Нобелевская премия по физике — 2013

Лауреаты Нобелевской премии по физике 2013 года

Лауреаты Нобелевской премии по физике 2013 года: Франсуа Энглер (слева) и Питер Хиггс (справа). Фотография с сайта www.efabula.com

Нобелевская премия по физике за 2013 год была присуждена двум физикам, бельгийцу Франсуа Энглеру (François Englert) и британцу Питеру Хиггсу (Peter Higgs), за «теоретическое открытие механизма, который помогает нам понять происхождение масс субатомных частиц и который был недавно подтвержден благодаря открытию на Большом адронном коллайдере новой предсказанной частицы». Иными словами, за то, что сейчас обычно называется «хиггсовским механизмом». Подчеркнем: не за открытие и даже не за предсказание хиггсовского бозона, а за сам механизм, отголоском которого хиггсовский бозон является. Это была одна из самых предсказуемых номинаций по физике в этом году и одновременно — источник многочисленных споров о приоритете и вообще об осмысленности присуждения Нобелевской премии по этой теме конкретным людям.

Хиггсовскому механизму на «Элементах» уделялось уже немало внимания. В проекте про Большой адронный коллайдер есть страницы, посвященные самому механизму и поиску хиггсовского бозона на коллайдере. В 2012 году, когда в ЦЕРНе было объявлено об открытии бозона Хиггса, на «Элементах» появилась подробная статья с деталями исследования. Текущее состояние научной программы по изучению свойств бозона Хиггса отражено на странице результатов LHC, а последние новости регулярно появляются в ленте новостей LHC в разделе Новости хиггсовского бозона. Наконец, он встречается и в опубликованных на «Элементах» материалах знаменитых физиков, например в лекции Валерия Рубакова.

Пересказывать всё это опять не имеет большого смысла; впрочем, самые базовые вещи про хиггсовский механизм в максимально кратком виде сформулированы ниже в виде «вопросов-ответов». Зато нобелевская премия — хороший повод, чтобы рассказать про историю открытия хиггсовского механизма, про сложный выбор, стоявший перед нобелевским комитетом, и заодно скорректировать то впечатление, которое у неискушенного читателя может сложиться при знакомстве с этой темой.

Краткая памятка про хиггсовский бозон

Правда ли, что хиггсовский бозон отвечает за массу всех частиц во Вселенной?
Нет, неправда. Хиггсовский бозон ничему не дает массу. Массу дает хиггсовское поле, а бозон лишь микроскопическая «рябь», возмущение этого поля. Кроме того, хиггсовское поле отвечает вовсе не за всю массу всех частиц. Оно дает массу электронам, мюонам, некоторым другим тяжелым частицам. Масса протонов и нейтронов возникает почти целиком за счет совсем другого механизма. Так что хиггсовское поле отвечает примерно за 1% от массы всего вещества вокруг нас. Черные дыры, неоткрытые пока частицы темной материи и, возможно, нейтрино получают свою массу тоже за счет иных источников.

А сколько вокруг нас хиггсовских бозонов?
Нисколько. Время жизни бозона Хиггса ничтожно, и он распадается после своего рождения, не успев даже ни с чем толком провзаимодействовать. Родиться в природных процессах он не может; необходимые условия есть только на Большом адронном коллайдере и в редких астрофизических процессах высоких энергий.

Зачем тогда хиггсовский бозон нужен физикам, если он нигде и не появляется?
Затем, что он поможет узнать свойства и происхождение хиггсовского поля. Бозон — ничто, поле — всё, но только это поле иными способами изучить не удастся. Вопрос «Кому вообще всё это надо?» тут не обсуждается, см., например, страничку Зачем вообще нужен LHC?

Если хиггсовский бозон уже открыт, зачем его изучать дальше?
Физикам нужно не столько убедиться в наличии бозона Хиггса, сколько измерить его свойства. Это можно сделать, только организовав рождение и распад бозона Хиггса очень много раз и проведя статистическую обработку данных. Это требует нескольких лет работы коллайдера и тщательной обработки результатов. Промежуточные результаты исследований появляются регулярно.

