сряда, 4 юли 2012 г.

БОЗОНИТЕ НА ХИГС И ОБЕДИНЯВАНЕТО НА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯТА

...

проф: Хигс





ДОСТЪПНА И ЗАБАВНА ИНФОРМАЦИЯ ЗА ХИГС - БОЗОНА
МОЖЕ ДА НАМЕРИТЕ ТУК:

(Ако наистина се интересувате от Хигс - бозонът, прочетете за "полето на Хигс)

Бозонът на професор Питър Хигс (анимация:)




...


Ето и по сериозен и задълбочен поглед върху идеята на Хигс






Публикуване на части от статията, която може да прочетете тук.
...

автори на статията:
М. Н. Дубинин, А.Н.Никитенко






Въведение


Известно е, че заобикалящият ни свят “се управлява” от четири типа взаимодействия:

1) електромагнитното взаимодействие (неговите свойства технически се използват
в радиото и телевизията, радио- и мобилните връзки, радиолокацията, енергетиката,
лазерите);

2) силното взаимодействие (“отговорно” за горенето на Слънцето и звездите,
атомната енергетика, ядреното и термоядреното оръжие);

3) слабото взаимодействие ( “отговаря” за разпада на частиците, например бета-
разпада на неутрона в протон, електрон и антинеутрино, синтеза на тежките елементи
в звездите);

4) гравитацията (взаимното привличане на всички материални тела).



Понастоящем можем в достатъчна степен да “управляваме” само електромагнитни-
те, а в някаква неголяма степен да използваме свойствата на силните взаимодействия,
което не можем да кажем за разпадите на частиците или за гравитацията.

Откъде се взеха тези взаимодействия, защо са именно четири, и как да си обясним разликата в техните свойства? Известно е, например, че електромагнитната “константа на връзката”, характеризираща силата на притегляне или отблъскване между електричните
товари, се различава с десетки порядъци от гравитационната константа на връзката,
характеризираща привличането между тела с маса.

Отговорите на тези въпроси биха могли да доведат до осъзнаването на принципно нови възможности за развитие на нашата цивилизация в сравнение с последствията от ролята, която изигра възникването на електромагнетизма в средата на ХІХ век. Като такива възможности могат да се споменат новите източници за енергия, пряката трансформация на едни химични елементи в други, създаването на изкуствени силови полета с предварително зададени свойства, създаване на пространствени области, в които известните понастоящем
физични закони са видоизменени.

Обединяването на квантовата теория с теорията на относителността в средата на
миналия век доведе по естествена начин до представата за взаимодействащи квантови
полета и свързаните с това частици.

Да си представим две разположени на разстояние заредени частици, които се привличат или отблъскват (в случая знаците на техния заряд са без значение), и да започнем да местим едната от тях. Електромагнитната сила, с която едната частица взаимодейства с втората, не може да доведе до моментално изменение на местоположението на втората, понеже съгласно теорията на относителността, нито един сигнал не може да се разпространява със скорост по-голяма от скоростта на светлината. Раздвижената от нас частица става източник на свързаното с нея електромагнитно поле, което пренася през пространството енергия и по такъв начин влияе върху състоянието на другата частица.

Според квантовата теория енергията може да бъде пренасяна само на дискретни порции (кванти), които следва да се интерпретират като частици, предаващи силата на взаимодействие. В квантовата теория на полето взаимодействието на едни частици – източник на полета (електромагнитни, слаби и силни) се свързва с обмяната с други частици – преносители на взаимодействието.
В случая на взаимодействие на електрични товари (например, електрони) преносители
са фотоните (γ-квантите на електромагнитното поле).



Тук трябва да има таблица 1 - Фундаменталните частици и преносителите на взаимодействия между тях, която може да погледнете в оригиналната статия


Да напомним, че освен електроните (е), в природата съществуват и електрично
заредени по-тежки частици – мюонът ( μ ) и тау-лептонът (τ), също участващи в елек-
тромагнитните и слаби взаимодействия.

