Higgs mechanizmus

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. július 15-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 2 szerkesztést igényelnek .

A Higgs -mechanizmus vagy a Higgs-mechanizmus , amelyet Peter Higgs angol fizikus javasolt 1964-ben, egy olyan elmélet, amely leírja, hogy a gyenge erő hordozó részecskéi ( W- és Z-bozonok ) hogyan tesznek szert tömegre. Például ez különbözteti meg a Z-bozont a fotontól . Ez a mechanizmus a tachion kondenzáció elemi esetének tekinthető , ahol a tachion szerepét a Higgs-mezőnek nevezett skaláris mező játssza . Ennek a mezőnek a hatalmas kvantumát Higgs -bozonnak nevezték el .

A Higgs-mechanizmus a következőképpen ábrázolható. Az asztal felületén szétszórva kis habgolyók (tömeg nélküli részecskék analógjai) könnyen szétszóródnak a legkisebb lehelettől; A víz felszínére öntve azonban már nem mozognak olyan könnyen - a folyadékkal való kölcsönhatás, amely ebben a hasonlatban a vákuum-Higgs-mező szerepét tölti be, tehetetlenséget adott nekik . A lehelet hullámai a víz szabad felszínén hasonlóak lesznek a Higgs-bozonokhoz. Ennek a hasonlatnak a pontatlansága abban rejlik, hogy a víz zavarja a golyók bármilyen mozgását , míg a Higgs-vákuumtér nem befolyásolja az egyenletesen és egyenesen mozgó részecskéket, hanem csak ellensúlyozza azok gyorsulását (az úgynevezett tehetetlenségi tömeg kialakulásáig ). [1] .

Fejlesztési előzmények

A 20. század közepén számos kísérlet kimutatta a tömeg jelenlétét részecskékben (mérőbozonokban), amelyek kicserélődése révén alapvető kölcsönhatásokat írnak le . Ezért a részecskék mozgásegyenletébe be kellett vezetni a tömeg kifejezését. A tömegtagú szelvénymezők mozgásegyenletei nem invariánsak a lokális szimmetriatranszformációk (mérőtranszformációk) tekintetében, vagyis ezek az egyenletek a szelvénytranszformációk hatására változni fognak. Az alapvető kölcsönhatások tulajdonságai azonban megkívánják, hogy a mozgásegyenletek ne változzanak szelvénytranszformációk hatására (mértékinvariánsak), így a tömegre vonatkozó kifejezések bevezetése sértené a természet törvényeit.

Higgs áttörése az volt, hogy egy vektorbozon (amelyet néha mérőbozonnak is neveznek) tömege hatékonyan jelenik meg ennek a bozonnak a skalármezővel való bizonyos kölcsönhatásának eredményeként . Ezt a mechanizmust az elektrogyenge szimmetria spontán megtörésének modelljével összefüggésben javasolták, amelyet Yoichiro Nambu és mások alkottak meg, hogy megkíséreljék megmagyarázni az erős erő természetét [2] . Higgs és mások ezt a mechanizmust elsősorban a nem-abeli szimmetriacsoportok esetére fejlesztették ki .

A Higgs-elméletet Ernst Stückelberg 1957-ben megelőlegezte (lásd a Stückelberg-akciót ). Maga Higgs Philip Anderson javaslatára támaszkodott . A mechanizmus ötlete egy skót hegyvidéki hadjárat során támadt [3] . Higgstől függetlenül Robert Braut és François Engler a Brüsszeli Szabadegyetemről , valamint G. S. Guralnik , C. R. Hagen és T. W. B. Kibble az Imperial College -tól hasonló következtetésekre jutott .

1964-1965-ben. A. M. Polyakov és A. A. Migdal szovjet diákok , akik nem tudtak a nyugati tudósok munkájáról, ugyanezen mechanizmus dinamikus változatát javasolták [4] . Cikküket ebben a témában a ZhETF szerkesztői késleltették, és csak 1966-ban jelentek meg [5] .

Spontán szimmetriatörés

A mérőbozonok tömegének a természeti törvények megsértése nélküli magyarázatára a spontán szimmetriatörés fogalmát használjuk. Egy további mező kerül bevezetésre - a Higgs-mező , amely kölcsönhatásba lép az összes többi mezővel, és ezen a kölcsönhatáson keresztül tömeget ad a mérőbozonoknak.

A részecskefizikai spontán szimmetriatörési modell használatával az a probléma, hogy Jeffrey Goldstone tétele szerint egy tömeg nélküli skaláris részecskét jósol meg, amely egy φ irányú kvantumgerjesztés , az úgynevezett Nambu-Goldstone bozont , vagy egyszerűen a Goldstone bozon. Egy ilyen részecske energiája tisztán kinetikus energia , ami a kvantumtérelméletben azt jelenti, hogy a részecskének nincs tömege. Tömeg nélküli skaláris részecskéket azonban nem találtak.

Hasonló probléma a Yang–Mills-elméletben , más néven nem-Abeli-féle mérőelméletben , a tömeg nélküli méretű bozonok létezése volt, amelyeket (a fotonon kívül) szintén nem fedeztek fel. Higgs nagyon ügyes volt, amikor azt találta, hogy a mérőműszer elméletének és a spontán szimmetriatörés modelljének kombinálásával két probléma nagyon szépen megoldódik. Higgs hibát talált Goldstone tételében : ez a tétel nem érvényes a helyi nyomtáv szimmetriájára.

A Higgs-mechanizmus pontosan leírja a lokális szimmetria megsértését, amelyben Goldstone- bozonok nem jelennek meg . A Higgs-mező kvantumgerjesztései helyett longitudinális szabadsági fokok jelennek meg a mérőmezők polarizációjára. (Például a kvantumelektrodinamikában a fotonnak, mint tömeg nélküli vektornak (vagyis 1-es spinnel rendelkező) töretlen szimmetriájú mezője csak két átmeneti polarizációs szabadságfokkal rendelkezik. Amikor a skalármező kombinálódik a mérőelmélettel, akkor a tömeg nélküli Higgs-gerjesztés φ egyesül a vektorbozonnal, és egy hatalmas vektorbozont alkot.

Higgs-potenciál

A Higgs- potenciál definíciója a következő Lagrange -függvény segítségével ábrázolható :

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

ahol a Higgs-mező, és a pozitív valós számok, és az invariáns derivált, ahol a mérőcsoport-generátor, és azok a mérőmezők, amelyeknek tömeget kell létrehozniuk a Higgs-mechanizmuson keresztül. $\phi$ $m$ $\lambda$ $D_{{\mu }}=\részleges _{{\mu }}-igT_{a}A_{{\mu }}^{a}$ $T_{a}$ $A_{{\mu }}^{a}$

Ahhoz, hogy megértsük, hogyan jelennek meg a részecsketömegek ebben a Lagrange-ban, érdemes figyelembe venni a potenciált ${\mathcal {V))$

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

Ez a valós egykomponensű mező φ potenciálja egy negyedrendű W alakú parabolát ír le.

Mivel a φ mező összetett, a potenciál három dimenzióban ábrázolható ennek a parabolának a szimmetriatengely körüli forgásfelületeként. Ennek a felületnek az alakja egy pezsgősüveg fenekére hasonlít a komplex sík felett. (Ha a φ -nek több összetett összetevője van, nincs egyszerű vizualizáció.) ${\mathcal {V}}(\varphi )$

Nyilvánvalóan sok lehetséges minimum létezik (a minimumok köre két dimenzióban). A potenciál minimumok a mező legkedvezőbb állapotai, mivel ezekben minimális a térenergia. Így a Higgs-mezőnek egynél több alapállapota van (azaz minimális energiájú állapotok), és "degenerált alapállapotról" beszélünk.

A φ mező alapállapotban úgynevezett kondenzátumot képez :

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

amelyet a nulla állapotok kiszámításával kapunk. A Higgs-mező ezután definiálható úgy, hogy ahány komponens a tömeghez tartozó mérőmezők száma, ne hagyjon sok nulla pozíciót egyetlen nulla pozícióból. Egy egykomponensű komplex mező esetében, amelynek potenciálja egy pezsgősüveg fenekeként ábrázolható, egy ilyen komponens egy szögkomponens, amely meghatározza a minimumok körén a helyet. Ezek az összetevők nem változtatják meg a Higgs-mező energiáját. Elvethetők, mivel a kérdéses hatás szempontjából irrelevánsak.

A fennmaradó komponensek megváltoztatják a Higgs-mező energiáját, és nem dobhatók el. Ezeket a komponenseket részecskemezőkként írhatjuk le, amelyeket később Higgs-bozonoknak neveznek. A vákuum várható értéke a mérőmezőkre vonatkozó kifejezésekkel együtt a tömegek kifejezésének invariáns deriváltjából ad. Mivel a Higgs-mező a mérőműszer-transzformációk során változik, a mérőmezők és a Higgs-bozonok közötti kölcsönhatásra vonatkozó kifejezések a mérőműszer-transzformáció során olyan kifejezéseket adnak, amelyek kiküszöbölik a mérőmezőtömegekre vonatkozó kifejezések további bonyodalmait. Így a mozgásegyenlet az esetleges tömegkomplikációk ellenére is megfelel a szelvény invariancia követelményének.

Fejlesztés

Amikor a modellt leíró Higgs-dokumentumot először benyújtották a Physical Review Letters -nek, elutasították, nyilvánvalóan azért, mert nem jósoltak meg semmilyen új, kísérletileg megfigyelhető hatást. Majd a cikk végéhez fűzött egy mondatot, amelyben megemlítette, hogy új vagy új masszív skaláris bozonok létezését feltételezik, amelyek nem elegendőek a szimmetria teljes megértéséhez. Ezek a Higgs-bozonok .

A szimmetria megtörése előtt minden részecske (kivéve magát a Higgs-bozont) nem rendelkezik tömeggel, és a szimmetria nem törik meg, mint a ceruza forgásszimmetriája a hegyén. De a skalármező a maximális energiájú pontról egy véletlenszerűen kiválasztott irányban a minimumra csúszik – mint egy véletlenszerűen leeső ceruza. Fontos, hogy a szimmetria ne tűnjön el - csak rejtett lesz. Ennek eredményeként az eredeti szimmetria megbomlik, és az elemi részecskék - leptonok , kvarkok , W- és Z-bozonok - tömeget szereznek. A tömeg megjelenése más részecskék „Higgs-óceánnal” való kölcsönhatásának eredményeként értelmezhető.

A Higgs-mechanizmust Steven Weinberg a modern részecskefizika keretein belül fejlesztette ki, és a szabványos modell lényeges része .

Az elmélet egyik következménye a Yukawa kölcsönhatása a Standard Modell fermionikus mezőivel, amely tömeget ad a kvarknak és a leptonoknak.

Higgs modellek

A szabványos modellhez Higgs-mechanizmus szükséges az elektrogyenge szimmetria-töréshez, de nem mondja meg pontosan, hogyan működik ez a mechanizmus.

Általában a minimális Higgs-modellt veszik figyelembe (amely a Standard Modellben szerepel), amelyben az elektrogyenge transzformációk során csak egy elektrogyenge Higgs-mező dublett jön létre, míg az elektrogyenge szimmetria feltörése után csak egy szabványos Higgs-bozon jelenik meg. Egy ilyen, egy dupla Higgs-modellt 1HDM-nek nevezhetünk. De a teoretikusok a nem-minimális Higgs-modelleket is figyelembe veszik, amelyek között van két-dublet (2HDM), több-dublett és nem-dublet [6] .

A két-dupla Higgs-modell (2HDM) öt Higgs-bozont termel – három semleges (H, h, A) és két töltött (H + és H − ), és számos új paraméterrel rendelkezik, így az ilyen modelleknek számos változata létezik, pl. , az inert kétdupla modell.

A többszörös dublettes Higgs-modellekben a fizikai Higgs-bozonok száma növekszik, például a privát Higgs-modellben minden fermionhoz egy dublett tartozik, ami kiküszöböli a fermionos tömeghierarchiák problémáját .

A nem dublett modellekben a dubletten (vagy dubletteken) kívül további mezők is lehetnek - szinguettek, triplettek stb., És ennek megfelelően más Higgs-bozonok keletkeznek, például 2 töltéssel (H ++ , H −− ) elméletben triplett mezőkkel.

A Minimal Supersymmetric Standard Model ( MSSM ) két Higgs-dublettet tartalmaz.

A minimál utáni szuperszimmetrikus standard modell ( NMSSM ) két dublettet és egy szingulettet tartalmaz.

A "Small Higgs" modellben a Higgs-bozon nem alapvető részecske, hanem néhány új, 10 TeV vagy annál nagyobb tömegű részecskéből áll, ami lehetővé teszi az ún. "LEP paradoxon" természetes kiküszöbölését. előrejelzett új részecskék megfigyelése, különösen a 200 GeV összenergiájú LEP ütköztetőnél).

Higgs-mentes modellek

Ugyanakkor számos olyan konstrukció létezik, amelyek lehetővé teszik a részecskék tömegének megmagyarázását a Standard Modellben a Higgs-mechanizmus bevonása nélkül. Az, hogy a modellek közül melyiket erősítik meg, a Higgs-bozon keresésének eredményétől függ, amelyet jelenleg a Nagy Hadronütköztetőben végeznek (2012. július 4-én a CERN képviselői arról számoltak be, hogy egy új részecske körülbelül 125 tömegű. Az LHC mindkét fő detektoránál 126 GeV / s² volt megfigyelhető. Erős okunk volt feltételezni, hogy ez a részecske a Higgs-bozon. 2013 márciusában a CERN fizikusai megerősítették, hogy a hat hónappal korábban talált részecske valóban a Higgs-bozon . ] [8] .

Példa

A standard modellt, különösen az elektrogyenge elméletet hasonló mérőelméletek írják le. A Higgs-mező vákuum várható értéke megtöri a lokális mérőszimmetriát (megmaradási mennyiségek: gyenge izospin és gyenge hipertöltés ), elektromágneses U(1) szimmetriát hozva létre (megmaradási mennyiségek: elektromos töltés ). Emiatt a három mérőbozon (W és Z bozon) tömege és hosszanti polarizációs foka nő. A Higgs-mező negyedik polarizációs foka, amely SU (2) dublett lévén két komplex = 4 valós mezőből áll, a Higgs-bozon . $SU(2)\szer U(1)$

Lásd még

A modern fizika megoldatlan problémái

Jegyzetek

↑ A Higgs-mechanizmus az analógiákban . Hozzáférés dátuma: 2008. szeptember 6. Az eredetiből archiválva : 2012. február 16. (határozatlan)
^ Ezeket a modelleket Lev Landau és Vitalij Ginzburg a kondenzált anyag elméletéről szóló munkája ihlette .
↑ A tudósok felfedezték az „Isten” részecskét | Herald Scotland
↑ [https://web.archive.org/web/20201112030344/https://arxiv.org/abs/hep-th/9211140 Archiválva : 2020. november 12. a Wayback Machine -nél [hep-th/9211140] Egy nézet a sziget]
↑ Cikk . Letöltve: 2020. november 24. Az eredetiből archiválva : 2013. december 3. (határozatlan)
↑ A Higgs mechanizmus nem minimális változatai . Letöltve: 2011. július 2. Az eredetiből archiválva : 2011. július 3.. (határozatlan)
↑ CERN: az ütközőnél felfedezett részecske valóban Higgs-bozon . Letöltve: 2013. október 8. Az eredetiből archiválva : 2013. március 17.. (határozatlan)
↑ Az új eredmények azt mutatják, hogy az új részecske egy Higgs-bozon . CERN (2013.03.14.). Letöltve: 2013. október 8. Archiválva az eredetiből: 2015. október 20. (határozatlan)

Linkek

Asztronet. "Ideje megkeresni a Higgst"
A Higgs Electroweak szimmetriatörő mechanizmus – egyszerű szavakkal elmagyarázva
Higgs-mechanizmus a Physical Encyclopedia-ban
A BHE mechanizmus és skalárbozonja F. Engler
Névleges részecske Alexey Levin "Népszerű mechanika" 3. szám, 2012