Защо имаме нужда от Хигс бозон?

Защо имаме нужда от Хигс бозон? Защо бяха тези огромни вълнения около тази частица? Изявления като: "Тя дава маса на всички останали частици," са правилни, но е логичен въпроса: "Защо трябва масата да идва от тази нова частица?". "Божествената частица" е само метафора, която намеква, че този бозон играе централна роля в съвременните теории за материята, но името не обяснява нищо и какво, по дяволите, значи това?

В Стандартния модел има строги теории за три от четирите известни фундаментални взаимодействия- електромагнетизма, слабото и силното взаимодействия. Всички те са построени върху калибровъчната теория на Янг-Милс. Освен това, първите две от тези взаимодействия са обединени в една теория – теорията на "електрослабите" взаимодействия, което означава, че един-единствен набор от уравнения описва и двете сили. Но цялата система от стройни теории може да бъде срината.

Проблемът с ренормализацията


Квантовите частици са видими за нас. Всичко, което можем да видим са пътечките, които оставят в мехурчестата камера. Снимка:  Fermilab 

Теорията на електрослабите взаимодействия има някои особености: калибровъчните бозони W + , W -и Z°, които посредничат при слабите сила – имат големи маси (открити 1983-4г., с маса 80,4 и 91,2  GeV, съответно), за разлика от безмасовите калибровъчни бозони на електромагнетизма – фотона или на силното взаимодействие – глуоните. Това заплашва да направи теорията непренормируема.

Ако калибровъчните бозони са безмасови, теорията може да се ренормализира. Това означава, че всичко може да бъде подредено така, че изчисленията да не произвеждат безкрайни резултати. Когато калибровъчните бозони имат маса, се появява допълнителна степен на свобода и така редът престава да е сходим и точният резултат става невъзможен..

Не е случайно, калибровъчните бозони на електромагнетизма и силното взаимодействие имат нулева маса в покой. Има сериозни трудности с ренормализацията и математическата съвместимост, след като калибровъчната теория на полето има частици преносители с ненулева маса. Проблемът възниква, тъй като частица с маса, която не може да има произволно малка енергия както, да речем, един безтегловен фотон може. От отношенията на Хайзенберг следва неопределеността на енергията на частиците и това, че има горна граница за това колко дълго виртуалните частици преносители на взаимодействията може да бъде "реална".

Ако масата на виртуалната частица е равна на m, то времето на съществуването на частицата в междинно състояние може да се оцени като: Δt ~ ћ/mc2, за това време частицатаще измине пътя: c . Δt ~ ћ/mc = L Така двете взаимодействащи частици ще обменят квант-преносител само, ако разстоянието между тях не надвишава L.

От масата на бозоните зависи обхвата на действие на съответните взаимодействия. Така на това. че фотонът няма маса отговаря безкраен радиус на действие, докато за масивните бозони на слабите взаимодействия обхвата е твърде малък – 10-18м.

За съжаление, за слабите взаимодействия се знае експериментално, че носещите частици имат маса и следва, че има ограничение за обхвата на силите.

Масите на промежутъчните бозони се оказали твърде големи – те са почти 100 пъти повече от масите на нуклоните (виж сравнителната схема вляво). Това са най-тежките частици, създавани някога в лаборатория.

атоми ядра електрони кварки

Проблемът симетрия

Теоретичният проблем е, че ако калибровъчната сила има ограничен обхват, това ще наруши локалната калибровъчна симетрия, която теория на Янг-Милс изисква. Математиката на теориата на Янг-Милс и локалната калибровъчна симетрия работят само когато калибровъчният бозон има нулева маса. Ако бозоните имат маса, уравненията на теорията няма да бъдат инвариантни при локални калибровъчни трансформации.

Симетрията играе съществена роля във всяка от калибровъчните теории, а всички тези разнообразни асиметрии са примери за "спонтанно нарушение на симетрията". Това означава, че уравнения, които имат висока степен на симетрия, имат решения, които притежават по-ниска симетрия.

Проблемът с масата

През 1687, Исак Нютон пише в "Начала": "масата е мярка за веществото, пропорционална на плътността и обема му". Това базово определение върши работа в продължение на две столетия. Но през последните години, физиците започнаха да си задават въпроса "защо има маса?’.

Въпреки симетрията в теориите, масите на елементарните части в Стандартния модел варират в голям диапазон – приблизително от 10-12 до 103GeV. Различават се с 1011! Както казва Гордън Кейн: "Масата на африканския слон (6т) е 600 милиарда пъти масата на мравката (0,01 мг). Приблизително с толкова горният кварк е по-тежък от неутриното".