Всяка от тези частици има частица-партньор – почти безмасовите неутрина, като разновидностите на неутрино в природата са три: νе, νμ , ντ ..

Като допълнение към електрона, мюона, тау-лептона и съответстващите им
три вида неутрина (тази шесторка частици се наричат с общото име лептони) в приро-
дата съществуват дробнозаредените кварки от шест типа, обикновено обозначавани със
символите u, d, c, s, b, t, със силно различаващи се маси. Най-леките измежду тях u и
d с товари 2/3 и -1/3 образуват свързаното състояние (uud) = р с товар 2/3+2/3-1/3 = 1 и
(udd) = n с товар 2/3-1/3-1/3 = 0, които са добре известни като протони и неутрони, със-
тавляващи атомното ядро. В съответствие с представата за кварките като частици опре-
делящи структурата на адроните, слабите взаимодействия между електроните, мюоните, неутриното и кварките се пренасят от тежките частици, наречени W-бозони и Z- бозони. W-бозонът има електричен товар +1 или -1, равен по големина на товара на електрона, а Z-бозонът е електрично неутрален. Силните взаимодействия между дробнозаредените кварки се пренасят от безмасови частици, наричани глуони. Например, u и d вътре в протона се привличат един към друг, обменяйки непрекъснато глуони. Съществено е, че различието в масите в семейството на шестте кварка е огромно.

Например, най-тежкият кварк t има маса 35000 по-голяма, отколкото лекият кварк u. Масата на електрона е е 3500 пъти по-малка от масата на тау-лептона τ. Още по-впечатляваща е разликата между масата на неутриното и зареденият лептон, напри-
мер масата на неутриното ντ и тау-лептона τ се различава приблизително 10 милиарда
пъти.

Обкръжаващата ни Вселена се състои от частици със сравнително неголеми маси, а
именно от електрони е, електронни и мюонни неутрина νе и νμ, фотони γ и два типа “леки” кварки u и d, чиито маси са най-малките измежду всички съществуващи “шесторки” от кварки. Останалите лептони и кварки са значително по-тежки и притежават много малки времена на живот и практически веднага се разпадат в леки кварки, лептони, фотони и неутрино. Те бяха получени изкуствено на ускорители на частици.

Откъде се вземат масите на лептоните и кварките и как може да се обяснят огромните разлики в масите им?

Този въпрос е толкова обоснован, колкото вече поставеният за произхода на разните типове взаимодействия и огромната разлика в тяхната сила.

За да се обясни възникването на лептонните и кваркови маси, както и на преносителите на слабото взаимодействие W– и Z-бозоните, са необходими допълнителни частици, които са наречени по името на техния “изобретател” Pеter Higgs частици на Хигс.

Теорията на електрослабото взаимодействие изисква съществуването на един електрически неутрален бозон на Хигс (H), но не е изключено те да бъдат и повече.
Откриването на бозона на Хигс е една от основните задачи на експериментите на
колайдера LHC.

Неговото установяване съвсем не е проста задача по две причини:
първо, той е слабо свързан с лептоните и кварките, поради което много рядко се
ражда при сбълсквания на снопове в ускорителите частици; и второ, масата на Хигс-
бозона е неизвестна (в смисъл, че теоретиците не могат да я предскажат). Затова се
налага да се моделира нейното раждане при всевъзможни стойности на масите, което
е значително по-сложно, отколкото тя да се търси при определена стойност. Заедно
с това експерименталното наблюдение на бозона на Хигс и измерването на неговите
характеристики ще има огромно значение за съвременната физика.

