Элементарные частицы. Как устроена материя
Элементарные частицы представляют собой неделимые компоненты материального мира, объединенные в два основных класса: составляющие материю и переносчики взаимодействий.
К кваркам и лептонам относятся составляющие материи. Кварки, участвующие в сильных взаимодействиях, образуют адроны, такие как протоны и нейтроны, являющиеся строительными блоками атомных ядер. Существуют три поколения кварков, с различной массой. Кварк первого поколения (u-кварк) стабилен, в то время как остальные быстро распадаются. Лептоны, участвующие в слабых взаимодействиях, также образуют три поколения, включая заряженные и нейтральные лептоны, такие как электроны, которые окружают атомные ядра и определяют свойства вещества.
Переносчики взаимодействий представлены бозонами. Глюоны переносят сильное взаимодействие между кварками, образуя связанные состояния, называемые адронами. W- и Z-бозоны отвечают за слабые взаимодействия, играя ключевую роль в распаде элементарных частиц и бета-распаде атомных ядер. Фотоны, в свою очередь, переносят электромагнитное взаимодействие, вовлекая в себя кварки и заряженные лептоны.
Гравитон, хотя пока гипотетической природы, предполагается быть элементарной частицей, квантом гравитационного поля, ответственным за гравитационные взаимодействия между элементарными частицами и даже целыми планетами.
Бозон Хиггса выполняет двойную функцию: во-первых, он служит переносчиком взаимодействий между кварками и лептонами, а во-вторых, обеспечивает массу кваркам, лептонам, W- и Z-бозонам через взаимодействие с конденсатом поля Хиггса, причем чем сильнее это взаимодействие, тем больше масса частиц.
Кто такой этот ваш Бозон
Бозон Хиггса, также известный как хиггсовский бозон, представляет собой гипотетическую элементарную частицу, лишенную электрического заряда и спина. Эта частица играет ключевую роль в слабых взаимодействиях и занимает важное место в Стандартной модели фундаментальных взаимодействий (СМ). Предполагается, что взаимодействие с хиггсовским бозоном ответственно за присвоение масс всем частицам Стандартной модели.
Стандартная модель
Стандартная модель фундаментальных взаимодействий, современная теория элементарных частиц, утверждается на основе концепции симметрии. Это не только привычная нам пространственная симметрия, но и симметрия внутреннего пространства, такая как симметрия относительно фазовых преобразований или вращений в пространствах «изоспина» и «цвета».
Согласно Стандартной модели, весь материальный мир состоит из двух основных видов частиц: кварков и лептонов. Протоны и нейтроны, являющиеся строительными блоками ядер атомов, состоят из кварков, в то время как электроны, легчайшие лептоны, формируют атомные оболочки. Всего известно шесть видов кварков и лептонов, которые обычно группируются в три поколения, идентичные с точностью до масс. Каждое последующее поколение имеет большую массу по сравнению с предыдущим.
В рамках фундаментальных взаимодействий элементарных частиц выделяют три типа: сильное, слабое и электромагнитное. Несмотря на существование гравитационного взаимодействия, оно обычно пренебрегается в физике микромира из-за его слабости. Сильное взаимодействие обеспечивает стабильность атомных ядер, слабое взаимодействие ответственно за распад ядер и служит источником термоядерной энергии, а электромагнитное взаимодействие представляет собой свет, передающий солнечную энергию на Землю и являющийся источником жизни. Эти взаимодействия частиц осуществляются через обмен квантами соответствующих полей: глюонами, слабыми бозонами и фотонами для сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия соответственно.
Симметрии, связанные с сильным, слабым и электромагнитным взаимодействиями в рамках стандартной модели, формулируются на языке теории групп и представляют собой преобразования в соответствующих пространствах параметров. Уравнения, описывающие поведение кварков, лептонов и частиц, отвечающих за передачу взаимодействий, должны обладать инвариантностью относительно этих симметричных преобразований. Это требование вытекает из законов сохранения, подтвержденных экспериментально.
Определение конкретных групп симметрии также является вопросом соответствия между теорией и экспериментом. В результате долгих исследований были выявлены группы симметрии, соответствующие трем фундаментальным взаимодействиям. Эти группы представляют собой унитарные группы SU(3), SU(2) и U(1). Группа SU(3) ассоциируется с сильным взаимодействием, SU(2) — с слабым взаимодействием, а U(1) — с электромагнитным взаимодействием. Этот успех в выявлении структуры симметрий является важным шагом в построении теории, описывающей фундаментальные частицы и их взаимодействия.
Когда создавалась Стандартная модель, то одним из ключевых моментов в её создании было создание перенормируемой квантовой теории поля. Это технический термин, но если перевести его на язык более простой, это означает, что была создана модель, в которой мы умеем не просто вычислять вероятности различных процессов, но мы можем вычислять эти вероятности с любой наперёд заданной точностью. Создание модели, обладающей этим свойством- очень непростая вещь. Недаром, когда стандартная модель была построена, то стоял вопрос о доказательстве того, что она обладает этим свойством, и за это доказательство и была выдана Нобелевская премия. Модель с Хиггсовским бозоном позволила построить перенормируемую квантовую теорию поля.
