Книга Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога» - Джим Бэгготт

Цветовое взаимодействие между кварками переносят восемь разных видов силовых частиц, которые называются общим термином «глюоны». Это взаимодействие становится сильнее не по мере приближения кварков друг к другу, как можно было бы ожидать, но по мере их разделения. Сильное ядерное взаимодействие между протонами и нейтронами – всего лишь остаток, «пережиток» цветового взаимодействия между составляющими их кварками.

Открытие новой частицы в ЦЕРНе позволяет уверенно предположить, что массы кварков возникают благодаря взаимодействию с полем Хиггса. Это взаимодействие преображает безмассовые кварки в частицы с массой. Взаимодействие придает частицам глубину и заставляет их замедляться. Такое сопротивление ускорению мы называем массой.

Но массы кварков очень малы, и на их долю приходится только 1 процент массы протона или нейтрона. Остальные 99 процентов – это энергия, переносимая безмассовыми глюонами, которые движутся между кварками и связывают их.

В Стандартной модели концепция массы как неотъемлемого свойства или количественной характеристики исчезает. Масса полностью состоит из энергии взаимодействий между элементарными квантовыми полями и их частицами.

Бозон Хиггса – часть механизма, объясняющего, откуда берется масса всех частиц Вселенной. Все вещество в мире может состоять из кварков и лептонов, но самой своей вещественностью оно обязана энергии, происходящей из взаимодействия с полем Хиггса и обмена глюонами.

Без этих взаимодействий материя была бы так же эфемерна и невещественна, как свет, и не было бы ничего.

Словарь терминов

ATLAS. Сокращение от A Toroidal LHC Apparatus, тороидальный аппарат БАК, одна из двух детекторных коллабораций, занимающихся поисками бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.

CMS. Сокращение от Compact Muon Solenoid, компактный мюонный соленоид, одна из двух детекторных коллабораций, участвующих в поисках бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа.

g-фактор. Коэффициент пропорциональности между (квантованным) моментом импульса элементарной или составной частицы и ее магнитным моментом, то есть направлением, которое приобретает частица в магнитном поле. У электрона есть три g-фактора: один связан со спином, другой с моментом импульса орбитального движения электрона в атоме и третий, связанный с суммой спина и орбитального момента импульса. Релятивистская квантовая теория электрона, сформулированная Дираком, предсказывает g-фактор 2 для электронного спина. В 2006 году комитет CODATA Международного совета по науке рекомендовал g-фактор 2,0023193043622. Разница объясняется квантовыми электродинамическими эффектами.

W-, Z-частицы. Элементарные частицы, переносящие слабое ядерное взаимодействие. W-частицы – бозоны со спином 1 с единичным положительным или отрицательным зарядом (W+, W—) и массами 80 ГэВ. Z0 – электрически нейтральный бозон со спином 1 и массой 91 ГэВ. W– и Z-частицы приобретают массу посредством механизма Хиггса и могут считаться «тяжелыми» фотонами.

Адрон. От греческого hadros, толстый или тяжелый. Адроны образуют класс частиц, испытывающих сильное ядерное взаимодействие. Они состоят из разных сочетаний кварков. К ним относятся барионы, состоящие из трех кварков, и мезоны, состоящие из кварка и антикварка.

Античастица. Идентична по массе «обычной» частице, но имеет противоположный заряд. Например, античастица электрона (e—) – позитрон (e+). Античастица красного кварка – красный антикварк. В Стандартной модели у каждой частицы есть античастица. Частицы с нулевым зарядом являются своими собственными античастицами.

Аромат. Свойство, которое, помимо цветного заряда, отличает один тип кварков от другого. Различаются шесть ароматов кварков, относящихся к трем поколениям: верхний, очарованный и истинный кварки с электрическим зарядом +2/3, спином 1/2 и массами 1,7–3,3 МэВ, 1,27 и 172 ГэВ соответственно и нижний, странный и прелестный кварки с электрическим зарядом —1/3, спином 1/2 и массами 4,1–5,8 МэВ, 101 МэВ и 4,19 ГэВ соответственно. Термин «аромат» также применяется к лептонам, при этом электрон, мюон, тау и соответствующие нейтрино различаются лептонным ароматом. См. Лептон.

Асимптотическая свобода. Свойство сильного цветового взаимодействия между кварками. Цветовое взаимодействие становится слабее, чем ближе кварки друг к другу, и в асимптотическом пределе нулевого разделения ведут себя так, как если бы были совершенно свободны (см. рис. 17(b).

Атом. От греческого atomos, неделимый. Первоначально слово обозначало мельчайшую составную часть материи, а в наше время это фундаментальный компонент химических элементов. Так, вода состоит из молекул H2O, которые, в свою очередь, состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Сам атом состоит из протонов и нейтронов, которые связаны вместе и образуют центральное ядро, и электронов, которые образуют характерные волновые функции, вращаясь вокруг ядра по атомным орбиталям.

БАК. Большой адронный коллайдер, самый высокоэнергетический в мире ускоритель частиц, способный производить протон-протонные столкновения с энергией 14 ТэВ. БАК расположен в ЦЕРНе в кольцевом туннеле длиной 27 км, в 175 метрах под землей у швейцарско-французской границы у Женевы. С помощью БАКа, работавшего с энергией протон-протонных столкновений 7 ТэВ и затем 8 ТэВ, были получены данные, позволившие в июле 2012 года заявить об открытии бозона, соответствующего бозону Хиггса.

Барион. От греческого barys, тяжелый. Барионы входят в класс адронов. Это более тяжелые частицы, которые испытывают сильное ядерное взаимодействие, к ним относятся протоны и нейтроны. Барионы состоят из триплетов кварков.

Бета-радиоактивность/бета-распад. Впервые открыта французским физиком Анри Беккерелем в 1896 году. Название изобрел Эрнест Резерфорд в 1899 году. Один из видов распада слабого взаимодействия, при этом нижний кварк в нейтроне преобразуется в верхний кварк, превращая нейтрон в протон с испусканием W—-частицы. W—-частица распадается на высокоскоростной электрон (бета-частицу) и электронное антинейтрино.

Бета-частица. Высокоскоростной электрон, испускаемый ядром атома при бета-распаде. См. Бета-радиоактивность.

Бозон Намбу – Голдстоуна. Безмассовая частица со нулевым спином, образуется вследствие спонтанного нарушения симметрии. Концепция открыта Ёитиро Намбу в 1960 году и разработана Джеффри Голдстоуном в 1961. В механизме Хиггса бозоны Намбу – Голдстоуна придают третью степень свободы квантовым частицам, которые в ином случае не имели бы массы (см. рис. 14, с. 100).

Бозон Хиггса. Назван в честь британского физика Питера Хиггса. У любого поля Хиггса есть характерные частицы, которые называются бозонами Хиггса. Обычно бозоном Хиггса называют частицу поля Хиггса электрослабой теории, впервые использованной в 1967–1968 годах Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом, чтобы объяснить нарушение электрослабой симметрии. 4 июля 2012 года на Большом адронном коллайдере была обнаружена частица, очень напоминающая электрослабый бозон Хиггса. Это нейтральная частица со спином 0 и массой 125 ГэВ.