Premiul Nobel pentru fizică - 2013 • Igor Ivanov • Știri despre "Elemente" • Premiile Nobel, bosonul Higgs, Fizica

Premiul Nobel pentru fizică – 2013

Premiul Nobel pentru Fizică 2013: Francois Engler (în stânga) și Peter Higgs (în dreapta). Fotografie de pe www.efabula.com

Premiul Nobel pentru fizică din 2013 a fost acordat a doi fizicieni, belgianul François Englert și britanicul Peter Higgs (Peter Higgs), pentru "descoperirea teoretică a unui mecanism care ne ajută să înțelegem originea masei particulelor subatomice și care a fost recent confirmată de descoperirea Coagulator de mari adjuvanți ai particulelor noi prezise. " Cu alte cuvinte, pentru ceea ce se numește acum "mecanismul Higgs". Să subliniem: nu pentru descoperirea sau chiar pentru prezicerea bosonului Higgs, ci pentru mecanismul însuși, ecoul căruia este bosonul Higgs. A fost una dintre cele mai previzibile nominalizări în fizică din acest an și, în același timp, o sursă de numeroase dispute legate de prioritate și în general despre semnificația acordării Premiului Nobel pentru acest subiect anumitor persoane.

O mare atenție a fost deja acordată mecanismului Higgs privind "Elementele". În proiectul despre Coordonatorul de Large Hadron Collider există pagini dedicate mecanismului însuși și căutării bosonului Higgs la coliziune.În 2012, când a fost anunțată descoperirea bosonului Higgs la CERN, un articol detaliat a apărut pe elementele cu detalii ale studiului. Starea actuală a programului științific pentru studierea proprietăților bosonului Higgs se reflectă în pagina cu rezultatele LHC, iar ultimele știri apar regulat în feedul de știri LHC din secțiunea Știri a bosonului Higgs. În cele din urmă, se găsește și în materialele unor fizicieni celebri publicați pe Elemente, de exemplu, în prelegerea lui Valery Rubakov.

Repetarea tuturor acestor lucruri nu are prea mult sens; cu toate acestea, cele mai de bază lucruri despre mecanismul Higgs sunt rezumate mai jos sub forma "întrebărilor și răspunsurilor" cât mai curând posibil. Dar Premiul Nobel este un motiv bun pentru a povesti despre istoria descoperirii mecanismului Higgs, despre alegerea dificilă a comitetului Nobel și, în același timp, a corecta impresia pe care un cititor fără experiență îl poate avea atunci când întâlnește acest subiect.

O scurtă notă despre bosonul Higgs

Este adevărat că bosonul Higgs este responsabil pentru masa tuturor particulelor din Univers?
Nu, nu e adevărat. Higgs boson nu dă nimic masei. Câmpul Higgs dă masă, iar bosonul doar "minuni" microscopice, o perturbare a acestui câmp.În plus, câmpul Higgs nu este deloc responsabil pentru întreaga masă a tuturor particulelor. Oferă mase electronilor, muonilor, altor particule grele. Masa protonilor și a neutronilor apare aproape în întregime datorită unui mecanism complet diferit. Deci câmpul Higgs este responsabil pentru aproximativ 1% din masa întregii substanțe din jurul nostru. Găurile negre, nedescoperite până când particulele de materie întunecată și, eventual, neutrinii, își primesc masa și din alte surse.

Și cât de multe bosoni Higgs în jurul nostru?
Deloc. Timpul de viață al bosonului Higgs este neglijabil și se dezintegrează după naștere, fără să aibă timp să interacționeze cu nimic. El nu se poate naște în procesele naturale; condițiile necesare există doar la Coordonatorul de Large Hadron Collider și în procesele astrofizice rare de energie înaltă.

De ce, atunci, bozonul Higgs are nevoie de fizicieni dacă nu apare nicăieri?
Apoi, el va ajuta să cunoască proprietățile și originea câmpului Higgs. Un boson nu este nimic, un câmp este totul, dar acest câmp nu poate fi studiat prin alte mijloace. Întrebarea "Cine are nevoie de toate acestea?" nu este discutat aici, vezi, de exemplu, pagina De ce am nevoie de LHC?

Dacă bosonul Higgs este deja deschis, de ce să îl studiați mai departe?
Fizicienii nu au nevoie atât de mult să verifice prezența bosonului Higgs, cum să-și măsoare proprietățile. Acest lucru se poate face numai prin organizarea nașterii și decăderii bosonului Higgs de mai multe ori și după prelucrarea datelor statistice. Acest lucru necesită câțiva ani de funcționare a agitatorului și prelucrarea atentă a rezultatelor. Rezultatele cercetărilor intermediare apar în mod regulat.

