Mecanismul Higgs

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 15 iulie 2022; verificările necesită 2 modificări .

Mecanismul Higgs , sau mecanismul Higgs , propus de fizicianul englez Peter Higgs în 1964, este o teorie care descrie modul în care particulele purtătoare ale forței slabe ( bosonii W și Z ) dobândesc masă. De exemplu, face ca bosonul Z să fie diferit de foton . Acest mecanism poate fi considerat ca un caz elementar de condensare tahionică , unde rolul tahionului este jucat de un câmp scalar numit câmp Higgs . Cuantumul masiv al acestui câmp a fost numit bosonul Higgs .

Mecanismul Higgs poate fi vizualizat după cum urmează. Împrăștiate pe suprafața mesei, bile mici de spumă (analogi ale particulelor fără masă) se împrăștie cu ușurință de la cea mai mică suflare; totuși, fiind turnate pe suprafața apei, nu se mai mișcă la fel de ușor - interacțiunea cu lichidul, care în această analogie joacă rolul unui câmp Higgs în vid, le-a dat inerție . Ondulurile din respirație pe suprafața liberă a apei vor fi analoge cu bosonii Higgs. Inexactitatea acestei analogii constă în faptul că apa interferează cu orice mișcare a bilelor, în timp ce câmpul de vid Higgs nu afectează particulele care se mișcă uniform și rectiliniu, ci doar contracarează accelerația lor (la apariția așa-numitei mase inerțiale ) [1] .

Istoricul dezvoltării

La mijlocul secolului al XX-lea, multe experimente au arătat prezența masei în particule (bosoni gauge), prin schimbul cărora sunt descrise interacțiuni fundamentale . Prin urmare, a fost necesar să se introducă o expresie a masei în ecuațiile de mișcare pentru aceste particule. Ecuațiile de mișcare pentru câmpurile gauge cu termeni de masă nu sunt invariante în raport cu transformările de simetrie locale (transformări gauge), adică aceste ecuații se vor schimba în cazul transformărilor gauge. Proprietățile interacțiunilor fundamentale necesită, totuși, ca ecuațiile de mișcare să nu se modifice în cazul transformărilor gauge (sunt invariante gauge), astfel încât introducerea de expresii pentru masă ar încălca legile naturii.

Descoperirea lui Higgs a fost că masa unui boson vectorial (uneori numit boson gauge ) apare efectiv ca rezultat al unei anumite interacțiuni a acestui boson cu un câmp scalar . Acest mecanism a fost propus în contextul modelului de rupere spontană a simetriei electroslabe creat de Yoichiro Nambu și alții în încercarea de a explica natura forței puternice [2] . Higgs și alții au dezvoltat acest mecanism în primul rând pentru cazul grupurilor de simetrie non-abeliene .

Teoria Higgs a fost anticipată de Ernst Stückelberg în 1957 (vezi acțiunea Stückelberg ). Higgs însuși sa bazat pe sugestia lui Philip Anderson . Ideea mecanismului i-a venit în timpul unei campanii în munții scoțieni [3] . Independent de Higgs, Robert Braut și François Engler de la Universitatea Liberă din Bruxelles și G. S. Guralnik , C. R. Hagen și T. W. B. Kibble de la Colegiul Imperial au ajuns la concluzii similare .

În 1964-1965. Studenții sovietici A. M. Polyakov și A. A. Migdal , neștiind despre munca oamenilor de știință occidentali, au propus o versiune dinamică a aceluiași mecanism [4] . Articolul lor pe această temă a fost amânat de editorii ZhETF și a fost publicat abia în 1966 [5] .

Ruperea spontană a simetriei

Pentru a explica masa bosonilor gauge fără a încălca legile naturii, se folosește conceptul de rupere spontană a simetriei. Este introdus un câmp suplimentar - câmpul Higgs , care interacționează cu toate celelalte câmpuri și prin această interacțiune conferă masă bosonilor gauge.

Problema utilizării modelului de rupere a simetriei spontane în fizica particulelor este că, după teorema lui Jeffrey Goldstone , acesta prezice o particulă scalară fără masă care este o excitație cuantică în direcția φ , așa-numitul boson Nambu-Goldstone , sau pur și simplu bosonul Goldstone. Energia unei astfel de particule este pur energie cinetică , ceea ce în teoria câmpului cuantic implică faptul că particula nu are masă. Cu toate acestea, nu au fost găsite particule scalare fără masă.

O problemă similară în teoria Yang-Mills , cunoscută și sub numele de teoria gauge non-Abeliană , a fost existența bosonilor gauge fără masă, care (altele decât fotonul) nu au fost, de asemenea, descoperite. Higgs a fost foarte priceput când a descoperit că, combinând teoria gauge cu modelul de rupere spontană a simetriei, două probleme au fost rezolvate foarte frumos. Higgs a găsit un defect în teorema lui Goldstone : această teoremă nu se aplică atunci când se ia în considerare simetria gabaritului local.