Чисто математически, теорията с участието на бозоните на Хигс беше демон-
стрирана още през 1970-те години, с успешното теоретично описание и предсказване
на свойствата на W– и Z-бозоните, които впоследствие, през 1980-те години, полу-
чиха своето експериментално потвърждение. Същевременно, дълбокото разбиране
на физиката, стояща зад бозоните на Хигс, е далеч от яснота. Тук най-същественото__ предположение е, че цялата Вселена е запълнена със скаларно поле с огромна напрег-
натост и необикновени свойства. Масата на лептоните и кварките възниква за сметка
на взаимодействието с това поле. Да напомним, че съгласно специалната теория на
относителността безмасовите частици (например фотоните) се пренасят със ско-
ростта на светлината, докато масивните частици не могат да достигат тази гранична
скорост.

Скаларното поле на Хигс, запълващо цялото пространство, може да “забавя”
определени типове взаимодействащи с нея частици, подобно на въздуха, който забавя
движението на изстреляния от оръдието снаряд. Такъв тип частици, които по своята
природа са безмасови, вследствие на взаимодействието с полето на Хигс ще се движат
по-бавно от скоростта на светлината и ще изглеждат като масивни. Другите типове
частици, които не взаимодействат с полето на Хигс (например, “стерилните” относно
хигсовскто поле фотони) няма да се “забавят” и ще останат безмасови.

В същото време въпросът за източниците на хигсовото поле остава открит, както
и проблема за съвместимостта на огромната плътност на нейната енергия със съвре-
менните космологични представи. В съответствие с общата теория на относителността
огромната плътност на енергията може да повлияе силно на геометрията на простран-
ство-времето, което би могло да бъде добре наблюдаемо явление.

Поучително е да си спомним, че представата ни за материята, която запълва цялото
пространство, за пръв път беше формулирана в началото на миналия век. До тогава
практически нищо не беше известно за строежа на атомните ядра и елементарните
частици, т.е. за силното и слабо взаимодействие. Бяха известни само гравитацията и
електромагнетизмът. Според концепциите от този период, в запълващата цялото пространство среда (етер) се разпространяват електромагнитните вълни на светлината от
отдалечени звезди, които се регистрират на Земята в експерименти с особено чувствителни уреди (така нар. интерферометри), за да се измери влиянието на движението на Земята по нейната орбита върху скоростта на идващата от звездите светлина. Въпреки че концепцията за етера се оказва нереалистична, експерименталните и теоретични работи, проведени във връзка с нея, водят до създаването на специалната теория на относителността, станала едно от главните постижения в историята на световната наука.


За теорията на Великото Обединение.


Принципите на симетрия през всички времена са играли основна роля за обяснение
на основите на света.
През Средните векове Йохан Кеплер построява модел на Слънчевата система, използвайки симетрични относителни въртения в тримерното пространство (тоест правилните) многостени.

В онези времена нищо не е било известно нито за галактиките, нито за космичното излъчван, а най-отдалечената от Слънцето известна планета е била Сатурн.

Кеплер пише: “... Орбитата на Земята е мяра за всички орбити. Нека около нея опишем додекаедър. Описаната около него сфера ще бъде сферата на Марс. Около сферата на Марс да опишем тетраедър. Описаната около тетраедъра сфера е сферата на Юпитер. Около сферата на Юпитер да опишем куб. Описаната около куба сфера ще бъде сферата на Сатурн. В сферата на Земята да вместим икосаедър. Вписаната в нея сфера ще бъде сферата на Венера. В сферата на Венера да вместим октаедър. Вписаната в нея сфера ще бъде сферата на Меркурий...”

В рамките на модела на Кеплер светът се определя от симетриите на пет многостена, около които могат да се построят шестсфери, затова теорията обяснява произхода на броя на планетите, които са точно шест, а разстоянията между сферите обясняват разстоянията между планетите и тяхната равноотдалеченост от Слънцето.

