Как работает поле Хиггса: основная идея. Квант поля хиггса

Загадки массы

(Русскоязычный вариант статьи «Mysteries of Mass» by Gordon Kane, опубликованной в 2005 г., (т.е. до экспериментального открытия бозона Хиггса) в журнале Scientific American).

Русскоязычный вариант статьи подготовлен И.М. Капитоновым

Об авторе : Гордон Кейн (Gordon Kane) – специалист по теории элементарных частиц, лауреат премии Вайскопфа, профессор физики Мичиганского университета. Он изучает способы проверки и расширения Стандартной модели физики частиц. Кейн занимается физикой полей Хиггса и суперсимметричным расширением Стандартной модели, а также сопоставлением теоретических и экспериментальных космологических данных.

Большинство людей думает, что они знают, что такое масса. Например, масса африканского слона (6 т) в 600 млрд. раз больше массы самого маленького муравья (0,01 мг). Примерно во столько же раз верхний кварк тяжелее нейтрино. До сих пор не понятно, почему массы элементарных частиц так сильно различаются. Физики продолжают охоту за бозоном Хиггса, который поможет убедиться в существовании одноименного поля, наделяющего массой каждую частичку Вселенной. Всем ясно, что слон больше и тяжелее муравья. Даже в отсутствие гравитации гигантский обладатель хобота имеет большую массу: его тяжелее сдвинуть с места и разогнать. Очевидно, слон более массивен, потому что состоит из значительно большего числа атомов, чем муравей. Но чем же определяются массы отдельных атомов? Что можно сказать о массе элементарных частиц, из которых они состоят? Откуда она берется? У проблемы массы есть два независимых аспекта. Прежде всего хотелось бы понять, как вообще появляется масса. Оказывается, в ее возникновении участвуют по крайней мере три различных механизма, которые будут описаны ниже. Главную роль в физических теориях массы играет так называемое поле Хиггса, якобы пронизывающее весь реальный мир. Считается, что элементарные частицы обретают массу в результате взаимодействия с этим полем. Если оно есть на самом деле, то согласно теории должна существовать связанная с ним частица – бозон Хиггса, за которым ученые охотятся с помощью ускорителей частиц. Кроме того, ученые хотят знать, почему различным видам элементарных частиц соответствуют строго определенные значения массы, причем самая тяжелая частица на 11 порядков массивнее самой легкой ( см. ниже рисунок «Массы частиц Стандартной модели»). Во столько же раз слон тяжелее самого маленького муравья.

Рисунок: Массы частиц Стандартной модели. Они отличаются на 11 порядков и возникают благодаря взаимодействию с полем Хиггса. По-видимому, существуют, по крайней мере, пять видов бозонов Хиггса. Поскольку их массы не известны, на иллюстрации указаны возможные значения.

Что же такое масса?

В 1687 г. Исаак Ньютон писал в своих знаменитых «Началах»: «масса есть мера вещества, устанавливаемая пропорционально плотности и объему его». Такое базовое определение вполне устраивало ученых в течение двух веков. Они понимали, что наука сначала должна описать, как действуют законы природы, а уж потом разбираться, почему все происходит именно так, а не иначе. В последние годы актуальным для физиков стал вопрос «почему существует масса?». Понимание значения и происхождения массы дополнит и расширит Стандартную модель физики элементарных частиц, которая описывает их взаимодействия. Это также поможет разрешить загадку темного вещества, которое составляет около 25% Вселенной. Современные представления о массе гораздо сложнее, чем определение Ньютона, и базируются на Стандартной модели. В ее основе лежит математическая функция, которая называется лагранжианом и показывает, как взаимодействуют различные частицы. Следуя правилам релятивистской квантовой теории, с помощью лагранжиана физики могут рассчитать поведение элементарных частиц и, в частности, описать, как они образуют протоны и нейтроны. И к элементарным, и к составным частицам применимо уравнение F = ma, связывающее силу, массу и приобретаемое ею ускорение. Функция Лагранжа помогает нам вычислить значение, которое следует использовать в качестве m, т.е. массу частицы. Но она входит не только во Второй закон Ньютона. Например, согласно специальной теории относительности, не имеющие массы частицы в вакууме движутся со скоростью света, а частицы с массой движутся медленнее, причем, зная массу, можно рассчитать их скорость. Более того, гравитация действует на массу абсолютно так же, как на эквивалентную ей энергию. Величина m, рассчитанная с помощью лагранжиана, идеально подходит на роль массы во всех без исключения явлениях, в которых существенна величина этой массы. Фундаментальные частицы (кварки, лептоны и переносчики взаимодействий – кванты фундаментальных полей) имеют строго определенные массы покоя (частицы с нулевой массой покоя называются безмассовыми). Для сложных (составных) частиц полная масса состоит из суммы масс покоя составляющих ее частиц, а также их кинетической энергии движения и потенциальной энергии взаимодействия . Связь энергии и массы описывается известным уравнением Эйнштейна: E = mc2, где с – скорость света. Примером энергии, дающей вклад в массу, может быть хорошо знакомый нам вид вещества – протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра. Эти частицы составляют 4–5% массы и энергии Вселенной (см. рисунок во вкладке «КОСМИЧЕСКАЯ ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ»). Согласно Стандартной модели, протоны и нейтроны образованы кварками, которые связаны между собой безмассовыми глюонами. Хотя конституенты каждого протона кружат в непрерывном вальсе ( см. соответствующий рисунок во вкладке «КОСМИЧЕСКАЯ ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ»), мы видим его как единый объект со свойственной ему массой, которая равна сумме масс и энергий составляющих его элементарных частиц.

КОСМИЧЕСКАЯ ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ

Теория поля Хиггса объясняет, как элементарные частицы, наименьшие «кирпичики» Вселенной, приобретают массу. Но механизм Хиггса – не единственный источник массы-энергии во Вселенной (понятие «масса-энергия» объединяет массу и энергию, которые связаны формулой Эйнштейна E = mc2). Приблизительно 70% массы-энергии Вселенной сосредоточено в так называемой темной энергии, которая непосредственно не связана с частицами. Главный признак существования темной энергии – ускорение расширения Вселенной. Природа темной энергии – один из самых сложных вопросов современной физики.

Остальные 30% массы-энергии Вселенной существуют в виде вещества, частиц с массой. Самый знакомый вид вещества – протоны, нейтроны и электроны. Из них состоит примерно одна шестая всего вещества, т.е. 4–5% всей Вселенной. Большая часть этой массы обусловлена энергией движения кварков и глюонов, кружащихся внутри протонов и нейтронов (см. картинку слева). Меньший вклад в вещество Вселенной вносят нейтрино, которые образуют три группы и имеют чрезвычайно маленькую массу. Абсолютные массы нейтрино еще не измерены, но, по имеющимся данным, их верхний предел не превышает 0,5% массы Вселенной. Оставшиеся 25% массы-энергии Вселенной составляет невидимое нам темное вещество (темная материя), о существовании которого свидетельствует его гравитационное влияния на наблюдаемые нами объекты. Пока неизвестно, что представляет собой темное вещество, но уже есть хорошие кандидаты на его роль, а эксперименты по проверке различных теорий идут полным ходом. Темное вещество должно быть построено из массивных частиц, потому что под действием сил тяготения оно образует сгустки размером с галактику. Разнообразие доводов позволяет нам заключить, что темное вещество не может состоять из обычных частиц Стандартной модели.

Главный претендент на звание тёмного вещества – самый лёгкий суперпартнёр (ЛСП). Он появляется в расширениях Стандартной модели, называемых Суперсимметричными Стандартными моделями (ССМ). Судя по всему, масса ЛСП приблизительно равна 100 массам протона. Стандартная модель позволяет нам установить, что почти вся масса протонов и нейтронов обусловлена кинетической энергией кварков и глюонов (остальное – массы покоя кварков). Таким образом, 4–5% всей Вселенной или почти всё знакомое нам вещество состоит из энергии движения кварков и глюонов в протонах и нейтронах.

ОБЗОР: ХИГГСОВСКАЯ ФИЗИКА

Масса – привычное свойство вещества, но для ученых она во многих отношениях остается загадкой. Прежде всего – как элементарные частицы приобретают массу и почему ее значение у каждой из них строго определено?
Ответы на эти вопросы помогут теоретикам завершить и расширить Стандартную модель физики элементарных частиц, которая описывает фундаментальные законы природы. Расширенная Стандартная модель поможет разгадать загадку темного вещества, которое составляет приблизительно 25% Вселенной.
Согласно теории, элементарные частицы приобретают массу, взаимодействуя с квантовым полем Хиггса, пронизывающим всю Вселенную. Эксперименты на ускорителях частиц помогут ученым убедиться в существовании этого поля.