Mecanismul Higgs descrie tocmai încălcarea simetriei locale, în care bosonii Goldstone nu apar . În locul excitațiilor cuantice ale câmpului Higgs, apar grade longitudinale de libertate pentru polarizarea câmpurilor gauge. (De exemplu, în electrodinamica cuantică , un foton ca vector fără masă (adică având un spin de 1) câmp cu simetrie neîntreruptă are doar două grade de tranziție de libertate de polarizare). Când câmpul scalar se combină cu teoria gauge, excitația fără masă Higgs φ se combină cu bosonul vectorial, formând un boson vectorial masiv.

Potențialul Higgs

Definiția potențialului Higgs poate fi reprezentată folosind următorul Lagrangian :

{\mathcal {L}}_{{Higgs}}=(D_{{\mu }}\phi )^{+}(D^{{\mu }}\phi )+m\phi ^{+}\ phi -\lambda (\phi ^{+}\phi )^{2},

unde este câmpul Higgs și sunt numere reale pozitive și este derivata invariantă, unde este generatorul de grup de gauge și sunt câmpurile gauge care trebuie să creeze masă prin mecanismul Higgs. $\phi$ $m$ $\lambda$ $D_{{\mu }}=\partial _{{\mu }}-igT_{a}A_{{\mu }}^{a}$ $T_{a}$ $A_{{\mu }}^{a}$

Pentru a înțelege cum apar masele de particule în acest Lagrangian, este util să luăm în considerare potențialul ${\mathcal {V))$

{\mathcal {V}}=-m\varphi ^{+}\varphi +\lambda (\varphi ^{+}\varphi )^{2}.

Acest potențial pentru un câmp real cu o singură componentă φ descrie o parabolă în formă de W de ordinul al patrulea.

Deoarece câmpul φ este complex, potențialul poate fi reprezentat în trei dimensiuni ca suprafața de rotație a acestei parabole în jurul axei de simetrie. Forma acestei suprafețe seamănă cu fundul unei sticle de șampanie deasupra planului complex. (Când φ are mai multe componente complexe, nu există o vizualizare simplă.) ${\mathcal {V}}(\varphi )$

Evident, există multe minime potențiale (cercul de minime în două dimensiuni). Minimele potențiale sunt starea cea mai favorabilă a câmpului, deoarece energia câmpului este minimă în ele. Astfel, câmpul Higgs are mai mult de o stare fundamentală (adică stări cu energie minimă), și vorbim despre o „stare fundamentală degenerată”.

Câmpul φ în starea fundamentală formează așa-numitul condensat :

v=\langle \phi \rangle ={\sqrt {{\frac {m}{2\lambda )))),

care se obţine prin calculul stărilor zero. Câmpul Higgs poate fi definit astfel încât atâtea componente câte câmpuri de măsurare sunt de masă să nu lase multe poziții zero dintr-o singură poziție zero. Pentru un câmp complex monocomponent, al cărui potențial poate fi reprezentat ca fundul unei sticle de șampanie, o astfel de componentă este o componentă unghiulară care determină locul pe cercul minimelor. Aceste componente nu modifică energia câmpului Higgs. Ele pot fi aruncate deoarece sunt irelevante pentru efectul în cauză.

Componentele rămase modifică energia câmpului Higgs și nu pot fi aruncate. Aceste componente pot fi descrise ca câmpuri de particule, numite mai târziu bosoni Higgs. Valoarea așteptată a vidului dă împreună cu expresiile pentru câmpurile gauge din derivata invariantă a expresiei pentru mase. Deoarece câmpul Higgs se modifică în timpul transformărilor gauge, expresiile pentru interacțiunea dintre câmpurile gauge și bosonii Higgs sub transformarea gauge produc expresii care elimină complicațiile suplimentare din expresiile pentru masele câmpului gauge. Astfel, ecuația mișcării se supune cerinței invarianței gabaritului, în ciuda posibilelor complicații de masă.

Dezvoltare

Când lucrarea Higgs care descrie modelul a fost trimisă pentru prima dată la Physical Review Letters , a fost respinsă, aparent pentru că nu a prezis niciun efect nou care ar putea fi observat experimental. Apoi a adăugat o propoziție la sfârșitul articolului, în care a menționat că se presupune existența unui nou sau a unui nou boson scalar masiv, care nu sunt suficiente pentru a înțelege pe deplin simetria. Aceștia sunt bosonii Higgs .

Înainte de ruperea simetriei, toate particulele (cu excepția bosonului Higgs însuși) nu au masă, iar simetria nu este ruptă, ca simetria de rotație a unui creion pe vârful său. Dar câmpul scalar alunecă dintr-un punct de energie maximă într-o direcție aleasă aleatoriu la un minim - ca un creion care cade aleatoriu. Este important ca simetria să nu dispară - doar devine ascunsă. Ca rezultat, simetria originală este ruptă, iar particulele elementare - leptoni , quarci , bozoni W și Z - dobândesc masă. Apariția masei poate fi interpretată ca rezultat al interacțiunilor altor particule cu „Oceanul Higgs”.