Въпреки че впоследствие се изяснява, че моделът на Кеплер не съответства на
наблюдаваното движение на планетите, понеже кръговата симетрия на орбитите на
планетите малко се нарушава (планетите се движат по елипси), използваните в него
принципи на симетрия за обяснение на устойчивостта на света запазват своята актуал-
ност стотици години след това и до днес. Вместо въртения на многостени в тримерното
пространство, трансформиращи тези тела сами в себе си, в наше време за описание на
фундаменталните частици трябва да се разглеждат (наистина, математически доста по-сложно) въртения във “вътрешни” пространства.

Те са образувани от набора на частиците, които запазват неизменна математическата функция, определяща енергията на създаваните от частиците полета. Структурата на математичните обекти, описващи въртенията (това са матрици, реализиращи представянията на групите на “вътрешните” симетрии, чиито елементи са комплексни функции), позволяват да се определят колко ще бъдат съответстващите им фундаментални частици и частици, преносители на взаимодействията.

По този път през последните тридесетина години бяха постигнати големи успехи в
разбирането на природата на взаимодействията и произхода на масите на частиците.
Бяха създадени теории на силното и слабо взаимодействие, и нещо повече – електромагнитните и слабите взаимодействия бяха обединени в единно електрослабо
взаимодействие. Успехът на обединяването на теориите: електричното и магнитното в
електромагнетизъм, а електромагнитното и слабото в електрослабо, доведе до идеята
за обединяване на електрослабото и силно взаимодействия в единната теория на Вели-
кото обединение. В този случай наблюдаваните от нас електромагнитни, силни и слаби
взаимодействия на частиците са всъщност различни прояви на едно фундаментално
взаимодействие, чиято сила се характеризира с единна константа на връзката αGUT.

На много малки разстояния (по-малки от 10-29 см) това взаимодействие притежава
съвършена симетрия, когато неутриното, заредените лептони и кварките участват в
тях еднакво и са напълно неразличими помежду си.

Тази симетрия позволява да се говори за “прачастица” (или вектор (мултиплет) във въображаемото пространство на частиците, чийто компоненти представляват фундаменталните частици), различните състояния на която впоследствие стават неутриното, заредените лептони и кварките.

Добре известна илюстрация на такъв род представлява системата от протон
и неутрон, които са и горната, и долната компоненти на единия от мултиплетите,
наречен нуклон. При въртене в така нареченото изотопично пространство прото-
нът и неутронът могат да преминават един в друг, първоначално отличавайки се по
проекцията на изотопичния спин. Силните взаимодействия не могат да различат
протона и неутрона, които притежават точна симетрия относно въртения в изото-
пичното пространство.

На съществено по-големи разстояния (от порядъка на 10-15 см), достъпни в екс-
периментите на LHC, вече не съществува универсалната константа на връзката αGUT ,
а взаимодействието на частиците – както вече беше казано – се разделят на три вида.
Електромагнитните взаимодействия се пренасят от безмасовите фотони, слабите – от
масивните векторни бозони W, Z, а силните – от безмасовите глуони. И техните кон-
станти на връзки се различават силно. По такъв начин, първоначално съвършената
симетрия за “прачастицата” на разстояния от порядъка 10-29 см, (или другояче казано
– при енергии от порядъка 1015 GeV), в области на по-малки енергии трябва да бъдат
разрушена, за да бъдат описани разните взаимодействия. За нарушаването на симетри-
ята в теорията трябва да бъдат въведени бозоните на Хигс. На тях съответства скаларно
поле, което запълва цялото световно пространство и има нетривиална зависимост на
енергията от амплитудата на полето, когато състояние с минимална енергия (т.нар.
вакуум) се достига при стойност на полето не равна на нула (вж. по-нататък – фиг.2 и
обяснението към нея).

Смята се, че квантовата теория на взаимодействията е налична, когато е зададена функцията на Лагранж за полето и наблюдаемите величини се изразяват с функции с крайни значения.