Если хиггсовское поле дает массу другим частицам, то что дает массу хиггсовскому бозону?
Тут есть два ответа: упрощенный и настоящий. Упрощенный таков: само хиггсовское поле и дает, потому что оно взаимодействует само с собой. Настоящий намного сложнее. Если ограничиться буквально одной фразой, то хиггсовское поле придало бы хиггсовскому бозону нереально огромную массу, а раз мы таких чудес в природе не видим, значит существует еще что-то, помимо простого хиггсовского механизма, что вмешивается в массу хиггсовского бозона. Но что это такое, мы пока достоверно не знаем, хотя теорий тут есть множество.

Раз хиггсовское поле дает массу частицам, получается, оно же и порождает гравитацию?
Нет. Гравитация связана с полной энергией тела. Хиггсовское поле может переводить часть полной энергии в энергию покоя, то есть в массу, но непосредственно на гравитационное взаимодействие оно не влияет. В современной физике есть теории, в которых хиггсовское поле всё-таки определенным образом перекликается с гравитацией, но это совсем не та связь, которую обычно имеют в виду в этом вопросе.

Кому давать «нобеля»?

В массовом сознании какое-то важное открытие в теоретической физике — а тем более, открытие, отмеченное Нобелевской премией, — обычно выглядит так. Была какая-то сложная проблема, никто ее не мог решить, как ни пытался, а потом за дело берется Гений и в одиночку производит на свет полностью законченную теорию. Увы, но в подавляющем большинстве случаев дело в современной науке обстоит совсем иначе. Теоретическая физика развивается совместными усилиями многих тысяч специалистов, и вклад каждого конкретного человека может быть совсем небольшим — даже если он стал звеном, соединяющим чужие публикации до него и после.

Более того, бывает так, что какой-то сложный вопрос долго не дает физикам покоя, и тогда в этой напряженной атмосфере схожие идеи могут одновременно прийти в голову нескольким людям. Потом уже, из перспективы десятилетий, вся возникшая теория может выглядеть очень важной, но отдать по справедливости приоритет одного-единственного «самого важного шага» кому-то из участвовавших в ее создании физиков бывает исключительно трудно. И порой критерием в такой тупиковой ситуации служит не то, кто оказался реально важнее для построения самой теории, а кто в нужный момент и в нужном контексте произнес правильное слово.

Нобелевская премия по физике за 2013 год является ярким примером такой ситуации. Премия за «хиггсовский механизм» была присуждена двум физикам, Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру, — и могла быть присуждена еще и Роберту Брауту, соавтору Энглера, если бы он сейчас был жив. Однако к созданию хиггсовского механизма приложили руку не один десяток теоретиков (см. рис. 2 ниже). И даже если взять только те статьи 1964 года, в которых было сделано и в какой-то мере доказано ключевое утверждение хиггсовского механизма, то и тут нужно упомянуть как минимум статьи трех групп. Хронологическая последовательность публикаций была такова: сначала Браут–Энглер, затем две статьи Хиггса, затем статья Геральда Гуральника, Карла Хагена и Томаса Киббла. Не случайно все шестеро получили в 2010 году престижную премию Сакураи, которую Американское физическое общество присуждает за выдающийся вклад в физику элементарных частиц.

Надо сказать, что щекотливая ситуация с приоритетом в открытии этого механизма и с постоянным применением термина «хиггсовский» известна уже давно. Она неоднократно обсуждалась при разных обстоятельствах и, в частности, послужила поводом для нескольких исторических зарисовок и воспоминаний всех участников этой истории полувековой давности. Подборку этих материалов см. в списке ссылок в конце статьи.

Краткий курс истории хиггсовского механизма

Схематичное изображение вклада разных физиков-теоретиков, приведшего к открытию хиггсовского механизма

Рис. 2. «Неполная хиггстория»: схематичное изображение вклада разных физиков-теоретиков в то, что сейчас называется «хиггсовский механизм»; стрелочками показано влияние, которое оказали одни теории на другие. Бежевый блок в центре схемы — четыре статьи 1964 года, на которые обычно ссылаются в научной литературе при упоминании хиггсовского механизма. Схема составлена Мэттом Страсслером

На рис. 2 показана составленная видным физиком Мэттом Страсслером схема того, как хиггсовский механизм выкристаллизовывался в работах десятков теоретиков в 50-60-х годах прошлого века. То, что эта схема названа «страшно неполной» — совсем не шутка, в ней действительно нереально было учесть всех, кто в какой-то степени приложил к этому руку. Центральный, выделенный цветом, блок включает упомянутые четыре статьи; отлично видно, что эти работы опираются на работы разнообразных предшественников. Попытаемся кратко обрисовать, не пускаясь в слишком технические детали, кто что сделал и кто на кого повлиял.