атоми ядра електрони кварки

Съвремените представи за масата са много по-сложни, отколкото определянето на Нютон и се основават на Стандартния модел. Според Специалната теория на относителността, безмасовите частици във вакуум пътуват със скоростта на светлината, а частиците с маса се движат по-бавно и знаейки масата, може да се изчисли тяхната скорост. Освен това, гравитацията действа на масата по същия начин, както на еквивалентна на нея енергия, а масата и енергията са свързани с Айнщайновата формула: Е = m.c2 . За разлика от заряда и спина, масите не се
квантуват по простия стандартен начин. Масата е динамична величина, защото зависи
от взаимодействието.

В квантовата теория на полето, масата е връзката на полето със самото себе си – енергията тече от себе си към себе си.


Илюстрация:  conscious life news 

В основата на Стандартния модел е математическа функция, която се нарича лагранжиан и показва как взаимодействат различните частици, с нея може да се изчисли на поведението им. С помощта на функцията на Лагранж може да се изчисли стойността, която трябва да се използва като m, т.е. масата на частиците за всички физически уравнения. Като следствие от уравненията на Стандартния модел, почти цялата маса на протоните и неутроните се дължи на кинетичната енергия на кварки и глуони като малка част остава като маса на покой. По този начин, 4.5% от цялата Вселена или почти цялата видима материя (5%), се състои от енергията от движението на кварки и глуони в протоните и неутроните.

Решението е налице

Физиците са правили различни опити да изработят механизъм, който да може да се справи с тези проблеми и да обясни асиметрията. За да заобиколят проблема с масата на бозоните, физиците Салам, Глазгоу и Уайнбърг се захващат да измислят механизъм, който да прекъсне калибровъчната симетрия така, че частиците W ± и Z° да получат маса.

През 1964 г., три независими екипа от физици публикуват решение на този проблем – как да се примири симетрията с присъствието на маса. Това решение, по-късно наречено механизъм на Хигс обяснява масата като резултат на взаимодействието на частиците с поле, което е "разлято във вакуума" и е наречено съответно поле на Хигс на името на британския физик Питър Хигс (Peter Higgs) – един от привържениците на този механизъм.

Този механизъм предполага, че съществува нова частица, Хигс-бозонът – квант на полето на Хигс. Хигс бозонът или нещо подобно задължително трябва да съществува – в противен случай ще се наложи основно преразглеждане на Стандартния модел на елементарните частици, който без механизма на Хигс, не може да работи.

атоми ядра електрони кваркиИзточник: FABRICE COFFRINI/AFP/GettyImages

 

Частицата Хигс бе наблюдавана за пръв път в LHC през юли 2012 и откритието ѝ бе потвърдено 2013г. през март, заради което Питър Хигс и Франсоа Енглер получават Нобелова награда.

Графика, показваща следите от сблъсък на частици на изложбата на Европейската организация по ядрени изследвания (ЦЕРН).

Частицата няма нищо общо

Хората, които са е запознавали с "Божествената частица" от средствата за масова информация, вероятно са си изградили грешна представа за това как работи механизмът на Хигс. Телевизии, вестници и някои научно-популярни интернет издания създадоха впечатление, че:

  • има само един Хигс бозон
  • че той "дава" на частиците маси и
  • ще бъде открит около 125GeV от LHC.

Трябва да подчертая, че самата частица Хигс не "дава" маса на елементарините частици, тя е кванта на полето на Хигс, тя е само вълничка, която зависи от времето и пространството. Това, което дава маса на другите частици на природата е полето на Хигс заради ненулевата си равновесна постоянна стойност H(x,t) = H0 за цялата Вселена (виж следващата статия). Тази независима от времето и присъстваща навсякъде константа е много различна от частицата Хигс, която представлява локална вълна, изменяща се във времето и пространството.

В публикацията "Електрослабата теория и механизма на Хигс" ще се разбере, че полето на Хигс има четири степени на свобода (състояния), три от които взаимодействат с W и Z бозоните и те придобиват маси. Останалата една степен на свобода е това, което ни се представя като 125Gev Хигс бозон. В известен смисъл, този Хигс бозон, който се търсеше в ЦЕРН е страничен продукт, това, което е останало след като полето на Хигс си е свършило работата. Хигс бозонът получава своята маса от механизма на Хигс точно както W и Z бозоните.

Защо така се търсеше тогава бозона на Хигс? Много просто. Защото ще е доказателство, че полето на Хигс съществува.

 

Източник:

Загадки массы, Гордон Кейн (Gordon Kane)

К открытию бозона Хиггса, Валерий Рубаков.

Open Questions: Higgs Physics,

How to Explain the Higgs Mechanism, Sean Carroll

Прочети още ...

Хигс – поле, механизъм, частица

Вашият коментар

Or

Вашият email адрес няма да бъде публикуван Задължителните полета са отбелязани с *

*


Можете да използвате тези HTML тагове и атрибути: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>