Парадокс массы
Замечательно, что существование симметрий в уравнениях движения элементарных частиц не только порождает законы сохранения, такие как сохранение электрического заряда, лептонного и барионного (кваркового) зарядов, но и определяет характеристики их взаимодействий, разрешенные каналы распада, времена жизни и многое другое. Таким образом, вид симметрии становится определяющим фактором при создании модели фундаментальных взаимодействий. Возникает интересная проблема: перечисленные группы симметрии в рамках Стандартной модели запрещают присвоение масс кваркам, лептонам и частицам-переносчикам взаимодействий. В то время как известно, что только фотон и глюон, являющиеся переносчиками электромагнитных и сильных взаимодействий, массовыми не являются, и все остальные частицы обладают массой.
Решение этой дилеммы требует нарушения симметрии, но таким образом, чтобы не нарушить установленные экспериментально свойства частиц. Следует отметить, что теория, описывающая элементарные частицы, представляет собой квантовую теорию поля — расширение квантовой механики на системы с бесконечным числом степеней свободы. Для обеспечения математической согласованности, Стандартная модель фундаментальных взаимодействий должна обладать симметрией. В противном случае она приводит к неверным предсказаниям, не соответствующим результатам эксперимента.
Спонтанное нарушение симметрии
Для разрешения этой фундаментальной проблемы был предложен инновационный механизм, получивший название «механизм спонтанного нарушения симметрии». Этот механизм, известный в статистической физике, приобрел новые аспекты в контексте релятивистской физики элементарных частиц. Суть его заключается в том, что спонтанное нарушение симметрии сопровождается появлением безмассовых состояний, которые, тем не менее, оказываются фиктивными и, на самом деле, представляют собой продольные моды векторных бозонов — переносчиков слабого взаимодействия. Этот механизм также получил название «механизм Хиггса» в честь ученых, первыми предложивших эту концепцию — Роберта Браута, Франсуа Энглерта и Питера Хиггса, а также независимо Геральда Гуральника, Карла Хагена и Томаса Киббла.
Идея спонтанного нарушения симметрии заключается в том, что дифференциальные уравнения движения остаются неизменными и определяются ненарушенной симметрией теории, в то время как нарушение касается только начальных условий. Это можно проиллюстрировать аналогией: представьте круглый стол с установленными перед каждым гостем по прибору и салфеткой между ними. Ситуация симметрична относительно вращения стола — группа симметрии U(1), как в электромагнитных взаимодействиях. Когда один гость выбирает салфетку, нарушается симметрия, и все остальные должны сделать то же самое. Таким образом, сохраняя симметрию рассадки гостей, начальные условия нарушают симметрию относительно вращений.
Применительно к Стандартной модели вводится дополнительное поле со спином 0. Это поле, не существовавшее в предыдущих версиях Стандартной модели, придает всем частицам массу. Затем предполагается, что потенциал этого поля формирует особую структуру, напоминающую донышко бутылки из-под шампанского или мексиканскую шляпу. Этот потенциал симметричен относительно вращений вокруг оси, но выбор определенного положения в этой структуре нарушает симметрию. В Стандартной модели это соответствует группе симметрии SU(2), отвечающей слабым взаимодействиям. Таким образом, происходит спонтанное нарушение симметрии, где уравнения движения остаются симметричными, но начальные условия — среднее значение поля — нарушают симметрию. Это среднее значение, известное как конденсат, представляет собой постоянную величину, не зависящую от пространства и времени, и является своего рода полем, взаимодействующим со всеми частицами в Стандартной модели.
Механизм генерации масс
Проходя через пространство, частицы взаимодействуют с постоянным полем, воздействуя на него, как на некую вязкую среду. Это взаимодействие приводит к замедлению движения частиц, особенно при более сильных взаимодействиях. Следствием этого взаимодействия является приобретение частицами массы, пропорциональной силе их взаимодействия с окружающей средой. Этот процесс предсказывает, что отношение масс различных частиц должно быть пропорционально отношению соответствующих констант, которые характеризуют силу взаимодействия. Исключением не оказываются частицы слабых взаимодействий, такие как бозоны W и Z, для которых данное предсказание совершенно точно.
Таким образом, все частицы, взаимодействующие с этим полем, приобретают массу. К этой группе относятся кварки, лептоны, а также бозоны W и Z. Важно отметить, что фотон и глюон не взаимодействуют с этим полем и остаются безмассовыми. В результате нарушается симметрия группы в Стандартной модели, в то время как группы SU(3) и U(1) остаются ненарушенными.
Важным следствием существования этого нового поля являются квантовые флуктуации, связанные с каждым полем в теории. Эти флуктуации выражаются в виде частиц, и в данном случае такой частицей является бозон Хиггса — частица со спином 0. Хиггсовский бозон также приобретает массу через взаимодействие с тем же полем, и его масса пропорциональна силе этого взаимодействия. Однако, поскольку теория не предсказывает конкретное значение константы взаимодействия бозона Хиггса, масса этой частицы также не предсказуема.