К концу 1950-х годов была сформулирована смелая гипотеза: сильные и слабые взаимодействия тоже можно описать как калибровочные взаимодействия, наподобие успешной квантовой электродинамики (см. всю историю развития физики элементарных частиц на одной странице). В таких теориях взаимодействие между частицами возникает самостоятельно как результат симметричности теории относительно некоторых преобразований, а физическое силовое поле получается за счет обмена частицами-переносчиками. Правда, в отличие от электромагнетизма, эти поля должны быть необычными для описания сильных или слабых взаимодействий. Теория такого взаимодействия была построена Чж. Янгом и Р. Миллсом в 1954 году и опирается на богатую «внутреннюю» симметрию частиц.

Всё было бы замечательно, если бы не одна важная деталь. Если бы эта симметрия в нашем мире была, то частицы-переносчики слабых взаимодействий были бы безмассовые. Но таких частиц мы не видим. Поэтому если эта симметрия имеет какое-то отношение к нашему миру, то она должна быть спонтанно нарушена. Грубо говоря, хоть уравнения симметричны, их решения, которые и описывают наш мир, — нет.

Как построить теорию со спонтанным нарушением симметрии, физики знают. В физике конденсированных сред это было известно давно, а к элементарным частицам эти идеи применил в 1960 году Намбу. Надо предположить существование скалярного поля нового типа, которое обладает необычным свойством: в наинизшем энергетическом состоянии это поле вовсе не отсутствует, а сплошным однородным фоном заполняет всю Вселенную (иллюстрации хиггсовского механизма помогут понять эту картину). Примеры такого поля уже были известны в некоторых нерелятивистских разделах физики (например, сверхтекучесть и сверхпроводимость), но как это устроить в настоящих релятивистских теориях элементарных частиц, было не очень понятно.

Кроме того, тут возникает новая напасть: когда симметрия спонтанно нарушается, то безмассовые частицы появляются уже у скалярного поля. Это утверждение получило название «теорема Голдстоуна» и в окончательном виде было строго доказано в 1962 году. Вывод отсюда следовал довольно жесткий: если это так, то разнообразные интересные попытки связать свойства элементарных частиц со спонтанным нарушением какой-то внутренней симметрии бесплодны. Ведь тогда неизбежно возникнут безмассовые скалярные частицы, но мы совершенно точно знаем, что в природе их нет.

Таким образом, можно пока что вообще отложить в сторону всякие свойства реальных частиц и реальных взаимодействий и поставить вполне конкретный, хоть и довольно теоретический, вопрос: можно ли вообще хоть как-то обойти теорему Голдстоуна? Можно ли нарушить симметрию, но при этом избежать появления безмассовых бозонов?

В 1962–1963 годах появились работы сначала Швингера, а затем Андерсона, в которых приводятся конкретные примеры, как эту теорему можно обойти. Причем в своей статье Андерсон прямым текстом сформулировал ключевое наблюдение, которое ставит вещи на свои места:

Безмассовые бозоны появляются, но они тут же запутываются с безмассовыми же частицами-переносчиками взаимодействия; из-за этого перепутывания безмассовые скалярные частицы сами по себе становятся ненаблюдаемыми, зато частица-переносчик становится массивной.

Эта идея — «безмассовая скалярная частица + безмассовый переносчик = массивный переносчик» — лежит и в основе хиггсовского механизма. Именно поэтому автором этой идеи было бы считать именно Андерсона, если бы не одна тонкость: пример Андерсона относился к нерелятивистской теории. Он надеялся, что это можно будет реализовать и для релятивистских теорий, но как именно, он не продемонстрировал.

1964 год

Последовавшие события 1964 года выглядели скорее как обмен «открытыми письмами» размером не более страницы, чем как полновесными научными статьями (и не случайно они были опубликованы в журналах Physical Review Letters и Physics Letters). Мартовский выпуск PRL: Клейн и Ли вновь обращают внимание, что доказательство теоремы Голдстоуна опирается на полную релятивистскую ковариантность при формулировке теории, и вроде бы без нее теорему доказать не удается. Может быть, это лазейка? Три месяца спустя Гильберт возражает: разумеется, это лазейка, но она поможет только для нерелятивистских теорий. А теории взаимодействия элементарных частиц мы строим релятивистски инвариантным способом, так что увы, но не получится.

