Відкрити головне меню

Бозон Хіггса

елементарна частинка, квант поля Гіґґса

Бозон Хіггса  — елементарна частинка, квант поля Хіггса, що з необхідністю виникає в Стандартній моделі внаслідок хіггсового механізму, спонтанного порушення електрослабкої симетрії. Передбачений британським фізиком-теоретиком Пітером Хіггсом у 1964 році. Про відкриття було заявлено у 2012 році після аналізу результатів роботи Великого адронного колайдера. Бозон Хіггса є єдиною відомою скалярною елементарною частикою, тобто такою, що має спін 0 і парність +1[2]. Його маса 125,09 ГеВ — приблизно у 130 разів більша за масу протона.

Бозон Хіггса
CMS Higgs-event.jpg
Теоретичне моделювання: сигнатура бозона Хіггса при зіткненні протонів.
Склад: елементарна частинка
взаємодії: слабка
Передбачена: Пітер Хіггс (1964)
Відкрита: Великий адронний колайдер (2012)
Символ: H0
Число типів: 1 (на 2019 рік)
Маса: 125.09±0.24 ГеВ[1]
Час життя: 1.56×10−22 с
Розпадається на: кварки, векторні бозони, лептони, фотони та інші частинки
Електричний заряд: 0
Кольоровий заряд: 0
Спін: 0

НазваРедагувати

В українській мові не усталилась передача англійського прізвища Higgs. Тому зустрічаються різні варіанти іменування частинки: бозон Хіггса, бозон Гіггса[3][4], бозон Гіґґза, бозон Гіґґса, бозон Гікса, Гіґґсівський бозон тощо.

ІсторіяРедагувати

Складності побудови теорії слабкої взаємодіїРедагувати

У 1918 році німецький математик Герман Вейль розробив концепцію калібрувальної симетрії[en], а вже у 1920-х роках її було застосовано у квантовій механіці — було показано, що, для того, щоб рівняння Шредінгера для вільного електрона було симетричним відносно зміни фази хвильової функції всіх частинок на одну й ту ж величину (калібрувально інваріантним), потрібно додати в нього ще один член, властивості якого збігалися з властивостями електромагнітного поля. Також, за теоремою Нетер, ця симетрія пов'язана з законом збереження електричного заряду[5].

У 1934 році Вернер Гейзенберг висловив ідею ізотопічної інваріантності — підхід, що дозволяв розглядати протон і нейтрон як два стани однієї частинки, що відрізняються проекціями величини, що отримала назву ізотопічний спін у деякому ізотопічному просторі.

У 1954 році Чженьнін Янг і Роберт Міллс спробували використати схожий підхід для описання перетворення у просторі ізоспінів. Іншими словами, вони хотіли знайти калібрувальні перетворення, що зберігали б ізоспінову симетрію — таку як симетрію протона і нейтрона. Виявилося, що такі перетворення породжують нові поля, що переносяться квантами трьох типів — два заряджених і один нейтральний. Всі три бозони мали бути безмасовими і мати спін 1[5]. Вимога безмасовості виникає через те, що слабка взаємодія залежить від спіральності частинки, тобто проекції її спіну на напрямок руху, а якщо частинка рухається зі швидкістю меншою за швидкість світла, завжди можна знайти систему відліку, у якій напрямок руху змінюється на протилежний, а спін лишається тим самим[6]. Нове поле отримало назву B-поле.

Втім, скоро стало зрозуміло, що експерименти не підтверджують існування B-поля — таке поле мало б бути далекодійним, а самі безмасові заряджені бозони було б легко отримати в експерименті, проте їх слідів не було знайдено.

З іншого боку, на початку 1960-х почалася вестися активна робота з побудови теорії слабкої взаємодії, оскільки чотириферміонна модель, побудована Фермі у 1933 році не піддавалася процесу перенормування[7].

У 1961 році американський фізик Шелдон Глешоу розробив модель, що об'єднувала електромагнітну і слабку взаємодію, проте також зіткнувся з появою у теорії безмасових заряджених бозонів. Через деякий час, пакистанський фізик Абдус Салам який займався цим питанням незалежно від Глешоу, запропонував вирішення проблеми мас носіїв слабкої взаємодії за допомогою механізму спонтанного порушення симетрії, і зацікавив своєю ідеєю Стівена Вайнберга, що почав працювати з ним. Проте у 1961 році Джеффрі Ґолдстоун[en] показав, що спонтанне порушення симетрії завжди призводить до виникнення безмасових бозонів (Бозон Ґолдстоуна). Але того ж року Намбу Йоїтіро навів контрприклад — перехід до надпровідного стану, при якому не виникає ніяких нових безмасових частинок, хоча і відбувається спонтанне порушення симетрії. Це дало надію, що можуть існувати і інші калібрувальні поля з локальною симетрією, що не підкоряються теоремі Ґолдстоуна.