Dacă câmpul Higgs dă masa altor particule, atunci ce dă masa bosonului Higgs?
Există două răspunsuri: simplificate și reale. Este simplificată aceasta: câmpul Higgs însuși dă, deoarece interacționează cu el însuși. Prezentul este mult mai complicat. Dacă ne vom limita la o singură expresie, atunci câmpul Higgs ar da bosonului Higgs o masă nerealistă imensă și, din moment ce nu vedem asemenea minuni în natură, înseamnă altcevaîn plus față de mecanismul simplu Higgs, care interferează cu masa bosonului Higgs. Dar ceea ce este, încă nu știm cu certitudine, deși există multe teorii aici.

Din moment ce câmpul Higgs dă masa particulelor, se dovedește că generează gravitate?
Nu. Gravitatea este asociată cu energia completă a corpului.Câmpul Higgs poate converti o parte din energia totală în energie de odihnă, adică în masă, dar nu afectează direct interacțiunea gravitațională. În fizica modernă, există teorii în care câmpul Higgs are totuși într-un anumit fel ceva în comun cu gravitatea, dar aceasta nu este deloc conexiunea care este de obicei însemnată în această întrebare.

Cine să dea "nobel"?

În conștiința în masă, o descoperire importantă în fizica teoretică, și chiar mai mult, descoperirea marcată de Premiul Nobel, de obicei arată așa. Era o problemă dificilă, nimeni nu putea să o rezolve, indiferent cât de greu au încercat, iar apoi Genius a preluat cazul și singur a produs o teorie complet completă. Din păcate, în majoritatea covârșitoare a cazurilor, situația din știința modernă este destul de diferită. Teoria fizică teoretică este dezvoltată de eforturile comune ale multor mii de specialiști, iar contribuția fiecărei persoane poate fi destul de mică – chiar dacă a devenit o legătură care leagă publicațiile altor persoane înainte și după el.

Mai mult decât atât, se întâmplă ca o întrebare dificilă să nu-i dea o perioadă de odihnă fizicienilor și apoi, în această atmosferă tensionată, idei similare pot veni imediat la minte mai multor oameni.Mai târziu, dintr-o perspectivă de zeci de ani, întreaga teorie care a apărut poate arăta foarte importantă, dar în mod corect să acorde prioritatea unui singur "cel mai important pas" unui fizician care participă la crearea sa, poate fi extrem de dificil. Și uneori criteriul într-un astfel de impas nu este cel care a fost cu adevărat mai important pentru construirea teoriei în sine, dar care, la momentul potrivit și în contextul potrivit, a rostit cuvântul potrivit.

Premiul Nobel pentru Fizică din 2013 este un prim exemplu al acestei situații. Premiul pentru "mecanismul Higgs" a fost atribuit celor doi fizicieni, Peter Higgs și François Engler, și ar fi putut fi acordat și lui Robert Braut, co-autor al lui Engler, dacă ar fi în viață acum. Cu toate acestea, mai mult de o duzină de teoreticieni au avut o mână în crearea mecanismului Higgs (a se vedea figura 2 de mai jos). Și chiar dacă luăm doar articolele din 1964, în care s-a făcut declarația-cheie a mecanismului Higgs și sa dovedit într-o oarecare măsură, atunci este necesar să menționăm cel puțin articolele din trei grupuri. Secvența cronologică a publicațiilor a fost după cum urmează: mai întâi Broute-Engler, apoi două articole Higgs, apoi un articol de Gerald Huralnick, Karl Hagen și Thomas Kibble.Nu este întâmplător faptul că toate cele șase au primit în 2010 prestigiosul premiu Sakurai, acordat de Societatea Americană de Fizică pentru o contribuție remarcabilă la fizica particulelor.

Trebuie spus că situația delicată cu prioritatea în descoperirea acestui mecanism și folosirea constantă a termenului "Higgs" a fost cunoscută de mult timp. Ea a fost discutată în mod repetat în diferite circumstanțe și, în special, a servit drept pretext pentru mai multe schițe și amintiri istorice ale tuturor participanților la această poveste cu jumătate de secol în urmă. O selecție a acestor materiale, a se vedea lista legăturilor de la sfârșitul articolului.