В сентябре 1964 года на это замечание появляется встречное возражение Хиггса. Это верно, говорит он, но только не будем забывать, что в калибровочных теориях имеются свои важные особенности, которые такую жесткую формулировку не допускают. Так что всё-таки можно сконструировать теорию так, чтобы и симметрия нарушилась, и безмассовых частиц не получилось. В октябрьском выпуске журнала PRL Хиггс привел конкретный пример (правда, на уровне классической, а не квантовой теории) и, между делом, прямым текстом написал, что в ней в дополнение ко всему возникает еще и новая массивная бесспиновая частица.

Параллельно с этой перепиской в августовском выпуске PRL — то есть еще до первой статьи Хиггса — появляется трехстраничная статья Браута и Энглера, посвященная той же проблеме. Они не отвечали на чьи-то конкретные возражения, а просто построили пример нужной теории, причем уже в теории Янга–Миллса. Поскольку эта работа появилась почти одновременно с первой статьей Хиггса, перекрестных ссылок в них нет, но вторая статья Хиггса ее уже упоминает.

В ноябре 1964 года в PRL выходит статья Гуральника, Хагена и Киббла, посвященная той же самой проблеме. О публикациях Хиггса и Браута–Энглера они не знали до самого последнего момента и получили журналы с их работами, лишь готовя свою статью к отправке. Текст своей статьи им после этого пришлось дополнить новыми комментариями, но в целом они видели ситуацию так: то, что не до конца было проработано у Браута–Энглера и Хиггса, у них принимает завершенный вид.

Обратите внимание, что хиггсовский бозон занимает в этой истории несущественное место. Вся полемика ведется вокруг возможности корректного построения теории, поисков обхода теоремы Голдстоуна, смертельно опасной для интересных приложений теории Янга–Миллса. Более того, когда речь заходила о конкретных приложениях, большинство людей тогда пытались с помощью нового метода объяснить массы адронов, а вовсе не гипотетических частиц-переносчиков слабых взаимодействий! Так что с точки зрения решения этой задачи новый бозон, который в явном виде впервые упоминается только у Хиггса, не представлял собой никакого нового достижения и вообще не был как-то связан с теорий слабых взаимодействий. Однако спустя десятилетия именно это прямое упоминание несущественного факта и трансформировалось в массовом восприятии в «предсказание хиггсовского бозона» как некий существенный элемент всей эпопеи.

Поскольку эти работы были чисто техническими, то, разумеется, на них история и не завершилась. Последовали и другие статьи, иногда связанные с ними, иногда — нет. Например, в 1966 году совсем молодые тогда Александр Мигдал и Александр Поляков опубликовали статью в ЖЭТФ с теми же результатами, полученными другим способом. В своих воспоминаниях Мигдал рассказывает, что они пытались эту статью опубликовать целых два года, но никто поначалу не хотел ее серьезно воспринимать (см. также воспоминания Александра Полякова и материалы, сопровождающие присуждение Нобелевской премии). Да и вообще, вопрос о том, что вообще из себя представляет нарушение калибровочной симметрии, обсуждался еще долгие годы (см., например, теорему Элицура 1975 года). Однако подчеркнем: за исключением отдельных работ, долгое время акцент был именно на самой теории, а не на хиггсовском бозоне.

Роль бозона как удобного для экспериментального наблюдения «отголоска» механизма была по-настоящему осознана только в 70-е годы. Примерно тогда же к нему, а также к самому механизму навсегда пристал удобный и краткий, но не вполне справедливый эпитет «хиггсовский». После того как была построена теория электрослабых взаимодействий, которая опиралась, среди прочего, на этот механизм, после того как было показано, что эта теория перенормируема (то есть самосогласованна и годится для расчетов), возник массовый интерес среди физиков к свойствам и к поиску бозона Хиггса.

Теоретики принялись рассчитывать процессы рождения и распада бозона, а экспериментаторы стали искать его на всех коллайдерах. Увы, никаких следов не находили, но это никого сильно и не беспокоило, поскольку масса бозона оставалась неизвестной. Бозона не было видно и на исполинских коллайдерах LEP в ЦЕРНе и Тэватрон в Фермилабе, но зато он стал «чувствоваться» косвенно во всей совокупности накопленных к тому моменту данных по проверке Стандартной модели. Подавляющее большинство физиков к тому времени убедили себя, что бозон, по всей видимости, существует, а значит хиггсовский механизм реален, но не хватало последнего штриха — прямого открытия бозона Хиггса в эксперименте. Оно было сделано на LHC в 2012 году, и тем самым, спустя полвека (!) после теоретического открытия, окончательно подтвердило справедливость хиггсовского механизма нарушения электрослабой симметрии.