Механизм Хиггса

В отличие от протонов и нейтронов такие элементарные частицы, как кварки и электроны, неделимы. Откуда у них берутся массы покоя – главная загадка происхождения массы. Согласно современной физической теории, массы фундаментальных частиц являются результатом их взаимодействия с полем Хиггса.

Но почему это поле присутствует всюду во Вселенной? Почему в космических масштабах его напряженность не равна нулю, как у электромагнитного поля?

Что такое поле Хиггса? Поле Хиггса – это квантовое поле. Здесь нет ничего удивительного: все элементарные частицы представляют собой кванты соответствующих квантовых полей. Электромагнитное поле тоже является квантовым, а соответствующая ему элементарная частица – фотон. Так что поле Хиггса в какой-то мере не более загадочно, чем электроны и свет. И все же есть у него три особенности: Первая из них чисто «техническая». Все поля характеризуются так называемым спином, т.е. определенной величиной собственного углового момента соответствующих частиц. Например, у электронов он составляет 1/2, а у большинства частиц, связанных со взаимодействиями (скажем, у фотонов), равен 1. Спин бозона Хиггса равен нулю, поэтому одноименное поле может входить в лагранжиан необычными способами, что, в свою очередь, обусловливает остальные его особенности. Второе уникальное свойство поля Хиггса позволяет объяснить, почему его напряженность всюду отлична от нуля. Любая система, включая Вселенную в целом, стремится к состоянию с самой низкой энергией, словно шар, скатывающийся на дно впадины. Для обычных полей наподобие электромагнитного самое низкое энергетическое состояние соответствует нулевой напряженности поля, т.е. его отсутствию. Если же поле отлично от нуля, то содержащаяся в нем энергия увеличивает общую энергию системы. Однако в случае поля Хиггса энергия Вселенной минимальна когда его напряженность не равна нулю. Таким образом, для обычных полей дно впадины соответствует нулевой напряженности; для поля Хиггса в центре впадины (при нулевой напряженности) имеется пригорок, а самые низкие точки образуют ров (см. вкладку «СВОЙСТВА НЕУЛОВИМОЙ ЧАСТИЦЫ ХИГГСА»). Подобно шару, Вселенная «скатывается» в круговое углубление, которое соответствует ненулевому полю. Поэтому в естественном состоянии с самой низкой энергией Вселенная повсюду пронизана полем Хиггса. Последняя отличительная черта поля Хиггса связана с особенностями его взаимодействия с другими частицами. Они ведут себя так, будто имеют массу, пропорциональную напряженности поля, умноженной на силу взаимодействия. Массы связаны с теми членами лагранжиана, которые относятся к частицам, взаимодействующим с полем Хиггса.

СВОЙСТВА НЕУЛОВИМОЙ ЧАСТИЦЫ ХИГГСА

Как поле Хиггса создает массу

"Пустое" пространство, заполненное полем Хиггса, похоже на пляж, полный детей.	Частица, пересекающая область пространства, похожа на продавца мороженого.		Дети окружают тележку с мороженым и замедляют ее движение, в результате она приобретает "массу".
Пронизывая реальность Энергия обычных полей (например электромагнитное) минимальна при нулевой напряженности поля (слева), вселенная напоминает шар, который скатывается и останавливается на дне впадины, где напряженность равна нулю. Энергия поля Хиггса минимальна при напряженности поля, отличной от нуля (справа), таким образом, в состоянии с наименьшей энергией вселенная пронизана полем Хиггса		Порождение двух явленийДва различных явления - приобретение массы частицей (сверху) и возникновение бозона Хиггса (снизу) - вызваны одним и тем же взаимодействием. Этот факт будет использован при экспериментальной проверке механизма Хиггса.

Взаимодействие с другими частицами

Диаграммы Фейммана изображают взаимодействие бозона Хиггса с другими частицами. Диаграмма а представляет испускание или поглощение бозона Хиггса частицей типа кварка или электрона, на диаграмме b показан соответствующий процесс для W- или Z-бозона. W- и Z-бозоны также могут одновременно взаимодействовать с двумя бозонами Хиггса, как показано на диаграмме с, которая изображает также W- или Z-рассеяние бозона Хиггса (грубо говоря, столкновение с ним). Взаимодействия, представленные диаграммами а, b и с, отвечают за возникновение масс частиц, кроме того, бозоны Xиггса взаимодействует сами с собой (см. d и е). Можно изобразить и более сложные процессы, соединяя вместе копии элементарных диаграмм. Взаимодействия, изображенные на диаграммах d и е, отвечают за форму графа энергии (см. сверху слева).

Однако наше понимание хиггсовского механизма не является полным и пока мы не можем точно сказать, сколько существует видов полей Хиггса. Хотя Стандартная модель требует, чтобы все массы элементарных частиц были обусловлены одним полем Хиггса, настало время заменить её более полной теорией. Главные претенденты на роль последней – расширения Стандартной модели, известные как Суперсимметричные стандартные модели (ССМ). В них каждая частица Стандартной модели имеет так называемого суперпартнера (пока еще не обнаруженного) с тесно связанными свойствами. В ССМ необходимы по крайней мере два различных вида полей Хиггса, взаимодействие с которыми наделяет каждую частицу Стандартной модели массой. Эти поля также придают часть массы (но не всю) суперпартнерам. Два поля Хиггса приводят к пяти разновидностям бозонов Хиггса: три из них электрически нейтральны и два заряжены. Массы нейтрино очень малы по сравнению с массами других частиц и могут возникать из этих взаимодействий косвенно или быть связанными с еще одним, третьим видом поля Хиггса. У теоретиков есть несколько причин считать, что ССМ-картина взаимодействий Хиггса окажется правильной: Во-первых , без механизма Хиггса W- и Z-бозоны, которые являются посредниками в слабых взаимодействиях, были бы безмассовыми, как фотон (с которым они связаны), и слабое взаимодействие было бы таким же сильным, как электромагнитное. Согласно теории, механизм Хиггса придает массу W- и Z-бозонам весьма специфическим образом. Предсказания, основанные на этом положении (например, отношения масс W- и Z-бозонов) были подтверждены экспериментально. Во-вторых , все другие аспекты Стандартной модели были хорошо проверены, а в столь подробной, взаимосвязанной теории трудно изменить одну часть (например, поле Хиггса), не затрагивая остальное. Например, результат измерений свойств W- и Z-бозонов привел к точному предсказанию массы верхнего кварка задолго до того, как он был получен экспериментально. Если бы механизм Хиггса был другим, это и другие предсказания оказались бы неверными. В-третьих , механизм Хиггса идеально подходит для объяснения происхождения масс всех частиц Стандартной модели, W- и Z-бозонов, а также кварков и лептонов. Альтернативным теориям это, как правило, не удается. Кроме того, ССМ предлагает структуру, позволяющую выработать единое понимание всех сил природы. Наконец, ССМ помогает объяснить, почему энергетическая впадина для Вселенной имеет форму, необходимую для механизма Хиггса. В базовой Стандартной модели форму впадины необходимо ввести как постулат, тогда как в ССМ она выводится математически.