Представата за нарушение на симетриите в природата е напълно естествена. Да
вземем, например, златна монета. Отделните атоми на златото, от която тя се състои, са сферично симетрични. Трудно е да се различи отделно взет атом на злато от подобен,
но обърнат “с краката нагоре”. Това е така защото ядрото и “летящите” около него
електрони не фиксират някаква избрана посока в пространството. Едновременно с това
златната монета пада или на “ези”, или на “тура”. По такъв начин, при обединяване на
голям брой атоми на златото в монета сферичната симетрия на първоначално взетите
обекти (атомите) се нарушава.

Представата за нарушаване на симетрията на състояния с минимална енергия се
включва по естествен начин в рамките на приетата понастоящем концепция за възник-
ване на Вселената в резултат на Големия взрив при огромни температури от порядъка
на 1027К.

Всички частици и античастици, включително и Хигс-бозоните, калибровъчните бозони и фермиони, също и безмасовите, са образувани след взрива, като броят на частиците и античастиците е еднакъв.

При охлаждане на “симетричната” ранна Вселена в нея възниква разширяващ се сферичен “мехур”, вътре в който е нарушена симетрията на състоянието с минимална енергия, а най-същественото следствие от това е възникването на маса на частиците и изменение на физическите закони на техните взаимодействия.

Възникването на масите нарушава съвършената симетрия на единното взаимодействие,
в резултат на което различните компоненти на мултиплета на “прачастиците”, дотогава еднакви, се видоизменят в различни кварки и лептони.

Появяването на маси при бозоните преносителите на силните взаимодействия отговарят за разликата в силата на електромагнитното и слабо взаимодействия на големи разстояния. На много малки разстояния или при повторно разгорещяване до много високи температури масите изчезват, преносители на слабите и електромагнитните взаимодействия стават еднакво ефективни вследствие възстановяването на съвършената симетрия. Много съществено е, че при разширението “мехурите” в близост до стените им протичат процеси, които могат да бъдат описани само в квантовата теория, допускаща изчезването на античас-
тиците.

В резултат в нашата Вселена отсъстват обекти, състоящи се от антиматерия.

Първият реалистичен модел на обединение на електромагнитното и слабо взаимодействия на лептоните (електрона и съответстващото му неутрино), в който бяха използвани много от елементите на изложената до тук идеология, беше предложен от Ш. Глешоу, С. Уйнбърг и А.Салам към края на 60-е години на миналият век.
Този модел включва две комплексни скаларни полета, които след спонтанно нарушаване на симетрията на потенциала на взаимодействие водят към един хигсовски бозон.


Съответен механизъм на генерация на маси на електрона и промеждутъчните векторни бозони W и Z, които пренасят слабото взаимодействие, беше предложен от английския
теоретик Питър Хигс през 1964 г. и почти едновременно и независимо от Браут, Енглерт, Гуралник, Хаген и Кибл. Бозонът на Хигс би трябвало да се ражда при сблъсквания на снопове протони и да може да бъде наблюдаван в детекторите за частици.

Несъмненият успех на модела на Глешоу-Уйнбърг-Салам след отриването и включването в него на трите поколения лептони и кварки, експерименталното наблюдение на неутралните токове, преносителите на слабите взаимодействия W– и Z-бозоните и преносителите на силните взаимодействия – глуоните, не може да бъде считан за завършен, понеже бозонът на Хигс до настоящия момент не е наблюдаван в експерименти. Това не стана нито на колайдера LEP2 (ЦЕРН, Швейцария) при насрещни електрон-позитронни снопове с максимална енергия 220 GeV), нито на колайдера Tevatron (Фермилаб, САЩ при насрещни протон-антипротонни снопове с максимална енергия 1960 GeV). Бозонът на Хигс е единствената неуловима частица в този така сполучлив модел на взаимодействия на фундаменталните частици, но отсъствието на експериментална информация за нейните свойства не позволява да се направят някакви определени заключения за природата на хигсовския потенциал, неговата космологична еволюция, свойствата на фазовите преходи от свръхплътна многочастична среда след Големия взрив към наблюдаваната астрофизична картина с ниска плътност на частиците във Вселената, механизмите на генериране на излишък от частици над античастиците (т.нар. барионна асиметрия) във Вселената и др.