Curs scurt al istoriei mecanismului Higgs

Fig. 2. "Higgstoria incompletă": o reprezentare schematică a contribuției diferiților fizicieni teoretici la ceea ce se numește acum "mecanismul Higgs"; săgeți Aceasta arată impactul pe care anumite teorii îl au asupra celorlalți. Bej bloc în centrul schemei – Patru articole din 1964, despre care se face referire de obicei în literatura științifică, la menționarea mecanismului Higgs. Schema lui Matt Strasler

În fig. Figura 2 prezintă o diagramă făcută de fizicianul proeminent Matt Strassler despre modul în care mecanismul Higgs a cristalizat în lucrările a zeci de teoreticieni în anii 1950 și 1960.Faptul că această schemă este denumită "teribil de incompletă" nu este deloc o glumă, era cu adevărat nerealist să ținem cont de toți cei care, într-o oarecare măsură, aveau o mână în ea. Blocul central, evidențiat, include cele patru articole menționate; se vede clar că aceste lucrări se bazează pe munca diferiților predecesori. Vom încerca să descriem pe scurt, să nu intrăm în detalii prea tehnice, cine a făcut ce și cine a influențat pe cine.

Până la sfârșitul anilor 1950, a fost formulată o ipoteză îndrăzneață: interacțiunile puternice și slabe pot fi, de asemenea, descrise ca interacțiuni de ecartament, cum ar fi electrodinamica cuantică reușită (a se vedea întreaga istorie a dezvoltării fizicii elementare a particulelor pe o singură pagină). În astfel de teorii, interacțiunea dintre particule apare independent ca urmare a simetriei teoriei în raport cu anumite transformări, iar câmpul de forță fizică este obținut prin schimbul de particule purtătoare. Este adevărat, spre deosebire de electromagnetism, aceste domenii ar trebui să fie neobișnuite pentru a descrie interacțiunile puternice sau slabe. Teoria unei astfel de interacțiuni a fost construită de ZH. Young și R. Mills în 1954 și se bazează pe o bogată simetrie "internă" a particulelor.

Totul ar fi minunat dacă nu ar fi un detaliu important.Dacă ar exista această simetrie în lumea noastră, atunci particulele purtătoare de interacțiuni slabe ar fi fără masă. Dar nu vedem astfel de particule. Prin urmare, dacă această simetrie are ceva de-a face cu lumea noastră, atunci ea ar trebui spartă spontan. Aproximativ, chiar dacă ecuațiile sunt simetrice, soluțiile lor, care descriu lumea noastră, nu sunt.

Cum să construim o teorie cu spargere simetrică spontană, știu fizicienii. În fizica materiei condensate, acest lucru a fost cunoscut de mult timp, iar Nambu a aplicat aceste idei particulelor elementare în 1960. Trebuie să presupunem existența unui nou tip de câmp scalar, care are o proprietate neobișnuită: în starea cea mai scăzută de energie, acest câmp nu este deloc absent, ci umple întregul Univers cu un fond continuu omogen (ilustrațiile mecanismului Higgs vor ajuta la înțelegerea acestei imagini). Exemple de astfel de câmpuri au fost deja cunoscute în unele zone non-relativiste ale fizicii (de exemplu superfluiditatea și superconductivitatea), dar modul de aranjare a acesteia în teoriile relativiste reale ale particulelor elementare nu a fost foarte clar.

În plus, apare un nou atac: când simetria este spontan spartă, particulele fără masă apar deja în câmpul scalar.Această declarație a fost numită "teorema Goldstone", iar în forma finală a fost strict dovedită în 1962. Concluzia din aceasta a fost destul de rigidă: dacă este așa, atunci diferite încercări interesante de a lega proprietățile particulelor elementare cu încălcarea spontană a unui fel de simetrie internă sunt lipsite de rezultate. La urma urmei, atunci vor apărea inevitabil particule scalare fără masa, dar cu siguranță știm că ele nu există în natură.

Astfel, până acum, este posibil să se pună deoparte toate proprietățile particulelor reale și interacțiunile reale și să se ridice o întrebare foarte specifică, chiar dacă mai degrabă teoretică: există oricum o ocolire a teoriei Goldstone? Este posibilă ruperea simetriei, dar evitarea apariției bosoanelor fără masă?

În anii 1962-1963, lucrările au apărut pentru prima dată de Schwinger și apoi de Anderson, în care se dau exemple concrete despre modul în care această teoremă poate fi eludată. Și în articolul său, Anderson a formulat direct o observație-cheie care pune lucrurile în locul său:

Sunt prezenți bosoni masivi, dar sunt imediat încurcați cu particulele fără masa – purtători ai interacțiunii; Din cauza acestei încurcări, particulele scalare fără masă devin ele însele nevăzute, însă particula purtătoare devine masivă.