Проверка теории

Естественно, физики хотят убедиться, что масса является результатом взаимодействия с различными полями Хиггса. Можно проверить три ключевые особенности. Во-первых, следует поискать бозоны Хиггса: если их не существует, то объяснение нельзя считать правильным. Сейчас физики ищут бозоны Хиггса на Теватрон-коллайдере в Национальной лаборатории Ферми. Во-вторых, как только бозоны Хиггса будут обнаружены, мы сможем наблюдать, как они взаимодействуют с другими частицами. Свойства таких взаимодействий задаются членами лагранжиана, определяющими массы частиц. Поэтому их наличие можно проверить экспериментально, так как силы взаимодействия и массы частиц однозначно связаны. В-третьих , различным наборам полей Хиггса, появляющимся в Стандартной модели и ССМ, должны соответствовать разные наборы бозонов с уникальными свойствами. Ученым требуются коллайдеры, обеспечивающие достаточную энергию столкновений, чтобы получить различные бозоны Хиггса, и достаточную интенсивность, чтобы создавать их в больших количествах. Кроме того, они должны быть оснащены очень хорошими детекторами для анализа получающихся в результате частиц. Поиск осложняется тем, что приходится исследовать широкий диапазон масс, поскольку мы пока не можем точно сказать, какие массы должны быть у бозонов Хиггса. Теоретические рассуждения и анализ экспериментальных данных позволяют лишь грубо оценить, какой массы следует ожидать. Ученые могли обнаружить бозоны Хиггса, которые должны быть как минимум в 120 раз тяжелее протона, на Большом электронно-позитронном коллайдере (LEP) в CERN. Однако их так и не удалось зарегистрировать. Перед закрытием LEP в 2000 г. на пределе энергии и интенсивности было получено косвенное подтверждение существования бозона Хиггса: исследователи провели множество точных измерений, результаты которых дополнили сведения, собранные на Теватроне и на коллайдере в Стэнфордском центре линейных ускорителей. Весь набор данных хорошо согласуется с теорией только в том случае, если учитываются некоторые взаимодействия частиц с самым легким бозоном Хиггса, и если он не тяжелее 200 масс протона. Таким образом, мы получаем верхний предел массы бозона, что помогает сократить диапазон поисков. В ближайшие несколько лет единственными коллайдерами, которые могли бы дать прямое подтверждение существования бозонов Хиггса, будут Теватрон и LHC. Энергии столкновений в них будут достаточными, чтобы обнаружить бозон Хиггса, если удастся достигнуть требуемой интенсивности пучка. На 2011 г. запланирован сбор данных на Большом адронном коллайдере (LHC) в CERN, энергия которого в семь раз выше и который рассчитан на гораздо большую интенсивность, чем Теватрон. Ожидается, что он станет фабрикой бозонов Хиггса и будет производить множество частиц в день. Если LHC будет работать как запланировано, то сбор нужных данных и их интерпретация займут пару лет. Для проведения экспериментов, которые позволят окончательно убедиться в том, что масса обусловлена взаимодействием с полями Хиггса, потребуется новый электронно-позитронный коллайдер в дополнение к LHC (в котором сталкиваются протоны) и Теватрону (в котором сталкиваются протоны с антипротонами).

Возможно, что при столкновении позитрона высокой энергии и электрона в детекторе L3 Большого Электрон-Позитронного Коллайдера (LEP) в CERN возник бозон Хиггса. Линии представляют следы частиц. Зеленые и фиолетовые капли и золотые гистограммы изображают количества энергии, поглощенной в слоях детектора от улетающих из реакции частиц. Только объединяя множество таких событий, физики могут заключить, присутствовали ли бозоны Хиггса в некоторых из реакций или все события были произведены другими реакциями, которые лишь имитировали сигналы от бозонов Хиггса.

Темное вещество

Наблюдения за бозонами Хиггса не только позволят разобраться в происхождении массы, но и помогут разгадать загадку темной материи. Ключевой частицей ССМ-теорий, связанной с темной материей, является легчайший суперпартнер (ЛСП). Большинство суперпартнеров быстро распадается на суперпартнеры с меньшей массой, причем цепь распадов заканчивается ЛСП, который устойчив, т.к. не существует более легких частиц, на которые он мог бы распасться. (Суперпартнер не может распасться только на частицы Стандартной модели; по крайней мере один из продуктов распада должен быть суперпартнером). Частицы-суперпартнеры должны были возникнуть на раннем этапе Большого взрыва, но затем быстро распасться до ЛСП, претендующего на звание основы темной материи. Бозоны Хиггса также могут непосредственно влиять на количество темной материи во Вселенной. Мы знаем, что количество ЛСП сегодня должно быть меньше, чем сразу после Большого Взрыва, потому что некоторые из них могли столкнуться и аннигилировать в кварки, лептоны и фотоны, а скорость аннигиляции могла быть больше для ЛСП, взаимодействующих с бозонами Хиггса. Как было упомянуто выше, два основных ССМ-поля Хиггса дают массу частицам Стандартной модели и часть массы таким суперпартнерам, как ЛСП. Остальную массу они приобретают через дополнительные взаимодействия с другими полями Хиггса или их аналогами. В общих чертах теоретические модели этих процессов уже разработаны, но подробности мы не узнаем, пока не соберем информацию о самих суперпартнерах. Ожидается, что такие данные будут получены на LHC или даже на Теватроне. Массы нейтрино также могут быть результатом взаимодействий с дополнительными полями Хиггса. Раньше считалось, что нейтрино не имеют массы, но в 1979 г. теоретики предсказали, что они все-таки обладают чрезвычайно малой массой, а за прошлое десятилетие несколько серьезных экспериментов подтвердили эти предсказания. Нейтрино в миллион раз легче электрона, занимающего второе место среди самых легких частиц. Поскольку они электрически нейтральны, теоретически описать возникновение их масс сложнее, чем в случае заряженных частиц. В массу каждого вида нейтрино вносят вклад несколько процессов, и по техническим причинам фактическое ее значение получается из решения уравнения, а не просто путем сложения членов. Таким образом, мы разобрали три пути появления массы: основной, хорошо знакомый нам вид массы (масса протонов, нейтронов, а значит, и атомов) обусловлен движением кварков, составляющих протоны и нейтроны. Масса протона была бы примерно такой же даже без поля Хиггса. Однако массы кварков и электронов полностью обусловлены полем Хиггса: без него они были бы раны нулю. И, наконец, большая часть массы суперпартнеров, а значит, и масса частиц темной материи, если она действительно состоит из легчайших суперпартнеров, обусловлена дополнительными взаимодействиями. В заключение рассмотрим проблему семейств частиц. За последние полвека физики показали, что мир, который мы видим, от людей до цветов и звёзд, построен всего из шести частиц: три частицы вещества (верхние кварки, нижние кварки и электроны), два кванта, создающих силы взаимодействий (фотоны и глюоны), и бозоны Хиггса – замечательное и удивительно простое описание. Однако известны еще четыре кварка, две частицы, подобные электрону, и три вида нейтрино. Все они очень короткоживущие или слабо взаимодействующие с другими шестью частицами. ( В предыдущих фразах автор почему-то не упоминает слабое взаимодействие и кванты слабого поля – бозоны W± и Z. Замечание Капитонова). Итак, различают три семейства: 1) верхний (u) и нижний (d) кварки, электронное нейтрино, электрон; 2) очарованный (c) и странный ( s) кварки, мюонное нейтрино, мюон; 3) «истинный» (t) и «красивый» (b) кварки, тау-нейтрино, тау-лептон. Взаимодействия частиц каждого из семейств идентичны и отличаются только тем, что во втором семействе они сильнее, чем в первом, а в третьем – сильнее, чем во втором. Поскольку массы частиц обусловлены полем Хиггса, частицы должны взаимодействовать с ним по-разному. Следовательно, проблема семейств связана с двумя вопросами. Зачем существуют три семейства, если кажется, что одного вполне хватает для описания видимого нами мира? Почему частицы разных семейств отличаются по массе и имеют именно те массы, которые у них есть? Нет ничего удивительного в том, что физики пытаются понять, почему в природе имеются три почти идентичных семейства частиц. Они хотят до конца разобраться в законах природы, основных её частицах и силах. Нам нужна теория, в которой все частицы и отношения их масс появляются без каких-либо предварительных предположений о величине масс и без подгонки параметров. Если наличие трех семейств существенно, то это – ключ, значение которого пока не осознано.

Резюме

Стандартная модель и ССМ могут принять наблюдаемую структуру семейств, но не могут объяснить ее. Утверждается не то, что ССМ еще не объяснила структуру семейства, а то, что она вообще не может этого сделать. Ценность теории струн не в том, что она может предложить квантовую теорию всех сил, а в том, что она может объяснить, что такое элементарные частицы, почему существуют три семейства и почему разные семейства по-разному взаимодействуют с полем Хиггса. Она допускает возникновение повторяющихся семейств, которые не будут идентичны. Их различия описываются свойствами, не затрагивающими сильные, слабые, электромагнитные и гравитационные силы, но влияющими на взаимодействие с полями Хиггса и соответствующими трем семействам с различными массами. Теория струн допускает много различных структур семейств, и пока никто не знает, почему природа выбрала наблюдаемую нами, а не какую-нибудь другую. Данные о массах кварка, лептона и их суперпартнеров помогут нам глубже проработать теорию струн. Прошло немало времени, прежде чем ученые начали разбираться в природе массы. Без Стандартной модели физики элементарных частиц и развития квантовой теории поля для описания частиц и их взаимодействий физики не могли даже правильно сформулировать вопросы. И хотя происхождение и величины масс пока остаются загадкой, структура, необходимая для их понимания, похоже, уже найдена. Феномен массы невозможно было осмыслить до появления Стандартной модели, ССМ и теории струн. Пока не ясно, дадут ли они исчерпывающие ответы. Так или иначе, масса стала обычной темой исследований в физике частиц.

nuclphys.sinp.msu.ru

Как работает поле Хиггса: основная идея / Хабр

Разбираемся в физике частиц: 1. Шар на пружине, ньютоновская версия 2. Квантовый шар на пружине 3. Волны, классический вид 4. Волны, классическое уравнение движения 5. Квантовые волны 6. Поля 7. Частицы – это кванты 8. Как частицы взаимодействуют с полями

Как работает поле Хиггса:

Основная идея
Почему поле Хиггса в среднем ненулевое
Как появляется частица Хиггса
Почему поле Хиггса необходимо

Если вы читали мою серию статей про физику частиц и полей, вы знаете, что все т.н. «элементарные частицы» на самом деле – кванты (волны, чья амплитуда и энергия минимально допустимые квантовой механикой) релятивистских квантовых полей. Такие поля обычно удовлетворяют уравнениям движения класса 1 (или их обобщению) вида

Где Z(x,t) – поле, Z0 — равновесное состояние, x – пространство, t – время, d2Z/dt2 представляет изменение по времени изменения по времени Z (d2Z/dx2 — то же для пространства), c – универсальное ограничение скорости (часто называемое «скоростью света»), а νmin — минимально допустимая частота для волны в поле. Некоторые поля удовлетворяют уравнению класса 0, которое представляет собой просто уравнение класса 1, в котором величина νmin нулевая. У кванта такого поля масса

Где h – постоянная Планка. Иначе говоря,

Всё это верно лишь до определённого предела. Если бы все поля удовлетворяли уравнениям класса 0 или класса 1, во Вселенной ничего бы не происходило. Кванты бы просто летали друг мимо друга и ничего не делали. Ни рассеяния, ни столкновений, ни формирования таких интересных вещей, как протоны или атомы. Так что давайте введём распространённое, интересное и требуемое согласно экспериментам дополнение.

Представим себе два поля, S(x,t) и Z(x,t). Представьте, что уравнения движения для S(x,t) и Z(x,t) будут изменёнными вариантами уравнений класса 1 и 0 соответственно, то есть, частицы S будут массивными, а частицы Z – безмассовыми. Пока предположим, что равновесные значения S0 и Z0 нулевые.

Усложним уравнения образом, повсеместно присутствующим в реальном мире. Конкретно, в них присутствуют дополнительные члены, в которых S(x,t) перемножается с Z(x,t).

Напомню, что S и Z служат сокращением для S(x,t) и Z(x,t), меняющихся в пространстве и времени. Всё остальное (c, h, y, mS) – константы, не зависящие от пространства и времени. Параметр у – число, обычно между 0 и 1, называемое «параметром Юкавы» по историческим причинам.

Почти во всех случаях в физике частиц отклонения полей S(x,t) и Z(x,t) от их равновесных состояний S0 и Z0 чрезвычайно малы. Поскольку мы предполагаем, что S0=0 и Z0=0, это значит, что S и Z сами по себе малы: у любых волн в S и Z будут малые амплитуды (обычно они будут состоять из одного кванта) и хотя спонтанные квантовые возмущения происходят постоянно (их часто называют виртуальными частицами и описывают в статьях о частицах и полях как квантовую дрожь), эти возмущения также малы по амплитуде (хотя иногда очень важны). Если S – мало, Z – мало, тогда S Z реально мало. Поскольку у невелико, то члены y2 S Z2 и y2 S2 Z достаточно малы, чтобы во многих случаях их можно было игнорировать.

Конкретно их можно игнорировать при подсчёте массы «частиц» (то есть, квантов) S и Z. Чтобы понять, что собой представляет частица S, нам нужно рассмотреть волну S(x,t), считая при этом Z(x,t) очень малой. Чтобы понять, что собой представляет частица Z, нам нужно рассмотреть волну Z(x,t), считая при этом S(x,t) очень малой. Как только мы проигнорируем дополнительные члены y2 S Z2 и y2 S2 Z, оба поля S и Z будут удовлетворять простым уравнениям движения класса 0 или 1, с которых мы и начали, из которых мы выводим, что у частицы S масса равна mS, а у частицы Z масса равна нулю.

Теперь представьте мир, в котором Z0 равно нулю, а S0 — нет. Мы немного меняем уравнения:

Опять-таки, S и Z – функции от пространства и времени, но всё остальное, включая S0, константы. В таком случае Z(x,t) очень мало, но S(x,t) – нет! В таких случаях полезно бывает записать

Где s – вариация S от равновесного состояния S0. Мы можем сказать, что s(x,t) – сдвинутая версия поля S(x,t). Утверждение о том, что поля в физике частиц большую часть времени остаются вблизи своих равновесных состояний эквивалентно тому, что s(x,t) очень мало, а не тому, что S(x,t) очень мало. Подставляя последнее уравнение в набор двух уравнений для S и Z, и помня, что S0 — константа, поэтому d S0/dt = 0 и dS0/dx = 0, мы получим:

Как и раньше, если нам нужно узнать массы квантов полей S и Z, мы можем отбросить любой член уравнений, в котором содержится перемножение двух или более малых полей – члены вроде Z2 или s Z2 или sZ или s2Z. Давайте посмотрим, что останется, если мы оставим только члены, в которые входит только одно поле:

(“+ …” напоминает нам о том, что мы кое-что исключили). Уравнение для поля s не сильно изменилось, поскольку все новые члены, y2[S0+s]Z2 содержат по меньшей мере две степени Z. Но в уравнении для поля Z мы не можем игнорировать член y2[S0+s]2Z, поскольку в нём содержится член вида y2S02Z, содержащий только одно поле. Следовательно, хотя квант поля S всё ещё удовлетворяет уравнению класса 1 и обладает массой mS, квант поля Z уже не удовлетворяет уравнению класса 0! Он теперь удовлетворяет уравнению класса 1:

Следовательно квант поля Z теперь обладает массой!

Из-за простых взаимодействий полей S и Z с силой y, ненулевое значение равновесия S0 для поля S придаёт кванту Z массу, пропорциональную y и S0.

Ненулевое значение поля S придало массу частице поля Z!

Мелкий шрифт: даже если по какой-то причине масса mZ частицы Z изначально была ненулевой, тогда масса частицы Z сдвинется.

(напомню, что x1/2 означает то же самое, что √x).

Вот так, по сути, поле Хиггса H(x, t) и придаёт массу частицам. Оказывается, что для всех известных частиц σ (кроме самой частицы Хиггса) уравнение движения для соответствующего ей поля Σ(x, t) – это уравнение класса 0, что, на первый взгляд, говорит о том, что частица σ безмассовая. Однако в уравнениях движения у многих таких полей существуют дополнительные члены, включая и член вида

Где yσ — параметр Юкавы, свой для каждого поля, обозначающий силу взаимодействия между полями H и Σ. В таких случаях ненулевое среднее значение поля Хиггса H(x,t) = H0 сдвигает минимальную частоту волн Σ, а, следовательно, и массу частиц σ, от нуля до ненулевого значения: . Разнообразие параметров Юкавы для различных полей природы приводит к разнообразию масс среди «частиц» (точнее, квантов) природы.

Обратите внимание, что частица Хиггса не имеет к этому никакого отношения. Частица Хиггса – квант поля Хиггса – рябь минимальной энергии в H(x,t), небольшая волна, зависящая от пространства и времени. Массу другим известным частицам природы придаёт ненулевая константа равновесия поля Хиггса, H(x,t) = H0, простирающегося по всей Вселенной. Эта вневременная и вездесущая константа очень отличается от частиц Хиггса, представляющих собой рябь, меняющуюся в пространстве и времени, локализованную и эфемерную.

Такова основная идея. В этой статье я не раскрыл множество очевидных вопросов – почему в уравнениях обязательно будут члены, включающие произведения двух или более полей (о важности этих членов можно почитать тут)? Почему известные частицы были бы безмассовыми, если бы не было поля Хиггса? Почему у поля Хиггса равновесное значение ненулевое, хотя это не так для большинства остальных полей? Как ко всему этому относится частица Хиггса? В следующих статьях я постараюсь раскрыть эти и другие темы.

habr.com

Поле Хиггса Википедия

Поле Хиггса или хиггсовское поле — поле, обеспечивающее спонтанное нарушение симметрии электрослабых взаимодействий благодаря нарушению симметрии вакуума, названо по имени разработчика его теории, британского физика Питера Хиггса. Квант этого поля — хиггсовская частица (хиггсовский бозон).

