması sağlandı ve Higgs bozonu adı verilen sıfır spinli bir element keşfedildi. Bir röportaj veren bilim adamı, bu anı yaşamı boyunca yakalamayı ummadığını söyledi.
- Birçok ödülün sahibi, en ünlüsü: Dirac Madalyası, Wolf Fizik Ödülü, Nobel Ödülü.
Bu ne tür bir parçacık ve arama nasıl gitti?
Bu bozon neredeyse yarım asırdır aranıyor. Bunun nedeni, deneyin teoride basit, gerçekte ise karmaşık olmasıdır. Deneyler birkaç cihaz kullanılarak gerçekleştirildi:
- elektron-pozitron çarpıştırıcısı;
- tevatron;
- Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC).
Ancak çarpıştırıcının gücü ve yetenekleri yeterli değildi. Deneyler düzenli olarak yapıldı ancak doğru sonuçlar vermedi. Ayrıca Higgs elementinin kendisi de ağırdır, yalnızca çürüme izleri bırakır.
Deney için ışık hızına yakın hızda hareket eden iki protona ihtiyaç vardı. Sonra doğrudan bir çarpışma var. Sonuç olarak, bileşenlere ve bunlar da ikincil öğelere ayrılırlar. Higgs bozonunun ortaya çıkması gereken yer burasıdır.
Higgs alanının varlığını pratikte kanıtlamamızı engelleyen temel özellik ve engel, parçacığın çok kısa bir süre boyunca ortaya çıkıp kaybolmasıdır. Ancak bilim adamlarının gerçekliğini doğrulayabilmeleri sayesinde izler bırakıyor.
Deneysel karmaşıklık ve keşif
Deneyin zorluğu yalnızca Higgs bozonunu zamanında yakalamak değil, aynı zamanda onu tanıyabilmekti. Ve bu kolay değil çünkü farklı kısımlara ayrılıyor:
- Kuark-antikuark.
- W bozonları.
- Leptonlar.
- Tau parçacıkları.
- Fermiyonlar.
- Fotonlar.
Bu bileşenler arasında Higgs alanının izlerini tespit etmek son derece zor, hatta imkansızdır. Çarpıştırıcı yüksek olasılıkla bir parçacığın dört leptona geçişini tespit ediyor. Ancak burada bile olasılık yalnızca %0,013'tür.
Sonuç olarak, bilim adamları istenen bozonun izlerini tanıyabildiler ve çok sayıda deneyin yardımıyla onun varlığını kanıtladılar. Peter H'nin öngördüğü gibi bu, yaklaşık 125 GeV kütle-enerji bölgesine sahip, spini sıfır olan bir elementtir. Diğer bileşen çiftlerine (fotonlar, fermiyonlar vb.) bozunur ve diğer tüm parçacıklara kütle kazandırır.
Keşif elbette bir heyecan dalgasına neden oldu ama aynı zamanda hayal kırıklıklarına da yol açtı. Sonuçta, bilim adamlarının Standart Modelin sınırlarını aşamadıkları ortaya çıktı; çalışma ve bilimin yönü için yeni bir tur ortaya çıkmadı. Ve mevcut teori bazı önemli noktaları hesaba katmıyor: yerçekimi, kara madde ve diğer gerçeklik süreçleri.
Şu anda uzmanlar, bu fenomenlerin ortaya çıkışı teorisi ve Evrendeki rolleri üzerinde çalışıyorlar.
Higgs bozonunun keşfinden sonra bilim insanları, antimaddenin karanlık enerjiye nasıl dönüştüğü konusunda yeniden çalışmaya başladı. Ve bu unsur, bu sürecin önemli bir bileşenidir. Fizikçiler bu keşfin bir köprü olacağını ve Evrenin nasıl çalıştığına dair heyecan verici sorulara yeni yanıtlar bulunacağını umuyorlar.
Higgs bozonu, basit bir ifadeyle, diğer her şeye kütle kazandıran parçacıktır. 2012'deki deneysel doğrulama sayesinde bilim insanları evrenin yaratılışını çözmeye daha da yaklaştı.
Video: basitçe kompleks hakkında - Higgs bozonu nedir?
Fizikçi Arnold Daver, bu videoda size bu parçacığın nasıl ve neden keşfedildiğini, hadron çarpıştırıcısının neden yapılması gerektiğini anlatacak:
