Higgs mekanism

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 15 juli 2022; kontroller kräver 2 redigeringar .

Higgs-mekanismen , eller Higgs-mekanismen , föreslog av den engelske fysikern Peter Higgs 1964, är en teori som beskriver hur bärarpartiklarna av den svaga kraften ( W- och Z-bosoner ) får massa. Till exempel skiljer det Z-bosonen från fotonen . Denna mekanism kan betraktas som ett elementärt fall av tachyonkondensering , där tachyonens roll spelas av ett skalärfält som kallas Higgsfältet . Det enorma kvantumet av detta fält har fått namnet Higgs-bosonen .

Higgs-mekanismen kan visualiseras enligt följande. Utspridda på bordets yta sprids små skumbollar (analoger av masslösa partiklar) lätt från minsta andetag; men när de hälls ut på vattenytan rör sig de inte längre lika lätt - interaktionen med vätskan, som i denna analogi spelar rollen som ett vakuum Higgs-fält, gav dem tröghet . Krusningarna från andningen på den fria ytan av vattnet kommer att vara analoga med Higgs-bosonerna. Osäkerheten i denna analogi ligger i det faktum att vatten stör alla rörelser av bollarna, medan Higgs vakuumfält inte påverkar partiklar som rör sig likformigt och rätlinjigt, utan bara motverkar deras acceleration (till uppkomsten av den så kallade tröghetsmassan ) [1] .

Utvecklingshistorik

I mitten av 1900-talet visade många experiment förekomsten av massa i partiklar (gauge bosoner), genom vars utbyte grundläggande interaktioner beskrivs . Därför krävdes det att införa ett uttryck för massan i rörelseekvationerna för dessa partiklar. Rörelseekvationerna för mätfält med masstermer är inte oföränderliga med avseende på lokala symmetritransformationer (gaugetransformationer), det vill säga dessa ekvationer kommer att förändras under gaugetransformationer. Egenskaperna för fundamentala interaktioner kräver dock att rörelseekvationerna inte förändras under mättransformationer (de är mätinvarianta), så att införandet av uttryck för massan skulle bryta mot naturlagarna.

Higgs genombrott var att massan av en vektorboson (ibland kallad en mätboson ) uppträder effektivt som ett resultat av en viss interaktion mellan denna boson och ett skalärt fält . Denna mekanism föreslogs i samband med modellen för spontan brytning av elektrosvag symmetri skapad av Yoichiro Nambu och andra i ett försök att förklara karaktären av den starka kraften [2] . Higgs och andra utvecklade denna mekanism främst för fallet med icke-abelska symmetrigrupper .

Higgsteorin förutsågs av Ernst Stückelberg 1957 (se Stückelberg-handlingen ). Higgs själv förlitade sig på Philip Andersons förslag . Idén till mekanismen fick han under en kampanj i det skotska höglandet [3] . Oberoende av Higgs kom Robert Braut och François Engler från Fria universitetet i Bryssel och G.S. Guralnik , C.R. Hagen och T.W.B. Kibble från Imperial College till liknande slutsatser .

Åren 1964-1965. De sovjetiska studenterna A. M. Polyakov och A. A. Migdal , som inte kände till västerländska vetenskapsmäns arbete, föreslog en dynamisk version av samma mekanism [4] . Deras artikel om detta ämne försenades av redaktörerna för ZhETF och publicerades först 1966 [5] .

Spontant symmetribrytning

För att förklara massan av gaugebosoner utan att bryta mot naturlagarna används begreppet spontan symmetribrytning. Ett ytterligare fält introduceras - Higgsfältet , som interagerar med alla andra fält och genom denna interaktion ger massa till mätarbosonerna.

Problemet med att använda den spontana symmetribrytande modellen i partikelfysik är att den enligt Jeffrey Goldstones teorem förutsäger en masslös skalär partikel som är en kvantexcitation i φ -riktningen , den så kallade Nambu-Goldstone bosonen , eller helt enkelt Goldstone boson. Energin hos en sådan partikel är rent kinetisk energi , vilket i kvantfältteorin antyder att partikeln inte har någon massa. Däremot har inga masslösa skalära partiklar hittats.

Ett liknande problem i Yang-Mills-teorin , även känd som den icke-abeliska gauge-teorin , var förekomsten av masslösa gauge-bosoner, som (annat än fotonen) inte heller har upptäckts. Higgs var mycket skarpsinnig när han fann att genom att kombinera mätteorin med modellen för spontan symmetribrott, löses två problem mycket bra. Higgs hittade ett fel i Goldstones sats : denna sats gäller inte när man överväger lokal mätsymmetri.

Higgs-mekanismen beskriver exakt kränkningen av lokal symmetri, där Goldstone- bosoner inte förekommer . Istället för kvantexcitationer av Higgsfältet uppträder longitudinella frihetsgrader för polarisering av mätfält. (Till exempel, inom kvantelektrodynamik har en foton som en masslös vektor (det vill säga med ett spinn på 1) fält med obruten symmetri bara två övergångsgrader av polarisationsfrihet). När det skalära fältet kombineras med gauge-teorin, kombineras den masslösa Higgs-excitationen φ med vektorbosonen och bildar en massiv vektorboson.

Higgs potential

Definitionen av Higgs potential kan representeras med hjälp av följande Lagrangian :

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

var är Higgs-fältet, och är positiva reella tal, och är den invarianta derivatan, var är mätgruppsgeneratorn, och är mätfälten som måste skapa massa genom Higgs-mekanismen. $\phi$ $m$ $\lambda$ $D_{{\mu }}=\partial _{{\mu }}-igT_{a}A_{{\mu }}^{a}$ $T_{a}$ $A_{{\mu }}^{a}$

För att förstå hur partikelmassor uppträder i denna Lagrangian, är det användbart att överväga potentialen ${\mathcal {V))$

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

Denna potential för ett verkligt enkomponentsfält φ beskriver en W-formad parabel av fjärde ordningen.

Eftersom fältet φ är komplext kan potentialen representeras i tre dimensioner som rotationsytan för denna parabel runt symmetriaxeln. Formen på denna yta liknar botten på en champagneflaska ovanför det komplexa planet. (När φ har flera komplexa komponenter finns det ingen enkel visualisering.) ${\mathcal {V}}(\varphi )$

Uppenbarligen finns det många potentiella minima (cirkeln av minima i två dimensioner). Potentiella minima är det mest gynnsamma tillståndet i fältet, eftersom fältenergin är minimal i dem. Således har Higgsfältet mer än ett grundtillstånd (dvs tillstånd med minimal energi), och vi talar om ett "degenererat grundtillstånd".

Fältet φ i grundtillståndet bildar det så kallade kondensatet :

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

som erhålls genom att beräkna nolltillstånd. Higgsfältet kan sedan definieras så att lika många komponenter som det finns mätfält till massa inte lämnar många nollpositioner från bara en nollposition. För ett enkomponents komplext fält, vars potential kan representeras som botten av en champagneflaska, är en sådan komponent en vinkelkomponent som bestämmer platsen på cirkeln av minima. Dessa komponenter förändrar inte energin i Higgsfältet. De kan kasseras eftersom de är irrelevanta för den aktuella effekten.

De återstående komponenterna ändrar energin i Higgsfältet och kan inte kasseras. Dessa komponenter kan beskrivas som fält av partiklar, senare kallade Higgs-bosoner. Vakuumets förväntade värde ger tillsammans med uttrycken för mätfälten från den invarianta derivatan av uttrycket för massorna. Eftersom Higgs-fältet ändras under spårviddstransformationer, ger uttryck för interaktionen mellan mätfält och Higgs-bosoner under spårviddstransformation uttryck som eliminerar ytterligare komplikationer från uttryck för mätfältsmassor. Således följer rörelseekvationen kravet på mätinvarians, trots möjliga masskomplikationer.

Utveckling

När Higgs-dokumentet som beskriver modellen först skickades till Physical Review Letters , avvisades det, uppenbarligen för att inte förutsäga några nya effekter som kunde observeras experimentellt. Sedan lade han till en mening i slutet av artikeln, där han nämnde att förekomsten av nya eller nya massiva skalära bosoner antas, som inte räcker för att helt förstå symmetrin. Det här är Higgs-bosonerna .

Innan symmetrin bryts har alla partiklar (utom själva Higgs-bosonen) ingen massa, och symmetrin är inte bruten, som rotationssymmetrin hos en penna på spetsen. Men det skalära fältet glider från en punkt med maximal energi i en slumpmässigt vald riktning till ett minimum - som en penna som faller slumpmässigt. Det är viktigt att symmetrin inte försvinner – den blir bara dold. Som ett resultat bryts den ursprungliga symmetrin, och elementarpartiklar - leptoner , kvarkar , W- och Z-bosoner - förvärvar massa. Massans utseende kan tolkas som resultatet av interaktioner mellan andra partiklar och "Higgs Ocean".

Higgs-mekanismen utvecklades inom modern partikelfysik av Steven Weinberg och är en väsentlig del av standardmodellen .

En konsekvens av teorin är Yukawas växelverkan med de fermioniska fälten i standardmodellen, som förmedlar massa till kvarkar och leptoner.

Higgs modeller

Standardmodellen kräver en Higgs-mekanism för elektrosvag symmetribrytning, men säger inte exakt hur denna mekanism fungerar.

Vanligtvis betraktas den minimala Higgs-modellen (inkluderad i standardmodellen), där, under elektrosvaga transformationer, endast en elektrosvag dubblett av Higgs-fält bildas, medan efter att ha brutit den elektrosvaga symmetrin uppträder endast en standard Higgs-boson. En sådan Higgs-modell med en dubblett kan kallas 1HDM. Men teoretiker överväger också icke-minimala Higgs-modeller, bland vilka det finns två-dubbel (2HDM), multi-dubbel och icke-dubbel [6] .

Tvådubbel Higgs-modellen (2HDM) producerar fem Higgs-bosoner — tre neutrala (H, h, A) och två laddade (H + och H − ) och har många nya parametrar, så det finns många varianter av sådana modeller, t.ex. , den inerta tvådubbla modellen.

I multi-dubbel Higgs-modeller ökar antalet fysiska Higgs-bosoner, till exempel i den privata Higgs-modellen finns det en dubblett för varje fermion, vilket eliminerar problemet med fermioniska masshierarkier .

I icke-dubbelmodeller, utöver dubletten (eller dubletterna), kan det finnas ytterligare fält - singletter, tripletter, etc., och följaktligen uppstår andra Higgs-bosoner, till exempel med laddning 2 (H ++ , H −− ) i teorin med triplettfält.

Den minimala supersymmetriska standardmodellen ( MSSM ) har två Higgs-dubletter.

Den näst minimala supersymmetriska standardmodellen ( NMSSM ) har två dubletter och en singlett.

I "Small Higgs"-modellen är Higgs-bosonen inte en fundamental partikel, utan består av några nya partiklar med en massa på 10 TeV eller högre, vilket gör det möjligt att naturligt eliminera den så kallade "LEP-paradoxen" (icke- observation av förutspådda nya partiklar, särskilt vid LEP-kollideren med en total energi på 200 GeV).

Higgs-fria modeller

Samtidigt finns det ett antal konstruktioner som gör det möjligt att förklara massorna av partiklar i Standardmodellen utan att involvera Higgs-mekanismen. Vilken av modellerna som bekräftas beror på resultatet av sökandet efter Higgs-bosonen, som nu aktivt utförs vid Large Hadron Collider (den 4 juli 2012 rapporterade CERN-representanter att en ny partikel med en massa på cirka 125- 126 GeV/s² observerades vid båda huvuddetektorerna av LHC. Det fanns starka skäl att tro att denna partikel är Higgs-bosonen. I mars 2013 bekräftade CERN-fysiker att partikeln som hittades sex månader tidigare verkligen är Higgs-bosonen) [7 ] [8] .

Exempel

Standardmodellen, i synnerhet den elektrosvaga teorin , beskrivs av liknande mätteorier. Det förväntade vakuumvärdet för Higgsfältet bryter den lokala mätsymmetrin (konserveringskvantiteter: svag isospin och svag hyperladdning ), vilket skapar elektromagnetisk U(1)-symmetri (konserveringsmängder: elektrisk laddning ). På grund av denna effekt får de tre gauge bosonerna (W och Z bosonerna) massa och en longitudinell grad av polarisation. Den fjärde graden av polarisering av Higgs-fältet, som är SU(2)-dubbletten , består av två komplexa = 4 reella fält, är Higgs-bosonen . $SU(2)\ gånger U(1)$

Se även

Olösta problem i modern fysik

Anteckningar

↑ Higgs-mekanismen i analogier . Datum för åtkomst: 6 september 2008. Arkiverad från originalet den 16 februari 2012. (obestämd)
^ Dessa modeller var inspirerade av Lev Landaus och Vitaly Ginzburgs arbete med teorin om kondenserad materia .
↑ Forskare upptäcker "Gud" partikel | Herald Skottland
↑ [https://web.archive.org/web/20201112030344/https://arxiv.org/abs/hep-th/9211140 Arkiverad 12 november 2020 på Wayback Machine [hep-th/9211140] En vy från ön]
↑ Artikel . Hämtad 24 november 2020. Arkiverad från originalet 3 december 2013. (obestämd)
↑ Icke-minimala versioner av Higgs-mekanismen . Hämtad 2 juli 2011. Arkiverad från originalet 3 juli 2011. (obestämd)
↑ CERN: partikel som upptäckts vid kollideraren är verkligen Higgs boson . Hämtad 8 oktober 2013. Arkiverad från originalet 17 mars 2013. (obestämd)
↑ Nya resultat indikerar att den nya partikeln är en Higgs-boson . CERN (2013-03-14). Hämtad 8 oktober 2013. Arkiverad från originalet 20 oktober 2015. (obestämd)