CERN

×

prawie 50 lat po przewidywaniach fizycy cząstek elementarnych w końcu uchwycili bozon Higgsa. Komitet Noblowski przyznał tegoroczną nagrodę w dziedzinie fizyki dwóm teoretykom, którzy zainicjowali polowanie na cząstki. François Englert z Wolnego Uniwersytetu w Brukseli (ULB) i Peter Higgs z Uniwersytetu w Edynburgu (Wielka Brytania) niezależnie opracowali model wyjaśniający, dlaczego cząstki nie są bezmasowe, a model ten wymaga istnienia bozonu Higgsa. Obie prace zostały opublikowane w 1964 w „Physical Review Letters”.

bozon Higgsa jest ostatnim elementem standardowego modelu fizyki cząstek elementarnych, który należy zaobserwować po dziesięcioleciach poszukiwań. W czerwcu 2012 roku CERN ogłosił z wielkim entuzjazmem, że Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w Genewie odkrył cząstkę o odpowiednich właściwościach, jak bozon Higgsa, co oznaczało, że naukowcy potwierdzili fundamentalną teorię masy.

bozon Higgsa technicznie nie daje masy innym cząstkom. Dokładniej rzecz ujmując, cząstka jest kwantyzowanym przejawem pola (pola Higgsa), które wytwarza masę poprzez swoje oddziaływanie z innymi cząstkami. Ale dlaczego masa nie może być po prostu przyjęta jako dana?

odpowiedź pochodzi z poprzednich prac z dziedziny kwantowej teorii pola. Pola kwantowe są podobne do bardziej znanych pól, takich jak pola elektryczne i magnetyczne. Ale pola kwantowe zawierają Stany wzbudzone, które obserwujemy jako cząstki. Pola te można podzielić na pola materii (których cząstkami są elektrony, kwarki itp.) i pola siłowe (których cząstkami są fotony, gluony itp.). Pod koniec lat 40. teoretycy wykazali, że kwantowa teoria pola fotonów i elektronów może z powodzeniem wyjaśniać oddziaływania elektromagnetyczne przy wysokich energiach.

teoria miała jednak problemy z modelowaniem oddziaływań jądrowych. Krótki zasięg słabej siły jądrowej sugerował, że odpowiadające jej cząstki mają masę, w przeciwieństwie do bezmasowego fotonu, cząstki związanej z polami elektromagnetycznymi. Po prostu nałożenie masy na cząstkę przenoszącą siłę miało katastrofalne skutki, powodując, że pewne przewidywania rozchodziły się do nieskończoności. Na początku lat 60. teoretycy byli zajęci szukaniem alternatywnych sposobów wprowadzenia masy do teorii.

rozwiązanie sformułowane przez Higgsa, Englerta i Roberta Brouta (który pracował z Englertem w ULB, ale obecnie nie żyje) proponuje, że cała przestrzeń jest wypełniona polem, które oddziałuje ze słabymi cząstkami siły, aby nadać im masę. Dzieje się tak, ponieważ przyjmuje się, że pole nie jest równe zero w pustej przestrzeni. Ten niezerowy stan podstawowy narusza symetrię, która jest uważana za fundamentalną dla kwantowej teorii pola. Wcześniejsze prace wykazały, że tego rodzaju łamanie symetrii doprowadziło do powstania bezmasowej, bez spinowej cząstki, która została wykluczona przez eksperymenty . Englert, Brout i Higgs pokazali, jak można sprawić, że ta niechciana cząstka zniknie poprzez połączenie pola wypełniającego przestrzeń z polem słabej siły. Kiedy rozpracowali wszystkie interakcje, odkryli, że cząstki siły faktycznie mają masę, a niechciana, bezmasowa, bezspinowa cząstka została zasadniczo wchłonięta przez słabe cząstki. W rezultacie cząstki te uzyskały trzeci stan spinu, a jedyną pozostałą cząstką bez spinu był masywny bozon Higgsa. Podobna teoria została opracowana przez trzeci zespół teoretyków w tym samym roku .

późniejsze prace wykazały, że mechanizm Brouta-Englerta-Higgsa (w skrócie „Mechanizm Higgsa”) może nadawać masę nie tylko słabym cząstkom, ale także elektronom, kwarkom i innym cząstkom fundamentalnym. Im silniej cząstka oddziałuje z polem Higgsa, tym jest bardziej masywna. Należy jednak zauważyć, że większość masy w cząstkach złożonych, takich jak protony, jądra i atomy, nie pochodzi z mechanizmu Higgsa, ale z energii wiązania, która utrzymuje te cząstki razem.

„Brout, Englert i Higgs przedstawili bardzo sprytny pomysł, znany obecnie jako mechanizm Higgsa”, mówi Michael Turner z University of Chicago. „Wyjaśnia jedno z najprostszych pytań, jakie można zadać: dlaczego cząstki mają masę? Takie proste pytanie-ale bardzo głębokie-że wielu nawet nie myśli, aby je zadać.”Aby zweryfikować ten mechanizm, fizycy cząstek elementarnych skonstruowali LHC, największą i najbardziej zaawansowaną technologicznie maszynę, jaką kiedykolwiek zbudowano, mówi Joseph Incandela, rzecznik eksperymentu CMS, który był jednym z detektorów, które wykryły bozon Higgsa. „Myślę, że ludzie patrzą na to i czują, że fizyka cząstek elementarnych zrobiła coś takiego jak lądowanie na Księżycu”, mówi.

–Michael Schirber

Michael Schirber jest redaktorem fizycznym z Lyonu we Francji.

1. J. Goldstone, „field theories with Superconductor Solutions,” Nuovo Cimento 19, 154 (1961); J. Goldstone, A. Salam, and S. Weinberg,” Broken Symmetries, ” Phys. Rev. 127, 965 (1962)
2. G. S. Guralnik, C. R. Hagen, and T. W. B. Kibble,” Global Conservation Laws and Massless Particles, ” Phys. Wielebny Lett. 13, 585 (1964)

więcej informacji

• Ogłoszenie Nagrody Nobla z towarzyszącym tłem

  Focus story on 2008 Nobel Prize for theory of symmetry breaking

  Krótka historia mechanizmu Higgsa z Uniwersytetu w Edynburgu

obszary tematyczne

cząstki i pola

Nowy Tetrak zaobserwowany w zderzeniach elektron-pozyton zderzenia pozytonowe

11 marca 2021

wykrycie nowej cząstki zawierającej zarówno kwarki powabne, jak i dziwne może dać nowy wgląd w powstawanie hadronów. Czytaj więcej „

cząstki i pola

tunele czasoprzestrzenne otwarte do transportu

Marzec 9, 2021

nowe teorie tuneli czasoprzestrzennych—postulowane tunele w czasoprzestrzeni—badają, czy mogą być przemieszczane przez ludzi. Czytaj więcej „

cząstki i pola

chłodzenie wiązek Hadronów z impulsami elektronowymi

styczeń 6, 2021

pulsacyjne wiązki elektronów mogą być używane do chłodzenia wiązek jonów i protonów krążących w pierścieniu magazynującym Hadronów—obiecujący rozwój dla przyszłych akceleratorów o wysokiej energii. Czytaj więcej „

więcej artykułów