Ну а на закуску, для того чтобы лучше почувстовать, кто участвовал в построении теории, попробуйте сосчитать, сколько из людей, поименно перечисленных в этой новости, являются нобелевскими лауреатами (подсказка: лауреатами не только по физике!).

Литература:

Стандартная четверка статей, с которыми обычно связывают разработку хиггсовского механизма:
1) F. Englert and R. Brout. Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons // Phys. Rev. Lett. 13, 321–323 (1964).
2) P. W. Higgs. Broken symmetries, massless particles and gauge fields // Phys. Lett. 12, 132-133 (1964).
3) P. W. Higgs. Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons // Phys. Rev. Lett. 13, 508–509 (1964).
4) G. S. Guralnik, C. R. Hagen, and T. W. B. Kibble. Global Conservation Laws and Massless Particles // Phys. Rev. Lett. 13, 585–587 (1964); более подробная версия этой работы в изложении Геральда Гуральника была опубликована в 1965 году и недавно выложена в архиве е-принтов.

История развития теории в изложении ее непосредственных участников:
1) Р. Браут, Ф. Энглер. Spontaneous Symmetry Breaking in Gauge Theories: a Historical Survey (1998 год).
Интервью с Филипом Андерсоном (1999 год).
2) Т. Киббл, Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble mechanism (history).
3) Г. С. Гуральник. The History of the Guralnik, Hagen and Kibble development of the Theory of Spontaneous Symmetry Breaking and Gauge Particles, история развития идеи с техническими подробностями и сравнением статей нескольких групп, см. также The Beginnings of Spontaneous Symmetry Breaking in Particle Physics, исторические комментарии и фотографии.
4) П. Хиггс. Prehistory of the Higgs boson и My Life As A Boson — краткое описание развития событий.

См. также:
1) Объявление о присуждении премии и подробное описание ситуации на официальном сайте Нобелевской премии.
2) The Twists and Turns of Hi(gg)story — запись в блоге Мэтта Страсслера с попыткой подробного, корректного и доступного объяснения места и роли трех статей во всем развитии теории.
3) J. Bernstein. A question of mass // Am. J. Phys. 79, 25 (2011).
4) L. Alvarez-Gaume, J. Ellis. Eyes on a prize particle // Nature Physics 7, 2–3 (2011).
5) J. Ellis, M. K. Gaillard, D. V. Nanopoulos. A phenomenological profile of the Higgs boson, исторический рассказ о том, как хиггсовский бозон из сугубо теоретической частицы превратился в объект экспериментальных поисков.

Игорь Иванов


11
Показать комментарии (11)
Свернуть комментарии (11)

  • editor  | 13.10.2013 | 22:02 Ответить
    По техническим причинам удалились комментарии к этой новости. Приносим свои извинения читателям и восстанавливаем утраченное.

    00:22 11.10.2013 denis_73:
    "Безмассовые бозоны появляются, но они тут же запутываются с безмассовыми же частицами-переносчиками взаимодействия; из-за этого перепутывания безмассовые скалярные частицы сами по себе становятся ненаблюдаемыми, зато частица-переносчик становится массивной".
    Было бы неплохо упомянуть названия этих частиц.
    _________________

    00:50 11.10.2013 spark:
    В общей формулировке задачи безмассовые скалярные называются голдстоуновскими бозонами, а переносчики взаимодействия никак больше не называются, это же общая формулировка. В конкретных случаях могут быть разные названия. Скажем, в случае сверхпроводимости это фотоны, которые становятся массивными, в случае ЭМ поля в плазме конечный результат называется плазмон, в электрослабом взаимодействии получаются W- и Z-бозоны.
    _________________

    13:10 11.10.2013 Валя Гриневич answer to spark:
    >В общей формулировке задачи безмассовые скалярные...

    "в случае сверхпроводимости это фотоны, которые становятся массивными"
    Я не специалист и запутался: речь о фотонах или фононах?
    _________________

    15:49 11.10.2013 spark answer to Валя Гриневич:
    > "в случае сверхпроводимости это фотоны, которые...

    Фотонах. В том-то и дело, что внутри сверхпроводника невозможно говорить о фотонах независимо от окружения, по крайней мере для фотонов не слишком маленькой длины волны. Фотоны смешиваются с колебаниями параметра порядка в сверхпроводнике, и получающийся на выходе объект выглядит словно фотон, но только массивный. Из-за этого магнитное поле не проникает слишком далеко вглубь сверхпроводника, а затухает экспоненциально.
    _________________

    01:26 12.10.2013 denis_73 answer to spark:
    > В общей формулировке задачи безмассовые скалярные...

    Т. е. в электрослабом взаимодействии какие-то безмассовые скалярные голдстоуновские бозоны (со спином 0, как я понимаю) запутываются с какими-то безмассовыми бозонами-переносчиками электрослабого взаимодействия (со спином 1) и получаются массивные W- и Z-бозоны.

    Кварки и заряженные лептоны другим путём массу получают?
    Хиггсовские бозоны, само поле Хиггса и фотоны в этом не участвуют?
    _________________

    03:06 12.10.2013 spark answer to denis_73:
    > Т. е. в электрослабом взаимодействии какие-то...

    Да, именно так.
    Можно даже сказать еще конкретнее. До нарушения симметрии есть электрослабое взаимодействие с 4 безмассовыми переносчиками: W1, W2, W3 (эти трое одинаковы между собой, на то она и симметрия) и B, а также 4 скалярных поля (дублет комплексных хиггсовских полей). После нарушения происходит вот что:
    1) 4 скалярных поля группируются в три голдстоуновских безмассовых и одно массивное (это и есть хиггсовский бозон);
    2) W1 и W2 хватают по одному голдстоуновскому бозону, спутываются с ними, а также друг с другом и на выходе дают массивные W+ и W- бозоны.
    3) W3 и B спутываются тоже друг с другом. При этом одна получившаяся комбинация вдобавок запутывается с третьим голдстоуновским, и так получается массивный Z-бозон, а другая ни с кем не спутывается и остается безмассовой, так получается фотон.
    Это и есть нарушение электрослабой симметрии.

    > Кварки и заряженные лептоны другим путём массу получают?

    Их масса тоже получается за счет изменившегося хиггсовского поля, но только выглядит это процесс несколько иначе. Голдстоуновские бозоны с кварками и лептонами не смешиваются, а просто придают им некоторую инертность; зато из-за этого процесса кварки одинакового заряда смешиваются друг с другом. Углы смешивания и CP-нарушение в распадах кварков происхоит отсюда.
    _________________

    03:34 13.10.2013 denis_73
    «Безмассовые бозоны появляются, но они тут же запутываются с безмассовыми же частицами-переносчиками взаимодействия; из-за этого перепутывания безмассовые скалярные частицы сами по себе становятся ненаблюдаемыми, зато частица-переносчик становится массивной».

    Если правильно понял, какие-то безмассовые голдстоуновские бозоны со спином 0 смешиваются с безмассовыми бозонами-переносчиками электрослабого взаимодействия со спином 1 и получаются массивные W- и Z-бозоны со спином 1, а сами эти голдстоуновские бесспиновые бозоны поэтому не наблюдаются и это называется механизмом Хиггса.

    1. Бозоны Хиггса, как я понял, не участвуют в этом механизме Хиггса возникновения массы у других частиц?
    2. Фотоны не получают массу потому что не смешиваются?
    3. Бозон Хиггса, кварки и лептоны (по крайней мере электрически заряженные) тоже получает массу за счёт смешивания с голдстоуновскими бозонами?
    4. Возникновение поколений частиц имеет отношение к механизму Хиггса? Поколения частиц существуют и до появления массы у частиц?
    _________________

    05:16 13.10.2013 spark answer to denis_73:
    > «Безмассовые бозоны появляются, но они тут же с...

    Что-то предыдущая переписка куда-то исчезла.

    > Если правильно понял, какие-то безмассовые голдстоуновские бозоны со спином 0 смешиваются с безмассовыми бозонами-переносчиками электрослабого взаимодействия со спином 1 и получаются массивные W- и Z-бозоны со спином 1, а сами эти голдстоуновские бесспиновые бозоны поэтому не наблюдаются и это называется механизмом Хиггса.