Această idee – "o particulă scalară fără masa și un purtător fără masă – purtător masiv" – se află în centrul mecanismului Higgs. De aceea, Anderson ar fi considerat autorul acestei idei dacă nu ar fi o subtilitate: exemplul lui Anderson a fost legat de teoria non-relativistă. El a sperat că ar putea fi pus în aplicare pentru teoriile relativiste, dar cu cât nu a demonstrat exact acest lucru.

1964

Evenimentele ulterioare din 1964 păreau mai degrabă ca un schimb de "scrisori deschise", nu mai mult de o pagină în dimensiune decât ca articole științifice cu drepturi depline (și, din întâmplare, nu au fost publicate în reviste Reviste de examinare fizică și Scrisori de fizică). Problema din martie a lui PRL: Klein și Lee subliniază din nou că dovada teoremei Goldstone se bazează pe o covarianță relativistă completă în formularea unei teorii și se pare că teorema nu poate fi dovedită fără ea. Poate aceasta este o portiță? Trei luni mai târziu, Hilbert obiectează: desigur, aceasta este o lacună, dar va ajuta doar la teoriile non-relativiste. Și construim teorii ale interacțiunii particulelor elementare într-un mod invariabil relativist, așa că, din păcate, dar nu va funcționa.

În septembrie 1964, în această remarcă a apărut controversa Higgs.Acest lucru este adevărat, spune el, dar să nu uităm că teoriile gauge au propriile caracteristici importante care nu permit o astfel de formulare rigidă. Deci puteți construi o teorie astfel încât atât simetria să fie întreruptă, cât și particulele de masă să nu reușească. În ediția din octombrie a revistei PRL, Higgs a dat un exemplu concret (deși la nivelul teoriei clasice, mai degrabă decât a celei cuantice) și, între cazuri, a scris în text simplu că, în afară de tot, a apărut și o nouă particulă fizică.

În paralel cu această corespondență din numărul din august al PRL – adică înainte de primul articol al lui Higgs – a apărut un articol în trei pagini al lui Broute și al lui Engler, dedicat aceleiași probleme. Ei nu au răspuns obiecțiilor specifice ale cuiva, ci doar au construit un exemplu al teoriei necesare, în plus, în teoria lui Yang-Mills. Deoarece această lucrare a apărut aproape simultan cu primul articol al lui Higgs, nu există o referință încrucișată în ele, însă al doilea articol al Higgs-ului o menționează deja.

În noiembrie 1964, un articol al lui Guralnik, Hagen și Kibble apărea în PRL cu privire la aceeași problemă. Ei nu știau despre publicațiile Higgs și Braut-Engler până în ultima clipă și au primit jurnale cu lucrările lor, doar pregătindu-și articolul pentru trimitere.După aceasta, ei trebuiau să completeze textul articolului cu noi comentarii, dar, în general, au văzut situația după cum urmează: ceea ce nu a fost complet elaborat de Braut-Engler și Higgs, ei au o privire completă.

Rețineți că bosonul Higgs ocupă un loc neimportant în această poveste. Toate controversele se desfășoară în jurul posibilității unei construcții corecte. teorie, căutând o ocolire a teoremei Goldstone, periculoasă pentru aplicațiile interesante ale teoriei Yang-Mills. Mai mult, atunci când a venit la aplicații specifice, majoritatea oamenilor au încercat apoi să folosească noua metodă pentru a explica masele de hadroni și nu particulele ipotetice – purtători de interacțiuni slabe! Deci, din punctul de vedere al rezolvării acestei probleme, noul boson, care pentru prima dată este menționat explicit numai în Higgs, nu a fost un nou realizări și, în general, nu a fost cumva legată de teoriile privind interacțiunile slabe. Cu toate acestea, decenii mai târziu, această menționare directă a unui fapt irelevant a fost transformată în percepția în masă în "prezicerea bosonului Higgs" ca un element esențial al întregului epic.

Deoarece aceste lucrări erau pur tehnice, atunci, bineînțeles, povestea nu sa terminat acolo.Au urmat alte articole, uneori legate de ele, uneori nu. De exemplu, în 1966, destul de tânăr, atunci Alexander Migdal și Alexander Polyakov au publicat un articol în JETP cu aceleași rezultate obținute într-un mod diferit. În memoriile sale, Migdal spune că au încercat să publice acest articol timp de doi ani, dar la început nimeni nu a vrut să o ia în serios (a se vedea și memoriile lui Alexander Polyakov și materialele care însoțesc premiul Nobel). Și, în general, întrebarea despre ce este o încălcare a simetriei gabaritului în general a fost discutată de mai mulți ani (vezi, de exemplu, teorema lui Elitzur din 1975). Cu toate acestea, subliniem: cu excepția operelor individuale, de mult timp accentul a fost pus pe teoria însăși, și nu pe bosonul Higgs.