Наличие хиггсовского поля является неотъемлемой частью Стандартной модели (теории Вайнберга — Салама), объединившей слабое и электромагнитное взаимодействия. С помощью этого поля объясняется наличие инертной массы частиц-переносчиков слабого взаимодействия[уточнить] (W- и Z-бозоны) и отсутствие массы у частицы-переносчика сильного (глюон) и электромагнитного взаимодействия (фотон).

После открытия бозона Хиггса поле Хиггса стали называть пятым фундаментальным взаимодействием[1].

Вакуумное среднее равно 240 ГэВ[2].

Кварки одного поколения были бы неразличимы, если бы не поле Хиггса[3].

Хиггсовский бозон[ | код]

Предсказанные Стандартной моделью W- и Z-бозоны обладают параметрами, совпадающими с полученными экспериментально с очень высокой точностью. Но о массе хиггсовского бозона эта модель ничего не говорит, и для ответа на вопрос о массе хиггсовской частицы и связанных с ней параметрами хиггсовского поля необходимы экспериментальные исследования.

С появлением Большого адронного коллайдера, который в сентябре 2008 года был введён в строй в ЦЕРНе (Швейцария), были связаны надежды на обнаружение хиггсовского бозона. 4 июля 2012 года, на научном семинаре ЦЕРНа, проходившем в рамках научной конференции ICHEP 2012 в Мельбурне[4], были изложены предварительные результаты экспериментов ATLAS и CMS по поиску бозона Хиггса на LHC за первую половину 2012 года. Оба детектора наблюдали новую частицу с массой около 125—126 ГэВ/c² с уровнем статистической значимости 5 сигма. Предполагается что данная частица — бозон, при этом она — самый тяжёлый из когда-либо обнаруженных бозонов[5][6]. На семинар были приглашены физики Франсуа Энглер, Карл Хаген[en], Питер Хиггс и Джеральд Гуральник[en], которые являются одними из «авторов» механизма Хиггса[7].

14 марта 2013 года отдельные исследователи из ЦЕРНа высказали уверенность, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса[8].

См. также[ | код]

Ссылки[ | код]

Примечания[ | код]

ru-wiki.ru

Поле Хиггса Википедия

После открытия бозона Хиггса поле Хиггса стали называть пятым фундаментальным взаимодействием[1].

Вакуумное среднее равно 240 ГэВ[2].

Кварки одного поколения были бы неразличимы, если бы не поле Хиггса[3].

Хиггсовский бозон

См. также

Ссылки

Примечания

wikiredia.ru

Поле Хиггса - это... Что такое Поле Хиггса?

Поле Хиггса или хиггсовское поле — гипотетическое поле, названное в честь английского физика Питера Хиггса, обеспечивающее спонтанное нарушение симметрии электрослабых взаимодействий благодаря нарушению симметрии вакуума. Квант этого поля — хиггсовская частица (хиггсовский бозон).

Наличие хиггсовского поля является неотъемлемой частью Стандартной модели (теории Вайнберга — Салама), объединившей слабое и электромагнитное взаимодействия. С помощью этого поля объясняется наличие массы частиц-переносчиков слабого взаимодействия (W- и Z-бозоны) и отсутствие массы у частицы-переносчика электромагнитного взаимодействия (фотон).

Предсказанные Стандартной моделью W- и Z-бозоны обладали параметрами, совпадающими с полученными с очень высокой точностью. Но о массе хиггсовского бозона эта модель ничего не говорит, и для ответа на вопрос о массе хиггсовской частицы и связанных с ней параметрами хиггсовского поля необходимы экспериментальные исследования.

С появлением ускорителей нового поколения, особенно LHC (Большой адронный коллайдер), который в сентябре 2008 года был введён в строй в ЦЕРНе (Швейцария), ученые надеются обнаружить хиггсовский бозон и изучить взаимодействия различных частиц с полем Хиггса.

4 июля 2012 года, на научном семинаре CERN, проходившем в рамках научной конференции ICHEP 2012 в Мельбурне[1], были изложены предварительные результаты экспериментов ATLAS и CMS по поиску бозона Хиггса за первую половину 2012 года. Оба детектора наблюдали новую частицу с массой около 125—126 ГэВ с уровнем статистической значимости 5 сигма.

Предполагается что данная частица — бозон, при этом она — самый тяжёлый из когда-либо обнаруженных бозонов[2][3]. На семинар были приглашены физики Франсуа Энглер, Карл Хаген, Питер Хиггс и Джеральд Гуральник, которые являются одними из «авторов» механизма Хиггса[4].

Примечания

См. также

Внешние ссылки

dic.academic.ru

ХИГГСА ПОЛЕ - это... Что такое ХИГГСА ПОЛЕ?

Поле Хиггса — или хиггсовское поле гипотетическое поле, названное в честь английского физика Питера Хиггса, обеспечивающее спонтанное нарушение симметрии электрослабых взаимодействий благодаря нарушению симметрии вакуума. Квант этого поля … … Википедия

ХИГГСА МЕХАНИЗМ — механизм возникновения массы у калибровочного поля вследствие спонтанного нарушения локальной симметрии [1 3]. При спонтанном нарушении локальной симметрии (см. Спонтанное нарушение симметрии )безмассовые голдстоуновские бозоны не появляются в… … Физическая энциклопедия

Поле (физика) — У этого термина существуют и другие значения, см. Поле (значения). Поле в физике физический объект, классически описываемый математическим скалярным, векторным, тензорным, спинорным полем (или некоторой совокупностью таких математических полей),… … Википедия

Хиггсовское поле — Поле Хиггса или хиггсовское поле, названное в честь английского физика Питера Хиггса, предполагаемое поле, обеспечивающее спонтанное нарушение симметрии электрослабых взаимодействий благодаря нарушению симметрии вакуума. Квант этого поля … … Википедия

Механизм Хиггса — Стиль этой статьи неэнциклопедичен или нарушает нормы русского языка. Статью следует исправить согласно стилистическим правилам Википедии. Хиггсовский механизм или механизм Хиггса (точнее, механизм Андерсона Хиггса), предложенный ан … Википедия

Механизм Андерсона-Хиггса — Хиггсовский механизм или механизм Хиггса (точнее, механизм Андерсона Хиггса), предложенный английским физиком Питером Хиггсом в 1964 г. и основанный на предположении Филиппа Андерсона, теория, которая описывает, как приобретают массы все… … Википедия

История поисков бозона Хиггса — 4 июля 2012 года физики Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) объявили об открытии частицы, по своим параметрам очень похожей на бозон Хиггса (Higgs boson), последнего составного элемента основной физической теории Стандартной… … Энциклопедия ньюсмейкеров

Скалярное поле — Если каждой точке M некоторой области некоторого пространства (чаще всего подразумевается, что размерность этого пространства больше единицы) поставлено в соответствие некоторое (обычно действительное) число u, то говорят, что в этой… … Википедия

СПОНТАННОЕ НАРУШЕНИЕ СИММЕТРИИ — самопроизвольное нарушение симметрии, выражающееся в том, что физ. система, описываемая ур ниями движения, к рые обладают нек рой симметрией, находится в состоянии, лишённом этой симметрии. С. н. с. происходит в тех случаях, когда симметричное… … Физическая энциклопедия

Хиггсовский механизм — или механизм Хиггса (точнее, механизм Андерсона Хиггса), предложенный английским физиком Питером Хиггсом в 1964 г. и основанный на предположении Филиппа Андерсона, теория, которая описывает, как приобретают массы все элементарные частицы.… … Википедия

dic.academic.ru

Вопросы и ответы по поводу частицы Хиггса / Хабр

Что такое частица Хиггса?

Знаете ли вы, что такое частица? Поле? Если нет, давайте разбираться.

Поле – это нечто,

1. что присутствует повсеместно в пространстве и времени, 2. способно принимать нулевое или ненулевое значение, 3. что способно порождать в себе волны. 4. А если это квантовое поле, тогда эти волны состоят из частиц.

К примеру: электрическое поле – это часть природы, и его можно найти повсюду. В любой заданной точке пространства в любой момент времени его можно измерить. Если в каком-то районе пространства в среднем оно ненулевое, оно может оказывать физическое влияние – поднимать ваши волосы или приводить к появлению искр. Электрическое поле может порождать волны, в которых величина поля периодически становится больше и меньше – к примеру, такой волной является видимый свет, рентгеновские лучи, радиоволны, и всё остальное, что мы в целом зовём «электромагнитными волнами».