Теоретичне передбаченняРедагувати

У 1962 році Філіп Андерсон показав, як симетрія може порушуватись без виникнення безмасових частинок, проте лише у нерелятивістському випадку[8], а у 1964 році Франсуа Англер і Роберт Броут[en][9], незалежно від них Пітер Хіггс[10], а також, пізніше того ж року, і також незалежно, Джеррі Гуральник[en], Карл Хаген[en] і Том Кіббл[en][11] запропонували механізм, що вирішував всі вищезгадані проблеми. Передбачалося існування нового комплексного скалярного поля, що має ненульове вакуумне очікуване значення. Таке поле можна представити у вигляді комбінації чотирьох дійсних скалярних полів[12]. Взаємодія з цим полем порушує симетрію електрослабкої взаємодії, і ламає три генератора групи  , що відповідає їй[13]. Три види ґолдстоунівських бозонів, що виникають при цьому, поєднуються з безмасовими W- і Z-бозонами, надаючи їм масу, а також ще одне можливе значення поляризації (на відміну від фотона, що може мати лише 2 значення проекції спіна, масивні бозони можуть мати проекцію спіна, рівну нулю)[6]. Ще один бозон, що виникає при цьому, не поєднується ні з чим, а може бути знайдений експериментально. Пізніше було показано, що той самий механізм дає маси не тільки важким векторним бозонам, а й лептонам і кваркам.

Стаття Хіггса спочатку не була прийнята в Physical Review. Тоді він вислав її у Physical Review Letters, проте в той день (31 серпня), коли його лист надійшов до журналу, там була опублікована стаття Енглерта і Броута на ту ж тему. Тоді Хіггс переробив свою статтю, додавши в кінці передбачення про існування важкого скалярного бозону[14]. Через це, бозон отримав ім'я Хіггса, тоді як поле часто називають поле Броута — Англера — Хіггса[15].

У 1967 році Вайнберг зміг імплементувати механізм Хіггса у теорію електрослабкої взаємодії, а у 1971 році Мартінус Велтман и Герард 'т Гофт показали, що ця теорія є перенормованою, а отже має фізичний сенс[5].

Експериментальні підтвердженняРедагувати

Першим велике підтвердження теорія електрослабкої взаємодії отримала в 1973 році, після реєстрації нейтральних струмів, що підтверджувало припущення про існування нейтрального Z-бозону.

У 1983 році у ЦЕРНі W±бозони і Z0-бозон були остаточно відкриті, а їх маси співпадали з передбачуваними[16].

Весь цей час паралельно велися пошуки і бозону Хіггса. Оскільки теорія ніяк не передбачала його власну масу (з деяких загальних міркувань можна було припустити, що вона більша за 4 ГеВ і менша за 1 ТеВ[17]), єдиним способом знайти цей бозон було будування все більших і більших прискорювачів.

У 1989 році був запущений Великий електрон-позитронний колайдер (LEP). Він працював до 2001 року, з максимальною сумарною енергією пучка в 208 ГеВ, і підняв нижню межу маси бозона Хіггса до 115 ГеВ[17].

Наступним великим колайдером, що займався пошуками бозона Хіггса став Теватрон, що був побудований ще у 1971, і постійно модифікувався, у 2001 році досягши енергії зіткнень 1,96 ТеВ. Під час експериментів на ньому були отримані обмеження згори на масу бозону Хіггса у 140 Гев[18].

Закрити цей останній проміжок мав Великий адронний колайдер, запущений в 2009 році, зіткнення частинок у якому проходили з енергією 13 ТеВ. Під час відкритого семінару в ЦЕРН, проведеного 4 липня 2012 року, було повідомлено про відкриття нової частинки з масою 125,3 ± 0,6 ГеВ, яка за певними своїми характеристиками нагадує бозон Хіггса[19].

Під час подальших експериментів було підтверджено, що знайдена частинка є саме бозоном Хіггса. Зараз ВАК продовжує роботу, і збирає статистику для уточнення його властивостей.

У жовтні 2013 Франсуа Анґлер та Пітер Хіггс, отримали Нобелівську премію з фізики.

РеакціїРедагувати

Бозон Хіггса утворюється у великій кількості реакцій, і так само різноманітні його канали розпаду. Особливістю бозона Хіггса є те, що він більш активно взаємодіє з важкими частинками[6], тому основний його канал розпаду — пара b-кварк-антикварк (бозон не може розпастися на пару топ-антитоп кварк через недостатню масу), а основні канали виникнення включають виникнення топ-антитоп пари.

Основні реакції утворення[20]:

  • Злиття двох глюонів: gg→H
  • Злиття двох векторних бозонів: WW→H, ZZ→H
  • Асоційоване з векторним бозоном народження: лептон-антилептонна пара або два глюони зливаючись утворюють векторний бозон, який, в свою чергу, випромінює хіггсівський бозон (в англомовній літературі відоме під назвою Higgs–strahlung, бо випромінення хіггсівського бозона подібне до гальмівного випромінювання)
  • Асоційоване народження з топ-кварком: розпад двох глюонів на топ-кварк-антикваркові пари, кварк з одної і антикварк з іншої після цього зливаються, утворюючи бозон.

Основні реакції розпаду[21]:

Продукти розпаду Ймовірність
  60 %
  21 %
  9 %
  5 %
  2,5 %
  2,5 %
  0,2 %
  0,2 %

Невирішені проблемиРедагувати

Існує багато питань, що стосуються бозона Хіггса і поля Хіггса відповідей на які досі немає[22]:

  • Невідомо, чому взагалі існує поле Хіггса.
  • Невідомий механізм виникнення маси самого бозона Хіггса.
  • Проблема ієрархії — спроби врахувати взаємодію бозона Хіггса з віртуальними частинками поки що не були вдалими. Згідно розрахунків, така взаємодія має на багато порядків збільшувати ефективну масу бозона, чого не спостерігається.
  • Маси ферміонів — маса топ-кварка у сотні тисяч раз більша за масу електрона, і у трильйон разів більша за масу нейтрино. Не зрозуміло, чому цей діапазон такий широкий.
  • Не зрозуміло, чи виникають маси нейтрино завдяки механізму Хіггса
  • Чи є вакуум стабільним? Маса бозона Хіггса близька до теоретично передбаченої межі, що відділяє стабільний вакуум від метастабільного[23].
  • Чи пов'язаний механізм Хіггса з баріонною асиметрією? З темною матерією?

Немінімальні моделіРедагувати

Бозон Хіггса, що був знайдений у 2012 році на Великому адронному колайдері є «стандартним» — його взаємодія з частинками саме така, як передбачувала Стандартна модель. Проте, існує багато розширень стандартної моделі, у якій є більш ніж один бозон Хіггса.

У найпростішому розширені існує два дублета полів Хіггса, що породжують не один, а п'ять бозонів — три електрично нейтральні і два заряджені (один позитивно і один негативно)[24].

У інертній дводуплетній моделі тільки одне з полів Хіггса має ненульове вакуумне середнє. Тоді бозон, що породжується другим полем не розпадається, і є одним з кандидатів у темну матерію[24].

У теоріях з хіггсівськими триплетами (замість дуплетів) можуть виникати хіггсівські бозони з зарядом +2 і -2[24].

У моделях «малого Хіггса» припускається, що знайдений бозон Хіггса — не елементарний, а складається з менших частинок масами близько 10 ТеВ[24].

ПриміткиРедагувати

  1. LHC experiments join forces to zoom in on the Higgs boson. CERN. 17 March 2015. Процитовано 17 July 2015. 
  2. Study of the spin and parityof the Higgs boson in diboson decays with the ATLAS detector(англ.)
  3. Бозон Гіггса: передбачення, пошук, відкриття / Е. В. Горбар, В. П. Гусинін // Вісн. НАН України. — 2014. — № 3. — С. 31-41. — Бібліогр.: 19 назв. — укр.
  4. В. М. Локтєв. Нагальні проблеми фізики і не тільки… // Вісник НАН України, 2013, № 5. ISSN 0372-6436
  5. а б в Именная частица: физика конца света(рос.)
  6. а б в Долгожданное открытие: бозон Хиггса(рос.)
  7. электрослабое взаимодействие(рос.)
  8. Plasmons, gauge invariance, and mass(англ.)
  9. Broken symmetry and the mass of gauge vector mesons(англ.)
  10. Broken symmetries and the masses of gauge bosons
  11. Global Conservation Laws and Massless Particles(англ.)
  12. Spontaneous breaking of continuous symmetries(англ.)
  13. pontaneous Symmetry Breaking and the Higgs Mechanism(англ.)
  14. Brief History of the Higgs Mechanism(англ.)
  15. Спонтанное нарушение симметрии(рос.)
  16. The Higgs boson: the hunt, the discovery, the study and some future perspectives(англ.)
  17. а б The Higgs Boson in the Standard Model(англ.)
  18. Tevatron Higgs results(англ.)
  19. Ceri Perkins & Nick Collins. Higgs boson: scientists 99.999 % sure 'God Particle' has been found, The Telegraph, 04 Jul 2012
  20. Measurements of Higgs boson properties in the diphoton decay channel with 36 fb−1 of p-p collision data at√s=13TeV with the ATLAS detector(англ.)
  21. Decays of the Standard Model Higgs(англ.)
  22. Трудности Стандартной модели(рос.)
  23. The Higgs boson: the hunt, the discovery, the study and some future perspectives
  24. а б в г Неминимальные варианты хиггсовского механизма(рос.)

ПосиланняРедагувати