Rolul bosonului este convenabil pentru observație experimentală "Ecoul" mecanismului a fost realizat cu adevărat abia în anii '70. La aproximativ același timp, epithetul convenabil și scurt, dar nu destul de corect "Higgs" a rămas blocat, precum și mecanismului însuși. După ce a fost construită teoria interacțiunilor electroweak, care sa bazat, printre altele,acest mecanism, după ce sa arătat că această teorie este renormalizabilă (adică auto-consecventă și potrivită pentru calcule), a apărut un interes larg răspândit între fizicieni în proprietăți și în căutarea bosonului Higgs.

Teoreticienii au început să calculeze procesele de naștere și degradare a bosonului, iar experimenții au început să îl caute la toți colizii. Din păcate, nu au găsit urme, dar nu a deranjat pe nimeni prea mult, deoarece masa bosonului a rămas necunoscută. Bozonul nu a fost vizibil la colizoarele uriașe LEP de la CERN și la Tevatron la Fermilab, dar pe de altă parte, a început să se "simtă" indirect în totalitatea datelor acumulate de timp cu privire la testarea modelului standard. Până atunci, majoritatea covârșitoare a fizicienilor s-au convins că bosonul există, aparent, ceea ce înseamnă că mecanismul Higgs este real, dar a existat o lipsă de atingere finală – descoperirea directă a bosonului Higgs în experiment. A fost făcută la LHC în 2012, și astfel, după o jumătate de secol (!) După o descoperire teoretică, a confirmat în cele din urmă validitatea mecanismului Higgs de rupere a simetriei electroweak.

Ei bine, pentru o gustare, pentru a simți mai bine cine a participat la construirea teoriei, încercați să numărați cât de mulți oameniNumele enumerate în această știre sunt laureații Nobel (indiciu: nu numai câștigătorii fizicii!).

Referințe:

Cele patru articole standard, care sunt de obicei asociate cu dezvoltarea mecanismului Higgs:
1) F. Englert și R. Brout. Broken Symmetry and Mesenger Mesons Vector // Phys. Rev. Lett. 13, 321-323 (1964).
2) P. W. Higgs. Simetrii sparte, particule fără masă și câmpuri de ecartament // Phys. Lett. 12, 132-133 (1964).
3) P. W. Higgs. Simetrii rupte și masele bosonilor cu ecartament // Phys. Rev. Lett. 13, 508-509 (1964).
4) G.S. Guralnik, C. R. Hagen și T. W. B. Kibble. Legile de conservare globală și particulele fără masă Phys. Rev. Lett. 13, 585-587 (1964); O versiune mai detaliată a acestei lucrări în prezentarea lui Gerald Guralnik a fost publicată în 1965 și recent publicată în arhiva e-print-urilor.

Istoria dezvoltării teoriei în prezentarea participanților săi direcți:
1) R. Braut, F. Engler. Spontanitatea simetriei de rupere în teoria gabaritului: un studiu istoric (1998).
Interviu cu Philip Anderson (1999).
2) mecanismul T. Kibble, Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble (istoric).
3) G. S. Guralnik. Istoria dezvoltării ideii cu detalii tehnice și compararea articolelor din mai multe grupuri, vezi și Începuturile spontane de rupere a simetriei în fizica particulelor, comentariile istorice și fotografiile .
4) P. Higgs. Preistoria bosonului Higgs și Viața mea ca un Boson – o scurtă descriere a evoluțiilor.

Vezi și:
1) Anunțarea premiului și o descriere detaliată a situației pe site-ul oficial al Premiului Nobel.
2) Povestea Twists and Turns of Hi (gg) este o intrare de blog de Matt Strassler, cu o încercare de a oferi o explicație detaliată, corectă și accesibilă a locului și rolului celor trei articole în întreaga dezvoltare a teoriei.
3) J. Bernstein. O chestiune de masă // Am. J. Phys. 79, 25 (2011).
4) L.Alvarez-Gaume, J. Ellis. Ochii pe o particulă a premiului // Fizica naturii 7, 2-3 (2011).
5) J. Ellis, M. K. Gaillard, D. V. Nanopoulos. Profilul fenomenologic al bosonului Higgs, povestea istorică a modului în care bosonul Higgs dintr-o particulă pur teoretică sa transformat într-un obiect de cercetare experimentală.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: