Higgs mekanisme

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 15. juli 2022; checks kræver 2 redigeringer .

Higgs-mekanismen , eller Higgs-mekanismen , foreslået af den engelske fysiker Peter Higgs i 1964, er en teori, der beskriver, hvordan bærerpartiklerne fra den svage kraft ( W- og Z-bosoner ) opnår masse. For eksempel gør det Z-bosonen anderledes end fotonen . Denne mekanisme kan betragtes som et elementært tilfælde af tachyonkondensering , hvor rollen som tachyon spilles af et skalarfelt kaldet Higgs-feltet . Det massive kvantum af dette felt er blevet navngivet Higgs-bosonen .

Higgs-mekanismen kan visualiseres som følger. Spredt på overfladen af bordet spredes små skumkugler (analoger af masseløse partikler) let fra den mindste ånde; Men når de hældes ud på vandoverfladen, bevæger de sig ikke længere så let - interaktionen med væsken, som i denne analogi spiller rollen som et vakuum Higgs-felt, gav dem inerti . Krusningerne fra åndedrættet på den frie overflade af vandet vil være analoge med Higgs-bosonerne. Unøjagtigheden af denne analogi ligger i det faktum, at vand forstyrrer enhver bevægelse af kuglerne, mens Higgs-vakuumfeltet ikke påvirker partikler, der bevæger sig ensartet og retlinet, men kun modvirker deres acceleration (til fremkomsten af den såkaldte inertimasse ). [1] .

Udviklingshistorie

I midten af det 20. århundrede viste mange eksperimenter tilstedeværelsen af masse i partikler (gauge bosoner), gennem udvekslingen af hvilke fundamentale interaktioner er beskrevet . Derfor var det nødvendigt at indføre et udtryk for massen i bevægelsesligningerne for disse partikler. Bevægelsesligningerne for målefelter med masseled er ikke invariante med hensyn til lokale symmetritransformationer (måletransformationer), det vil sige, at disse ligninger vil ændre sig under måltransformationer. Egenskaberne ved fundamentale vekselvirkninger kræver dog, at bevægelsesligningerne ikke ændrer sig under gauge-transformationer (de er gauge-invariante), således at indførelsen af udtryk for massen ville overtræde naturlovene.

Higgs' gennembrud var, at massen af en vektorboson (nogle gange kaldet en gauge boson ) fremstår effektivt som et resultat af en vis interaktion mellem denne boson og et skalarfelt . Denne mekanisme blev foreslået i sammenhæng med modellen for spontan brydning af elektrosvag symmetri skabt af Yoichiro Nambu og andre i et forsøg på at forklare karakteren af den stærke kraft [2] . Higgs og andre udviklede denne mekanisme primært til tilfældet med ikke-abelske symmetrigrupper .

Higgsteorien blev forudset af Ernst Stückelberg i 1957 (se Stückelberg-handlingen ). Higgs selv stolede på Philip Andersons forslag . Ideen til mekanismen fik han under et felttog i det skotske højland [3] . Uafhængigt af Higgs kom Robert Braut og François Engler fra Det Frie Universitet i Bruxelles og G. S. Guralnik , C. R. Hagen og T. W. B. Kibble fra Imperial College til lignende konklusioner .

I 1964-1965. De sovjetiske studerende A. M. Polyakov og A. A. Migdal , der ikke kendte til vestlige videnskabsmænds arbejde, foreslog en dynamisk version af den samme mekanisme [4] . Deres artikel om dette emne blev forsinket af redaktørerne af ZhETF og blev først offentliggjort i 1966 [5] .

Spontan symmetribrud

For at forklare massen af gauge bosoner uden at overtræde naturlovene, bruges begrebet spontan symmetribrud. Et yderligere felt introduceres - Higgs-feltet , som interagerer med alle andre felter og gennem denne interaktion giver masse til gauge-bosonerne.

Problemet med at bruge den spontane symmetribrudmodel i partikelfysik er, at den ved Jeffrey Goldstones sætning forudsiger en masseløs skalarpartikel, der er en kvanteexcitation i φ -retningen , den såkaldte Nambu-Goldstone boson , eller blot Goldstone boson. Energien af en sådan partikel er ren kinetisk energi , hvilket i kvantefeltteorien antyder, at partiklen ikke har nogen masse. Der er dog ikke fundet masseløse skalarpartikler.

Et lignende problem i Yang-Mills-teorien , også kendt som den ikke-abiske gauge-teori , var eksistensen af masseløse gauge-bosoner, som (bortset fra fotonen) heller ikke er blevet opdaget. Higgs var meget skarpsindig, da han fandt ud af, at ved at kombinere gauge-teorien med modellen for spontan symmetribrud, løses to problemer meget pænt. Higgs fandt en fejl i Goldstones sætning : denne sætning gælder ikke, når man overvejer lokal målersymmetri.

Higgs-mekanismen beskriver præcist krænkelsen af lokal symmetri, hvor Goldstone -bosoner ikke optræder . I stedet for kvanteexcitationer af Higgs-feltet opstår der langsgående frihedsgrader til polarisering af målefelter. (For eksempel i kvanteelektrodynamik har en foton som en masseløs vektor (det vil sige med et spin på 1) felt med ubrudt symmetri kun to overgangsgrader af polarisationsfrihed). Når skalarfeltet kombineres med gauge-teorien, kombineres den masseløse Higgs-excitation φ med vektorbosonen og danner en massiv vektorboson.

Higgs potentiale

Definitionen af Higgs potentiale kan repræsenteres ved hjælp af følgende Lagrangian :

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

hvor er Higgs-feltet, og er positive reelle tal, og er den invariante afledte, hvor er målegruppegeneratoren, og er målerfelterne, der skal skabe masse gennem Higgs-mekanismen. $\phi$ $m$ $\lambda$ $D_{{\mu }}=\partial _{{\mu }}-igT_{a}A_{{\mu }}^{a}$ $T_{a}$ $A_{{\mu }}^{a}$

For at forstå, hvordan partikelmasser optræder i denne Lagrangian, er det nyttigt at overveje potentialet ${\mathcal {V))$

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

Dette potentiale for et reelt en-komponent felt φ beskriver en W-formet parabel af fjerde orden.

Da feltet φ er komplekst, kan potentialet repræsenteres i tre dimensioner som denne parabels rotationsflade omkring symmetriaksen. Formen på denne overflade ligner bunden af en champagneflaske over det komplekse plan. (Når φ har flere komplekse komponenter, er der ingen simpel visualisering.) ${\mathcal {V}}(\varphi)$

Det er klart, at der er mange potentielle minima (cirklen af minima i to dimensioner). Potentielle minima er den mest gunstige tilstand af feltet, da feltenergien er minimal i dem. Higgs-feltet har således mere end én grundtilstand (dvs. tilstande med minimum energi), og vi taler om en "degenereret grundtilstand".

Feltet φ i grundtilstanden danner det såkaldte kondensat :

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

som opnås ved at beregne nultilstande. Higgs-feltet kan derefter defineres, så så mange komponenter, som der er målefelter til masse, ikke efterlader mange nul-positioner fra kun én nul-position. For et enkomponent kompleks felt, hvis potentiale kan repræsenteres som bunden af en champagneflaske, er en sådan komponent en vinkelkomponent, der bestemmer stedet på cirklen af minima. Disse komponenter ændrer ikke energien i Higgs-feltet. De kan kasseres, da de er irrelevante for den pågældende effekt.

De resterende komponenter ændrer energien i Higgs-feltet og kan ikke kasseres. Disse komponenter kan beskrives som felter af partikler, senere kaldet Higgs bosoner. Den forventede vakuumværdi giver sammen med udtrykkene for målefelterne fra den invariante afledte af udtrykket for masserne. Da Higgs-feltet ændres under sporviddetransformationer, giver udtryk for interaktionen mellem sporviddefelter og Higgs-bosoner under sporviddetransformation udtryk, der eliminerer yderligere komplikationer fra udtryk for sporviddefeltmasser. Således adlyder bevægelsesligningen kravet om måleinvarians på trods af mulige massekomplikationer.

Udvikling

Da Higgs-papiret, der beskriver modellen, først blev indsendt til Physical Review Letters , blev det afvist, tilsyneladende for ikke at forudsige nye effekter, der kunne observeres eksperimentelt. Derefter tilføjede han en sætning til slutningen af artiklen, hvori han nævnte, at der antages at eksistere en ny eller ny massiv skalarbosoner, som ikke er nok til fuldt ud at forstå symmetrien. Det er Higgs-bosonerne .

Før symmetrien bryder, har alle partikler (undtagen selve Higgs-bosonen) ingen masse, og symmetrien er ikke brudt, ligesom rotationssymmetrien af en blyant på dens spids. Men skalarfeltet glider fra et punkt med maksimal energi i en tilfældigt valgt retning til et minimum – som en blyant, der falder tilfældigt. Det er vigtigt, at symmetrien ikke forsvinder – den bliver bare skjult. Som et resultat bliver den oprindelige symmetri brudt, og elementære partikler - leptoner , kvarker , W- og Z-bosoner - får masse. Udseendet af masse kan fortolkes som resultatet af andre partiklers interaktioner med "Higgs Ocean".

Higgs-mekanismen blev udviklet inden for moderne partikelfysik af Steven Weinberg og er en væsentlig del af standardmodellen .

En konsekvens af teorien er Yukawas interaktion med fermionfelterne i Standardmodellen, som giver masse til kvarker og leptoner.

Higgs-modeller

Standardmodellen kræver en Higgs-mekanisme til elektrosvag symmetribrud, men siger ikke præcis, hvordan denne mekanisme virker.

Normalt betragtes den minimale Higgs-model (inkluderet i standardmodellen), hvor der under elektrosvage transformationer kun dannes én elektrosvag dublet af Higgs-felter, mens der efter brud på den elektrosvage symmetri kun opstår én standard Higgs-boson. Sådan en Higgs-model med én dublet kan kaldes 1HDM. Men teoretikere overvejer også ikke-minimale Higgs-modeller, blandt hvilke der er to-doublet (2HDM), multi-doublet og non-doublet [6] .

To-doublet Higgs-modellen (2HDM) producerer fem Higgs-bosoner - tre neutrale (H, h, A) og to ladede (H + og H - ) og har mange nye parametre, så der er mange varianter af sådanne modeller, f.eks. , den inerte to-doublet-model.

I multi-doublet Higgs-modeller stiger antallet af fysiske Higgs-bosoner, for eksempel i den private Higgs-model er der en dublet for hver fermion, hvilket eliminerer problemet med fermioniske massehierarkier .

I ikke-dubletmodeller kan der ud over dubletten (eller dubletterne) være yderligere felter - singletter, tripletter osv., og følgelig opstår andre Higgs-bosoner, for eksempel med ladning 2 (H ++ , H −− ) i teorien med tripletfelter.

Den minimale supersymmetriske standardmodel ( MSSM ) har to Higgs-dubletter.

Den næste-til-minimale supersymmetriske standardmodel ( NMSSM ) har to dubletter og en singlet.

I "Small Higgs"-modellen er Higgs-bosonen ikke en fundamental partikel, men består af nogle nye partikler med en masse på 10 TeV eller højere, hvilket gør det muligt naturligt at eliminere det såkaldte "LEP-paradoks" (ikke- observation af forudsagte nye partikler, især ved LEP-kollideren med en samlet energi på 200 GeV).

Higgs-fri modeller

Samtidig er der en række konstruktioner, der gør det muligt at forklare partikelmasserne i Standardmodellen uden at involvere Higgs-mekanismen. Hvilken af modellerne der bekræftes afhænger af resultatet af eftersøgningen efter Higgs-bosonen, som nu aktivt udføres ved Large Hadron Collider (den 4. juli 2012 rapporterede CERN-repræsentanter, at en ny partikel med en masse på ca. 125- 126 GeV/s² blev observeret ved begge hoveddetektorer af LHC. Der var stærk grund til at tro, at denne partikel er Higgs-bosonen. I marts 2013 bekræftede CERN-fysikere, at den partikel, der blev fundet seks måneder tidligere, faktisk er Higgs-bosonen) [7 ] [8] .

Eksempel

Standardmodellen, især den elektrosvage teori , er beskrevet af lignende gauge-teorier. Den forventede vakuumværdi af Higgs-feltet bryder den lokale målersymmetri (bevaringsmængder: svag isospin og svag hyperladning ), hvilket skaber elektromagnetisk U(1)-symmetri (bevaringsmængder: elektrisk ladning ). På grund af denne effekt får de tre gauge bosoner (W og Z bosoner) masse og en langsgående grad af polarisering. Den fjerde grad af polarisering af Higgs-feltet, som er SU (2)-dubletten , består af to komplekse = 4 reelle felter, er Higgs-bosonen . $SU(2)\ gange U(1)$

Se også

Uløste problemer i moderne fysik

Noter

↑ Higgs-mekanismen i analogier . Dato for adgang: 6. september 2008. Arkiveret fra originalen 16. februar 2012. (ubestemt)
^ Disse modeller var inspireret af Lev Landaus og Vitaly Ginzburgs arbejde med teorien om kondenseret stof .
↑ Forskere opdager 'Gud'-partikel | Herald Skotland
↑ [https://web.archive.org/web/20201112030344/https://arxiv.org/abs/hep-th/9211140 Arkiveret 12. november 2020 på Wayback Machine [hep-th/9211140] Et blik fra øen]
↑ Artikel . Hentet 24. november 2020. Arkiveret fra originalen 3. december 2013. (ubestemt)
↑ Ikke-minimale versioner af Higgs-mekanismen . Hentet 2. juli 2011. Arkiveret fra originalen 3. juli 2011. (ubestemt)
↑ CERN: partikel opdaget ved kolliderer er faktisk Higgs-boson . Hentet 8. oktober 2013. Arkiveret fra originalen 17. marts 2013. (ubestemt)
↑ Nye resultater indikerer, at ny partikel er en Higgs-boson . CERN (14/03/2013). Hentet 8. oktober 2013. Arkiveret fra originalen 20. oktober 2015. (ubestemt)