    В принципе, правильно, но более точно так. До нарушения электрослабой симметрии было 4 безмассовых переносчика W1, W2, W3 (они между собой одинаковы) и B, а также четыре хиггсовских поля (один хиггсовский дублет = два комплексных поля = четыре вещественных поля). После нарушения происходит следующее:
    1) четыре хиггсовских поля группируются в три голдстоуновских и в одно массивное поле (это и есь хиггсовский бозон);
    2) W1 и W2 смешиваются с двумя голдстоуновскими и друг с другом, и получается W+ и W-;
    3) W3 и B смешиваются друг с другом в две комбинации; одна из них поглощает третий голдстоуновский и становится Z-бозоном, а другая ничего не поглощает и остается безмассовым фотоном.

    Я думаю, что это отвечает на ваши вопросы 1-3. Насчет вопроса 4: три поколения были и до нарушения, но они были безмассовые. При нарушении фермионы тоже получаются массу, но безо всякого смешивания с голдстоунами, просто за счет цепляния к среднему хиггсовскому полю. Так что хиггсовский механизм ни порождает поколения, ни объясняет их наличие. Максимум, что он мог бы сделать, это показать, как получается смешивание между поколениями кварков и откуда берется CP-нарушение (см. подробности в нобелевской новости 2012).
    _________________

    16:02 13.10.2013 denis_73 answer to spark:
    > Что-то предыдущая переписка куда-то исчезла.

    Переписка не просто исчезла, тут вообще сайт был недоступен, либо был август 2011 года.

    Если «три поколения были и до нарушения, но они были безмассовые», то чем они отличались друг от друга? Временем жизни? Ничем?
    _________________

    17:35 13.10.2013 spark answer to denis_73:
    > Переписка не просто исчезла, тут вообще сайт был ,...

    Они были безмассовые, так что не распадались бы. Так что они не отличались ничем кроме единственной вещи: взаимодействием между ними и хиггсовскими полями (это было еще «то» поле, до нарушения симметрии, и никакого среднего значения по всей вселенной у него не было). Если бы не это взаимодействие, они бы вообще ничем не отличались бы и представляли бы собой просто три идентичные копии стандартно-модельного вещества. Как бы три упаковки конструктора «Сделай сам», которые были во вселенной, хотя никто столько и не заказывал. :)
    _________________

    17:42 13.10.2013 denis_73 answer to spark:
    > Они были безмассовые, так что не распадались бы....

    1. Я почему-то думал, что частицы с разным спином не могут смешиваться. Где можно почитать о смешивании частиц, популярно о том, что это такое, какие частицы могут и не могут смешиваться и почему?

    2. В «том» поле бозоны Хиггса тоже были? Их было 4 разных?
    Если было 4 хиггсовских и 4 голдстоуновских бозона, и те и другие — с нулевой массой и нулевым спином, то чем эти бозоны Хиггса отличались по свойствам друг от друга и от голдстоуновских бозонов?
    Ответить
    • spark > editor | 17.10.2013 | 11:45 Ответить
      1. В принципе, бывает всякое, но тут простая форма смешивания. Тут просто добавляются степени свободы. У свободной безмассовой частицы со спином 1 есть две степени свободы, два поляризационных состояния. У массивной со спином 1 их три. Голдстоуновский бозон становится как бы третьей компонентой частицы со спином 1, тем самым превращая ее в массивную.

      Этот механизм лучше проделать в виде вычисления, чтоб увидеть откуда что получается. Само вычисление совсем несложное (грубо говоря, раскрыть скобки и привести слагаемые), но чтоб понять смысл этого вычисления, надо знать немножко теории поля. Поэтому ничего проще Окуня "Лептоны и кварки" я не смогу посоветовать. Можно там ограничиться только абелевой симметрией U(1).