Так что такое частица?

Интенсивность волн квантового поля не может быть любой. Они не могут быть произвольно «слабыми» или «тихими». Волна наименьшей интенсивности, которую способно распространять поле, называется «квантом» или «частицей». Часто они ведут себя примерно так, как вы интуитивно представляете себе частицы – двигаются по прямым линиям и отскакивают от разных вещей, поэтому мы и назвали их частицами. В случае с электрическим полем его частицы называют «фотонами». Они представляют собой самую слабую из возможных вспышек. Ваш глаз может поглощать свет по одному фотону за раз (хотя обычно для отправки сигнала в мозг глаз ждёт прибытие нескольких фотонов подряд). Лазер производит очень интенсивные волны, но если заслонить от него экраном так, чтобы через него проходила малая часть света, можно обнаружить, что свет проходит через экран мелкими всплесками – одиночными фотонами – и все они одинаково тусклые.

Я вроде понял. Волна Хиггса – это возмущение поля Хиггса, а частица Хиггса – это мельчайшая, наиболее слабая волна.

Именно. Извините за такую короткую версию истории. В следующих статьях будут объяснения по поводу частиц с использованием математических выкладок и физических основ.

Почему специалисты по физике частиц так интересуются частицей Хиггса?

На самом деле, они не интересуются ей. Их интересует поле Хиггса, оно чрезвычайно важно для них.

Почему поле Хиггса так важно?

Поле Хиггса, в отличие от большинства элементарных полей природы, обладает ненулевым средним значением по всей Вселенной. Из-за этого у многих частиц есть масса, включая электрон, кварки, и частицы слабого взаимодействия W и Z. Если бы среднее значение поля Хиггса было нулевым, эти частицы были бы безмассовыми или очень лёгкими. Это было бы катастрофой; атомы и атомные ядра дезинтегрировали бы. Ничто, подобное людям или Земле, на которой мы живём, не могло бы существовать без ненулевого среднего значения поля Хиггса. Наши жизни зависят от него.

Что нам известно по поводу поля Хиггса?

Почти ничего. В основном то, что оно есть, и что его значение не равно нулю. У нас есть кое-какая информация по поводу того, как оно взаимодействует с материей, но не слишком много. Недавнее открытие того, что может быть его возмущением – частицы Хиггса – может дать нам дополнительные сведения.

Если поле Хиггса так важно, почему же так много шума вокруг частицы Хиггса?

С одной стороны, найти частицу Хиггса (или нечто вместо неё – подробности ниже) – это простейший (и, вероятно, единственный) способ для физиков изучить поле Хиггса – а именно это нам и надо. В этом смысле обнаружение частицы Хиггса – первый большой шаг к основной цели: пониманию свойств поля Хиггса и причин его ненулевого среднего значения.

С другой стороны, современные СМИ настаивают на раздувании шумихи. И поскольку объяснение поля Хиггса и его роли и связи с частицей Хиггса занимает слишком много места для типичного новостного сообщения, журналисты, а также общающиеся с ними люди, сокращают всю эту информацию. В результате всё внимание получает частица Хиггса, а несчастное поле Хиггса трудится в безвестности, защищая Вселенную от катастрофы и не получая заслуженного уважения…

Уверены ли физики в существовании поля Хиггса?

Да, хотя это момент нужно особо прокомментировать. На основе множества экспериментов и их успешных интерпретаций при помощи математических уравнений мы уверены, что существует некое поле с ненулевым средним значением, придающее массу электрону, частицам W, Z, и многим другим, и позволяющее существовать нашему миру и нам с вами. Доказательства неоспоримы. По умолчанию мы зовём это поле «полем Хиггса».

Но мы многого не знаем. К примеру: • Может существовать одно поле Хиггса, или их может быть несколько – каждое со своей частицей. • Поле Хиггса может оказаться композитом из нескольких других полей. В природе существуют такие примеры: если протон – это композитный объект, состоящий из кварков, антикварков и глюонов, то протонное поле – это композитное поле, состоящее из кварковых, антикварковых и глюонных полей. Нам неизвестно, элементарно ли поле Хиггса, так, как электрическое поле, или же это композитное поле, как у протона.

Единственный способ узнать количество полей Хиггса и их элементарность, а также то, как они взаимодействуют с известными нам частицами, и, возможно, с неизвестными – это провести эксперимент: Большой адронный коллайдер, или БАК.

Что такое «элементарный»?

К сожалению, ответ получается закольцованным: это значит «не композитный». Его нельзя разбить на более элементарные части. Точнее, его нельзя разбить на части при помощи имеющихся у нас технологий. (Раньше люди считали, что протоны элементарны. До того они думали, что атомы элементарны – отсюда и «Периодическая таблица элементов»).

Уверены ли физики в существовании частицы Хиггса?

Раньше мы не были в этом уверены, и её существование по сути доказал только эксперимент от июля 2012 года.

А в прошлом мы были уверены в том, что: 1. Существует по меньшей мере один тип частицы Хиггса, и мы найдем её (их) на БАК, или 2. Частицы Хиггса слишком быстро распадаются, чтобы мы могли их обнаружить, но только лишь оттого, что на них очень сильно влияют новые частицы и силы, которые мы сможем найти на БАК!

Теперь мы кое-что узнали: второй вариант оказался неверным. И хотя в природе могло и не быть частицы Хиггса, кажется, она существует. И теперь, чтобы больше узнать о поле Хиггса, нам нужно понять, бывают ли другие типы частиц Хиггса, и каковы свойства найденной частицы.

Пресса и многие физики утверждают, что БАК построили, чтобы искать частицу Хиггса. И раз уж её нашли, закончил ли БАК свою работу?

Всё это неправда. Правда, что БАК был построен, чтобы понять, что представляет собой поле (или поля) Хиггса, как оно работает и элементарное оно или композитное. Поиски частицы Хиггса – один из способов узнать это. Не нужно путать цели и средства. Конечная цель – понимание поля. Поиск и изучение частицы – это средства, и на БАК ещё много чего осталось сделать, включая изучение найденной частицы и возможные открытия новых.

А на самом ли деле нашли частицу Хиггса?

Точно можно сказать следующее: 1. Используя полученные в 2011 и начале 2012 года данные, учёные обнаружили на БАК новую частицу. 2. Эта частица пока ещё не очень хорошо изучена, но она ведёт себя так, как и ожидается от бозона Хиггса. 3. Она также ведёт себя соответственно тому, как должен вести себя простейший тип частиц Хиггса – т.н. частица Хиггса из Стандартной модели.

Пока учёные ведут дополнительные исследование этой частицы. Эти исследования также помогут нам в результате расширить наше понимание поля Хиггса. Кроме того мы будем продолжать поиски других частиц Хиггса, которые сложнее найти. То, что мы пока нашли одну, не означает, что их не может быть две, пять или двенадцать!

А вы правда, на самом деле, положа руку на сердце, торжественно клянётесь в том, что уверены, что в природе существует поле Хиггса?

Да, да, да. Я редко заявляю о чём-то в абсолютном ключе, но здесь я говорю «да». Если попытаться убрать поле Хиггса из математики, но оставить W, Z и другие тяжёлые частицы (такие, как верхний кварк), уже открытые нами и присутствующие в природе, то окажется, что математика Стандартной модели не имеет смысла. Получится теория, предсказывающая, что определённые процессы (включая те, что можно изучать на БАК) могут происходить с вероятностью большей, чем 1. А это невозможно и нелогично. Вероятность чего-либо, очевидно, не может быть больше одного или меньше нуля.

Вы можете удивиться, но очень тяжело составлять логически непротиворечивые теории. Большинство теорий начинают предсказывать события с вероятностью меньше нуля или больше единицы. Только очень малое их количество имеет смысл.

Чтобы восстановить Стандартную модель до рабочего состояния, необходимо добавить поле Хиггса, или что-то вроде него, к уже открытым в экспериментах полям. Но сделать это можно многими путями, и единственный способ определить, какой из них правильный – это проводить эксперимент, а именно – БАК!

Почему частицу Хиггса часто зовут «бозоном Хиггса»?

Все частицы в природе, элементарные или нет, можно разделить на два класса, фермионы и бозоны (хотя в некоторых твёрдых материалах встречаются очень странные исключения). Так получилось, что частица Хиггса – это бозон. Но с точки зрения того, что она делает и почему нам нужно её искать и изучать, это не так уж важно.

Почему частицу Хиггса называют «частицей бога»?

Потому что в СМИ считают, что это круто звучит и что это заставляет читателей обращать внимания на их статьи. Происхождение этого прозвища настолько нерелигиозное и ненаучное, насколько это можно себе представить: его придумали в качестве рекламы. Профессор, лауреат Нобелевской премии, Леон Ледерман, очень важный физик-экспериментатор, заслуживающий огромного уважения за вклад в науку, достоин также и всяческого порицания за то, что его книга про частицу Хиггса [The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?] получила такой броский заголовок. Он находится где-то между непристойностью и богохульством, в зависимости от вашего воспитания. Когда я, учась в институте, впервые услышал, как он использует это прозвище во время своей лекции, моя челюсть просто упала. Я уже тогда достаточно разбирался в физике, чтобы понять, насколько это было абсурдно.

Я никогда не видел и не слышал физика, упоминающего таким образом частицу Хиггса в любом контексте – в научной работе, в докладе на конференции, или даже в неформальной научной дискуссии. Ничто в математических уравнениях, в интерпретации физики, в любой из известных мне философий, в знакомых мне религиозных текстах и традициях, не объединяет частицу или поле Хиггса с понятиями религии или божества. Это прозвище придумали на пустом месте.

Лично я считаю, что ни наука, ни религия не должны быть разменными монетами в связи с тем, что книжным издательствам нужно продавать книги, а СМИ – статьи. Чем быстрее мы откажемся от этой идеи, тем лучше.

Я слышал, что частица Хиггса очень быстро распадается, так как же она может создать или поддерживать поле Хиггса? Из того, что я читал, вроде бы следует, что существует море частиц Хиггса, которые каким-то образом создают поле Хиггса. Но это не сработает, если частица Хиггса очень быстро прекращает существовать.

Поле Хиггса не нужно создавать в каком-либо процессе; оно просто есть, точно так же, как существует электрическое поле, везде и всегда.

У поля Хиггса ненулевое среднее значение (а у электрического – нулевое). Это ненулевое значение тоже просто «есть». Его не нужно создавать в каком-либо процессе. Это просто предпочтительное состояние Вселенной касательно поля Хиггса. Мы не знаем, почему так происходит, но для этого никто ничего не должен делать.

Не нужно представлять себе ненулевое значение поля Хиггса как море частиц Хиггса; это неправильно. Частица Хиггса – это возмущение поля минимальной интенсивности. Возмущение изменяется в пространстве и времени, как и любая волна. Но ненулевое значение поля Хиггса не меняется в пространстве и времени, это константа. Хорошая аналогия: плотность воздуха – это поле. У него есть постоянное среднее значение. Волны в воздухе – это звуковые волны. И нет смысла считать, что средняя плотность воздуха каким-то образом создаётся морем звуковых волн, мимолётных колебаний воздуха.

Частицы Хиггса формируются не спонтанно. Для этого нужно затратить энергию. Нужно использовать нечто вроде столкновения протонов на БАК, чтобы ударить поле Хиггса и заставить его вибрировать, точно так же, как вам нужно хлопнуть в ладоши, чтобы вызвать звук, ударить по поверхности озера, чтобы создать волну, или дёрнуть струну скрипки, чтобы она завибрировала. Так же, как волна гаснет через некоторое время, а струна скрипки перестаёт вибрировать, так и частица Хиггса распадается. Воздух, озеро, струна скрипки и поле Хиггса остаются после того, как вибрация рассеивается.

Тогда выходит, что частицы Хиггса не существуют в природе? Видимо, поэтому вы писали, что в комнате, где я нахожусь, нет частиц Хиггса, но у моих электронов масса имеется. А какую роль играет частица Хиггса в механизме массы? Я думал, что они как-то переносят взаимодействие, типа как W для слабого взаимодействия, но создаётся впечатление, что частица Хиггса для этого не подходит. А на одной лекции я спросил Фрэнка Клоуза, есть ли в комнате частицы Хиггса, и он упомянул, что они могут появиться, «заняв» на время энергию, а потом снова исчезнуть. Так что в комнате могут быть частицы Хиггса. Согласны ли вы с такой картиной?

Частица Хиггса не играет никакой роли в механизме массы. Массу различным частицам придаёт поле Хиггса – конкретно тот факт, что его среднее значение не равно нулю. Именно поле нам нужно понять, а не частицу. Частица – лишь средство для достижения цели.

Частица Хиггса – это возмущение поля Хиггса, и изучение частицы может дать нам представление о поле.

Виртуальные частицы Хиггса действительно присутствуют в комнате, но виртуальные частицы – это вообще не частицы, несмотря на то, что их так называют. Частицы Хиггса – это пристойно ведущие себя волны на поле Хиггса, а виртуальные «частицы» Хиггса – это более общий тип возмущений поля. У частиц Хиггса есть определённая масса, а у виртуальных частиц её нет. Так что Фрэнк Колуз не то, чтобы врал вам, но и выразился он не совсем правильно. Он рассказывал вам стандартную «ложь во благо», которую физики-теоретики обычно рассказывают общественности, но она настолько отличается от действительности, что ужасно запутывает людей – так что прошу вас не обращать на неё внимания.

Если масса создаётся, поскольку частицы взаимодействуют с полем Хиггса, двигаясь сквозь него, то что тогда двигается – поле или частица? Если частица статична по отношению к полю, теряет ли она массу?

Вне зависимости от того, как вы двигаетесь в пространстве, вы не двигаетесь относительно поля Хиггса. Это звучит странно, но вспомните ещё одну странность: вне зависимости от того, как вы двигаетесь, свет двигается относительно вас со скоростью 300 000 км/с. Наша интуиция неправильно работает с пространством и временем – то, о чём догадался Эйнштейн – и также могут существовать поля, находящиеся в покое относительно всех наблюдателей!

Поэтому масса частицы остаётся постоянной вне зависимости от того, что она делает – покоится относительно вас или двигается. И это важно, поскольку частица всегда покоится относительно себя самой. Поэтому с её точки зрения её масса должна сохраняться.

Аналогии, описывающие связь массы частицы с полем как движение через патоку или заполненную людьми комнату, не лишены проблем, поскольку из них следует, что частица должна двигаться, чтобы испытывать влияние поля Хиггса, хотя на самом деле это не так.

Поскольку гравитация притягивает вещи пропорционально их массе, и поскольку поле Хиггса отвечает за наличие массы у всех вещей, то очевидно должна быть какая-то глубинная связь между Хиггсом и гравитацией, не так ли?

Весьма разумная догадка, но совершенно неправильная. Проблема в том, что это утверждение комбинирует представление о гравитации XVII века, которое давно уже было пересмотрено, с чрезмерно упрощённым понятием конца XX века о происхождении масс частиц. Давайте-ка я войду в роль преподавателя и исправлю предыдущее утверждение:

Поскольку гравитация притягивает вещи пропорционально комбинации их энергии и импульса, и поскольку поле Хиггса отвечает за наличие массы не у всего, а только у известных элементарных частиц, за исключением самой частицы Хиггса, то между Хиггсом и гравитацией нет никакой связи.

Поясню исправления.

Когда вы впервые сталкиваетесь с понятием гравитации в школе, вы учите закон Ньютона: сила притяжения между двумя объектами, массой M1 и M2, пропорциональна произведению M1 M2.

Но это было до Эйнштейна. Оказывается, что закон Ньютона нужно пересмотреть: Эйнштейновская формулировка примерно соответствует тому, что для двух медленно движущихся объектов (их относительная скорость гораздо меньше скорости света с), с энергиями Е1 и Е2, сила их притяжения пропорциональна произведению Е1 Е2.

Как же эти утверждения сочетаются друг с другом? Эйнштейн и его последователи установили, что для любого обычного объекта соотношение между его энергией Е, импульсом p и массой М (она называется «массой покоя», но специалисты по физике частиц называют её просто «массой») следующее:

Для медленно движущегося объекта p ≈ Mv (v – его скорость), и pc ≈ Mvc гораздо меньше, чем Mc2. Следовательно,

(то есть для медленных объектов E ≈ M c2).

Поскольку планеты, луны и искусственные спутники двигаются относительно друг друга и Солнца со скоростями гораздо меньшими, чем 0,1% от с, то гравитационное притяжение между ними пропорционально

А так как с – константа, то для таких объектов законы притяжения Эйнштейна и Ньютона полностью совпадают. Сила пропорциональна произведению энергий и произведению масс, поскольку они пропорциональны друг другу.