Mecanismul Higgs a fost dezvoltat în cadrul fizicii moderne a particulelor de Steven Weinberg și este o parte esențială a modelului standard .

O consecință a teoriei este interacțiunea lui Yukawa cu câmpurile de fermioni ale Modelului Standard, care conferă masă quarcilor și leptonilor.

Modele Higgs

Modelul standard necesită un mecanism Higgs pentru ruperea simetriei electroslăbite, dar nu spune exact cum funcționează acest mecanism.

De regulă, se ia în considerare modelul Higgs minim (inclus în Modelul Standard), în care, în cadrul transformărilor electroslabe, se formează un singur dublet electroslab de câmpuri Higgs, în timp ce după ruperea simetriei electroslabe apare un singur boson Higgs standard. Un astfel de model Higgs cu un dublu poate fi numit 1HDM. Dar teoreticienii iau în considerare și modele Higgs non-minimale, printre care se numără two-doublet (2HDM), multi-doublet și non-doublet [6] .

Modelul Higgs cu două dublete (2HDM) produce cinci bosoni Higgs - trei neutri (H, h, A) și doi încărcați (H + și H − ) și are mulți parametri noi, așa că există multe variante ale unor astfel de modele, de exemplu , modelul inert cu două dublete.

În modelele Higgs multi-dublet, numărul bosonilor Higgs fizici crește, de exemplu, în modelul Higgs privat, există un dublet pentru fiecare fermion, ceea ce elimină problema ierarhiilor de masă fermionice .

În modelele non-dublet, în plus față de dublet (sau dublete), pot exista câmpuri suplimentare - singlete, tripleți etc. și, în consecință, apar alți bosoni Higgs, de exemplu, cu sarcina 2 (H ++ , H −− ) în teoria cu câmpuri triplete.

Modelul standard supersimetric minim ( MSSM ) are două dublete Higgs.

Modelul standard supersimetric Next-to-minimal ( NMSSM ) are două dublete și un singlet.

În modelul „Small Higgs”, bosonul Higgs nu este o particulă fundamentală, ci constă din câteva particule noi cu o masă de 10 TeV sau mai mare, ceea ce face posibilă eliminarea naturală a așa-numitului „paradox LEP” (non- observarea particulelor noi prezise, în special la ciocnitorul LEP cu o energie totală de 200 GeV).

Modele fără Higgs

În același timp, există o serie de construcții care fac posibilă explicarea maselor de particule din Modelul Standard fără a implica mecanismul Higgs. Care dintre modele este confirmată depinde de rezultatul căutării bosonului Higgs, care este acum desfășurat în mod activ la Large Hadron Collider (la 4 iulie 2012, reprezentanții CERN au raportat că o nouă particulă cu o masă de aproximativ 125- 126 GeV/s² au fost observate la ambii detectori principali ai LHC. Existau motive serioase să credem că această particulă este bosonul Higgs. În martie 2013, fizicienii CERN au confirmat că particula găsită cu șase luni mai devreme este într-adevăr bosonul Higgs) [7] ] [8] .

Exemplu

Modelul standard, în special teoria electroslabă , este descris de teorii similare ale gabaritului. Valoarea așteptată în vid a câmpului Higgs rupe simetria gauge locală (cantități de conservare: isospin slab și hipersarcină slabă ), creând simetria U(1) electromagnetică (cantități de conservare: sarcină electrică ). Din cauza acestui efect, cei trei bosoni gauge (bosonii W și Z) câștigă masă și un grad longitudinal de polarizare. Al patrulea grad de polarizare al câmpului Higgs, care, fiind dubletul SU (2) , este format din două complexe = 4 câmpuri reale, este bosonul Higgs . $SU(2)\time U(1)$

Vezi și

Probleme nerezolvate ale fizicii moderne

Note

↑ Mecanismul Higgs în analogii . Data accesului: 6 septembrie 2008. Arhivat din original la 16 februarie 2012. (nedefinit)
^ Aceste modele au fost inspirate de lucrările lui Lev Landau și Vitaly Ginzburg privind teoria materiei condensate .
↑ Oamenii de știință descoperă particula „Dumnezeu” | Herald Scotia
↑ [https://web.archive.org/web/20201112030344/https://arxiv.org/abs/hep-th/9211140 Arhivat 12 noiembrie 2020 la Wayback Machine [hep-th/9211140] O vedere de la insula]
↑ Articolul . Preluat la 24 noiembrie 2020. Arhivat din original la 3 decembrie 2013. (nedefinit)
↑ Versiuni non-minimale ale mecanismului Higgs . Preluat la 2 iulie 2011. Arhivat din original la 3 iulie 2011. (nedefinit)
↑ CERN: particula descoperită la colisionar este într-adevăr bosonul Higgs . Preluat la 8 octombrie 2013. Arhivat din original la 17 martie 2013. (nedefinit)
↑ Rezultatele noi indică faptul că noua particulă este un boson Higgs . CERN (14.03.2013). Consultat la 8 octombrie 2013. Arhivat din original pe 20 octombrie 2015. (nedefinit)