      2. Да, тоже было 4 поля, они были массивные и все одинаковые. Никаких голдстоуновских не было, т.к. нарушения симметрии там не было еще. Только это были обычные такие скалярные поля, вакуумное среднее поля было нулевое.
      Ответить
  • Alex  | 16.10.2013 | 09:08 Ответить
    Если хиггсовское поле отвечает за массу электрона, было бы разумно предполагать, что на больших космологических смещениях (когда размер нашей Вселенной был существенно меньше и значение поля другим) масса электрона могла бы отличаться от той, что измеряется сейчас в лаборатории. Удивительно, но для z в несколько единиц по спектрам поглощения квазаров ничего подобного не наблюдается. С относительно высокой точностью тогда мир был устроен также, как и сейчас.
    Ответить
    • spark > Alex | 16.10.2013 | 09:30 Ответить
      А с чего вы взяли, что значение поля тогда было другим? Оно было тем же самым, что и сейчас. Другим оно было только тогда, когда температура составляла квадриллион градусов, т.е. ничтожные доли секунды после большого взрыва.
      Ответить
      • Alex > spark | 16.10.2013 | 14:21 Ответить
        Если размер Вселенной увеличился почти на порядок, а поле, как мы видим по спектральным линиям, с точностью в 5м знаке такое же, мне это, действительно, кажется странным. Речь идет в данном случае конечно же о плотности энергии поля в единице объема. Того самого поля, окунувшись в которое электроны и обретают массу. Не хочется рассуждать, что протяженность полей может выходить за границы Вселенной, иначе придется переопределяться с понятиями.
        Ответить
        • spark > Alex | 17.10.2013 | 11:18 Ответить
          spark = Игорь Иванов, автор новости. Исторически так сложилось, что мой ник это spark. :)

          Понятно теперь, как вы пришли к вашему выводу.
          Итак, вы представляете себе хиггсовское поле как некоторую субстанцию наподобие газа частиц, а вакуумное ожидание - это для вас мера плотности этих частиц (или плотности энергии, ими запасенной). Тогда при расширении вселенной количество этих частиц не должно меняться, а значит их концентрация уменьшается, ну и по-вашему получается, что и вакуумное ожидание тоже.

          Это ложная ассоциация, и вы очень хорошо это подчеркнули, я себе это запишу на будущее.

          Если вы посмотрите на стандартную картинку хиггсовского потенциала, пусть даже такую упрощенную, как рис. 3 на странице http://elementy.ru/problems/546 , только без перекоса (т.е. при epsilon=0), то вы заметите, что вакуумное среднее — это горизонтальная координата, а плотность энергии — вертикальная. Вы также увидите, что в хиггсовском вакууме среднее значение поля равно v, но плотность энергии равна нулю.

          Этот нуль не случаен, ведь хиггсовский вакуум - это именно _вакуум_, состояние с наинизшей энергией. А в вашей аналогии вы себе представляете хиггсовское поле как некую субстанцию _над вакуумом_, нечто с больше, чем нуль, плотностью энергии. Если вселенная расширяется, то нуль остается нулем, вакуум остается вакуумом. А поскольку вакуум определяется формой потенциала, который не меняется с ростом вселенной, то среднее значение хиггсовского поля остается неизменным.

          Теперь понятнее?
          Ответить
          • Alex > spark | 17.10.2013 | 17:23 Ответить
            Да, большое спасибо за разъяснение. Теперь будем искать, действительно ли v не зависит от времени и направления.
            Ответить
      • Alex > spark | 17.10.2013 | 10:20 Ответить
        Игорь, поскольку Вы, по-видимому, неплохо разбираетесь во всей этой кухне, предлагаю решить простенькую задачку: во сколько раз нужно изменить плотность энергии поля Хиггса, чтобы масса электрона выросла в 2 раза?
        Ответить
        • spark > Alex | 17.10.2013 | 11:19 Ответить
          Теперь, после объяснения, данного выше, предлагаю эту задачку решить вам самостоятельно :)
          Ответить
  • Юр  | 05.02.2014 | 11:21 Ответить
    перевод лекции Хиггса на русский - http://n-mir.org/index.php?option=com_content&task=view&id=1299&Itemid=2
    Там же гипотезы о связи масс бозонов и изотопов типа инертных газов и близких их, как известных Sr90 - Cs137
    Ответить
  • PHYSIC  | 29.09.2015 | 10:54 Ответить
    Массы частиц образуются из массы бесчастичной формы материи, которая находится между всеми телами Вселенной и между частичками всех тел; ее целесообразно называть ЭФИР. Экспериментальным подтверждением является получение электрона и позитрона при действии эфирного гамма-кванта и обратный процесс – переход массы электрона и позитрона при их аннигиляции в эфирные гамма-кванты. Подробно изложено в журнале The Toth-Maation Review, 1993, v 12, № 1, USA, в книге Брусиных К НОВЫМ ОСНОВАМ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ, Спб 2014, 128 с. и в интернете http://sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/10124.html часть I.
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»