Но у объектов, двигающихся с высокими скоростями, или для объектов, испытывающих сильное гравитационное притяжение (что быстро приведёт к увеличению их скорости) Эйнштейновский закон притяжения включает сложную комбинацию импульса и энергии, в которой масса не проявляется непосредственно. Поэтому Эйнштейновская гравитация притягивает и такие вещи, как свет, состоящий из безмассовых фотонов. И поэтому гравитационные волны – волны в пространстве и времени, не обладающие, на манер света, массой – могут формироваться объектами, движущимися по орбите друг вокруг друга. Проще говоря, закон гравитации Эйнштейна, подтверждённый экспериментально, значительно отличается от закона Ньютона, в частности, в нём первостепенную роль играет не масса, а энергия и импульс. И у всех объектов, вне зависимости оттого, из чего они сделаны или как они двигаются, есть энергия – поэтому всё во Вселенной влияет через гравитацию на всё остальное. Мы говорим, «гравитация – универсальное взаимодействие».

А что насчёт того, что поле Хиггса отвечает за всю массу во Вселенной? Это утверждение, часто встречающееся в прессе или в популярных статьях, неверно.

А каково будет верное утверждение? Есть список известных нам элементарных частиц. Массой не обладают:

• фотоны, • глюоны, • гравитоны (их наличие пока только предполагается).

Массой обладают:

• W и Z частицы, • кварки: верхний, нижний, очарованный, странный, прелестный, истинный, • заряженные лептоны: электроны, мюоны, тау, • нейтрино: три типа (по меньшей мере два из них обладают массой), • недавно открытая частица массы 125 ГэВ/с2, которую можно считать частицей Хиггса некоего типа.

Частицы W и Z, кварки, заряженные лептоны и нейтрино действительно должны обладать массой благодаря полю Хиггса. По-другому они массу получить не могут. Но для самой частицы Хиггса это не так.

Масса у частицы Хиггса существует не только благодаря полю Хиггса!

А откуда же она берётся? Это долгая история, заканчивающаяся не ответом, а вопросом. Пока я не буду на неё останавливаться, скажу лишь, что у массы частицы Хиггса нет простого, понятного и единственного источника, и её удивительно малая масса – это одна из граней огромной головоломки под названием «проблема иерархии».

В любом случае, поле Хиггса – не универсальный источник массы для всех элементарных частиц. Частица Хиггса получает часть своей массы из какого-то другого источника. И вероятно, не только она. Очень возможно, что тёмная материя состоит из частиц, и что эти частицы тоже получают часть своей массы из другого источника. Тёмная материя, по мнению большинства физиков и астрономов, составляет большую часть материи во Вселенной. Считается, что она отвечает за большую часть массы галактики Млечный путь, в которой обитаем и мы. И поле Хиггса, скорее всего, вносит малый вклад в эту массу.

Другие объекты получают свою массу из источников, не связанных с частицей Хиггса. Большая часть массы атома содержится в ядре, а не в лёгких электронах снаружи. Ядро состоит из протонов и нейтронов – мешков с пойманными в них кварками, антикварками и глюонами. Эти кварки, антикварки и глюоны мечутся в их крохотных тюрьмах с огромными скоростями, и масса протона и нейтрона существует благодаря этим энергиям, а также энергии, необходимой на удержание кварков и всего остального, и массам самих кварков и антикварков, содержащихся в мешке. Поэтому массы протона и нейтрона не происходят преимущественно из поля Хиггса. Так что масса Земли и Солнца изменилась бы незначительно, если бы поля Хиггса не было – если бы в его отсутствие они не развалились.

А чёрные дыры, одни из наиболее массивных объектов Вселенной, находящиеся в центре почти всех галактик, в принципе могут состоять из безмассовых объектов. В принципе, чёрную дыру можно полностью сделать из фотонов. На практике большая часть чёрных дыр сделана из обычной материи, но масса обычной материи в основном зависит от атомных ядер, а их масса, как мы уже отметили, не полностью зависит от поля Хиггса.

Как ни крути, а поле Хиггса – не универсальный источник массы для всех объектов Вселенной – ни для обычной материи, ни для тёмной материи, ни для чёрных дыр. Оно даёт массу большинству известных фундаментальных частиц, и его наличие критично для существования атомов. Но интересных гравитационных эффектов во Вселенной было бы предостаточно и без поля Хиггса. В ней просто не было бы атомов и людей, которые бы их изучали.

Наконец, можно спросить, есть ли в каких-либо уравнениях математическая связь между гравитацией и полем Хиггса. Ответ: нет. У гравитационных полей спин равен 2, они описываются как часть пространства и времени. Они взаимодействуют со всеми частицами и полями. У поля Хиггса спин равен 0, взаимодействует оно напрямую с элементарными частицами и полями, участвующими в электромагнитных и слабых взаимодействиях.

Так что, мысль о связи Хиггса и гравитации естественна для человека, не являющегося экспертом, но наивна. Она проистекает из неправильного понимания:

• Поля Хиггса, которое не обладает универсальным действием. Оно придаёт массу большинству известных элементарных частиц, но не частице Хиггса, не протонам и нейтронам, не тёмной материи (скорее всего) и чёрным дырам; • Эйнштейновской гравитации, универсальной, и работающей с энергией и импульсом, но не непосредственно с массой, притягивающей протоны и нейтроны, тёмную материю и чёрные дыры, хотя их массы существуют не только благодаря полю Хиггса.

Получается, что несмотря на поверхностное сходство, связь между гравитацией и Хиггсом весьма слаба.

Если мы ищем причины, по которым элементарные частицы обладают определённой массой, почему же мы не ищем причин, по которой они обладают определёнными зарядом и спином?

Мы их ищем. Но в квантовой теории поля (в уравнениях, использующихся в физике частиц) масса очень сильно отличается от заряда и спина. Заряд и спин частиц фиксированы и определены. А масса способна плавно меняться от нуля и до ненулевых значений, и во втором случае точная масса определяется, сложным квантово-механическим способом, через усилие и природу взаимодействий этой частицы со всеми остальными. Поэтому вопрос о том, откуда берётся масса и величина взаимодействий в природе сильно отличается от вопроса, откуда берутся заряд и спин.

Было ли значение поля Хиггса ненулевым всегда?

Это зависит от истории Вселенной, которую мы ещё недостаточно хорошо изучили. Вполне возможно, что в какой-то весьма короткий промежуток времени Вселенная была очень горячей и величина поля Хиггса была близка к нулю. Возможно даже, что какое-то короткое время все известные нам поля были перемешаны до неузнаваемости (что может произойти в другом вакууме ландшафта полей, который иногда называют "ландшафтом теории струн"). А может, это происходило и долгое время. История Вселенной до Большого взрыва может быть очень короткой или очень длинной, нам это неизвестно.

Но поле Хиггса было ненулевым с того момента, как Вселенная охладилась до нескольких миллиардов градусов – а это произошло через малую долю секунды после Большого взрыва.

Почему уравнения Стандартной модели не дают предсказания точной массы частицы Хиггса?

В уравнениях Стандартной модели можно найти несколько неизвестных констант. Сюда входит сила электромагнитного, слабого и сильного ядерных взаимодействий, и значения, определяющие массы известных частиц (после того, как поле Хиггса становится ненулевым). Несколько других констант определяют распад некоторых частиц. И, наконец, не определена масса частицы Хиггса.

Большинство этих значений определяется не через уравнения, а через эксперименты. Вы можете спросить, предсказывает ли Стандартная модель вообще что-нибудь, раз уж столько всего нужно было выяснять в экспериментах. Ответ будет: О да, ещё как!!! Нам действительно нужно сначала измерить порядка 20 значений, но затем Стандартная модель выдаёт тысячи успешных предсказаний для огромного разнообразия экспериментов. К примеру, она предсказывает массы частиц W и Z, и как часто они возникают в экспериментах на Большом электрон-позитронном коллайдере, Большом адронном коллайдере и Тэватроне. Она предсказывает скорость и результат распада частиц, то, как именно распадаются все частицы материи, магнитный отклик [magnetic response] электрона до 12 знаков после запятой, и мюона до 8-и, то, как часто и каким образом возникают верхние кварки, и как они распадаются…

Получить тысячи успешных предсказаний на основе 20 измерений – означает, достичь большого успеха. Конечно, мы хотим знать, откуда берутся эти 20 значений, и надеемся, что БАК или другие эксперименты дадут нам ответы.

Также нужно иметь в виду, что Стандартная модель содержит простейшую из возможных версий описания поля Хиггса, и она может не совпадать с тем, что реально существует в природе. Нам нужно не только разобраться с массой Хиггса, но и проверить, как она ведёт себя в реальности.

habr.com