Таким образом, хотя свойства и взаимодействия хиггсовского бозона известны, его масса остается неопределенной. Это ограничивает возможность экспериментального обнаружения бозона Хиггса, оставляя лишь косвенные оценки его массы в пределах от 10 до 600 масс протона, с более точными измерениями, указывающими на более узкий интервал в районе 100 протонных масс.
Экспериментальный поиск
Экспериментальный поиск хиггсовского бозона представлял собой сложную задачу из-за нестабильности самой частицы и её быстрого распада на другие, более лёгкие частицы. Детекторы регистрируют продукты распада хиггсовского бозона, такие как фотоны, кварки, лептоны, а также бозоны W и Z. Однако те же самые частицы могут рождаться и в отсутствие хиггсовского бозона.
Электрон-позитронный коллайдер в Женеве установил нижний предел на массу хиггсовского бозона в районе 115 протонных масс, но не обнаружил самой частицы, частично из-за недостаточной энергии коллайдера. Протонные коллайдеры, такие как Большой адронный коллайдер (БАК) в Женеве, обладают достаточной энергией, но создают огромное количество частиц, что усложняет поиск хиггсовского бозона.
БАК проводил исследования в интервале масс от 600 до 115 ГэВ, сужив возможные значения массы хиггсовского бозона до 115-130 протонных масс. Не обнаружив хиггсовский бозон в этом диапазоне, исследования продолжаются с целью уточнения результатов.
Также следует упомянуть возможность существования нескольких хиггсовских бозонов разной массы. Эта идея рассматривается в случае, если более сложные механизмы, включающие несколько частиц Хиггса, могут быть реализованы. Однако на данный момент наблюдения соответствуют ожиданиям Стандартной модели, и подтверждение существования дополнительных частиц требует дальнейших исследований.
Недавние эксперименты на БАК, в том числе открытие хиггсовского бозона в 2012 году, подтвердили существование этой частицы, и детальные исследования ее свойств продолжаются.
Открытие 2012 года
Объявление об открытии новой частицы с массой около 125.5 ГэВ в 2012 году в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве действительно стало важным событием в физике высоких энергий. Это событие было анонсировано на семинаре в ЦЕРН 4 июля 2012 года, и оно вызвало значительный интерес и волнение в научном сообществе по всему миру.
Открытие этой новой частицы было значительным шагом в подтверждении Стандартной модели частиц и поддерживало идею существования хиггсовского бозона, который играет ключевую роль в механизме придания масс элементарным частицам. Научные эксперименты, проведенные на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН, предоставили данные, которые подтвердили наличие этой частицы.
Особенно важными для подтверждения открытия были значения массы и уровня достоверности. Масса частицы около 125.5 ГэВ была согласована с ожиданиями для хиггсовского бозона. Уровень достоверности, измеренный в сигма, достиг 5 сигма, что считается статистически значимым и подтверждает открытие.
Это событие также стало стимулом для дальнейших исследований и обсуждений в научном сообществе. Уточнение квантовых чисел, таких как спин и четность, и дальнейшие эксперименты, включая изучение свойств этой частицы, продолжаются. Открытие хиггсовского бозона значительно расширило наше понимание фундаментальных взаимодействий и структуры материи.
Физика после Бозона Хиггса
Предполагается, что бозон Хиггса — это далеко не единственная новая частица, которую могут обнаружить на Большом адронном коллайдере. Это связано с тем, что теория, предложенная Энглером, Браутом и Хиггсом в середине 60-х годов, выглядит весьма наивной. Сомнительно, что именно эта теория полностью соответствует действительности, и природа так же наивна, как предполагали ученые в то время. Это представляет собой настоящую интригу.
Мы хорошо знаем, что вакуум не является просто пустым пространством; это скорее кипящий котел, где непрерывно зарождаются и исчезают частицы, возникают и затухают флуктуации. И вот выясняется, что хиггсовский бозон также взаимодействует с этим вакуумом, взаимодействие с частицами, которые непрерывно возникают и исчезают, является очень сильным. Это особенно характерно для бозона Хиггса, в отличие от других частиц, взаимодействие которых с вакуумом слабо, и их эффекты невелики. Масса бозона Хиггса, известная сейчас, равна 125 массам протона, что на порядки меньше, чем ожидалось. Здесь должен существовать механизм, который сохраняет эту массу на столь низком уровне.
Одной из интересных и хорошо разработанных возможностей является представление, что бозон Хиггса вовсе не является элементарной частицей. Как известно, некоторые частицы при низких энергиях могут выглядеть как элементарные, будучи настолько плотными, что внутреннюю структуру различить практически невозможно. Однако при более внимательном рассмотрении оказывается, что они являются составными частицами, состоящими из более фундаментальных. Протон, например, долгое время считался элементарной частицей, но затем выяснилось, что он состоит из кварков. Согласно современным представлениям, кварки, входящие в состав протона, являются элементарными, а сам протон представляет собой связанное состояние этих кварков. Точно так же и бозон Хиггса может оказаться не элементарным.