Последните експериментални данни достатъчно убедително сочат за необходимостта от разширение на модела на Глешоу-Уайнбърг-Салам, съдържащ три двойки лептони и три двойки кварки (този модел се нарича Стандартен модел поради неговата общопризнатост),
както по състава на фундаменталните фермиони, така и по конструкцията на сектора
на Хигс-бозоните и свойствата на хигсовския потенциал.

Най-очевидните експериментални свидетелства от такъв род представляват астрофизичните експериментални данни за съществуването във Вселената на ненаблюдавани масивни частици, много слабо взаимодействащи с известните ни лептони и кварки.

За тези масивни частици в литературата се използва означението WIMP – Weakly
Interacting Massive Particles; те са кандидати за ролята на “тъмна материя”. Галак-
тиките могат да бъдат “претеглени”, наблюдавайки тяхното относително движение,
подобно на възможността в Слънчевата система да се определи масата на Слънцето,
измервайки скоростта на движението на Земята по нейната орбита. Ако Слънцето
беше четири пъти по-тежко, то Земята би трябвало да се движи два пъти по-бързо, за
да остане на орбитата си– По аналогичен начин движението на Слънчевата система
относно Млечния път може да се използва за оценка на масата на нашата Галактика
и тя се оказва много по-голяма от тази, която има видимата материя.

Още по-интересна информация дават регистрираните фотони, достигащи Земята
от далечния космос. Всички нестабилни частици, родени в етапа на еволюцията на

Вселената, при анихилация и последващ разпад рано или късно изпускат фотони.

В експеримента наречен WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – вж. “Светът на физиката” 2009, кн. 3,4) с помощта на изведени в космоса радиометри беше регистрирано микровълново гама-излъчване с дължина на вълната от порядъка на 10 мм (честота около 50 Гхц), пристигащо от всевъзможни участъци на небесната сфера.

В експеримента SDSS (Sloan Digital Sky Survey) беше използван 2,5 м. наземен телескоп
на обсерваторията в Ню-Мексико, САЩ и оборудван със спектографи за регистрация
на фотони в пет различни диапазона от галактики от отделни области на небесната
сфера. Комбинацията на получените данни свидетелства, че плътността на материята във Вселената е примерно с порядък по-голям от това което следва от преките наблюдения за видимото излъчване от звездите в галактиката. Пряко астрономично свидетелство за съществуването на “тъмна материя” във Вселената беше получено през 2006 г. при наблюдение на сблъсъка на две отдалечени галактики. Проблемът за “тъмната материя” може да се разреши чрез разширяването на Стандартния модел.

Съществуват достатъчно много кандидати за ролята на частици на “тъмната материя”
(суперсиметричните частици (специално неутралиното), възбужденията на полето на
Калуца-Клайн в модели с допълнителни измерения, частици в модели с разширения
на хигсовския сектор и др.)

По правило, в разширенията на Стандартния модел се изисква съществуването не на един, а на няколко бозона на Хигс с нетривиални взаимодействия. Посочените дотук разширения на Стандартния модел са достъпни за експериментална проверка на колайдера LHC, което създава интересни възможности за сравнение на данните от LHC с астрофизичните наблюдения.





Как се разпада бозонът на Хигс?

Веднага след раждането си бозона на Хигс се разпада на други две частици. Тези два процеса протичат толкова бързо, че те не успяват да се отдалечат от мястото на сблъскване на двата протона на що-годе забележимо разстояние. За да се установи раждането на Хигс-бозона, трябва да се регистрират частиците на разпад, измерят техните енергии и импулси и реконструира нейната маса в голям брой събития. Възможни са разпади на два кварка или глуони, на двойка лептони (електрони, мюони или тау-лептони), на двойка векторни бозони, и накрая, особено интересните за експериментите на LHC много редки случаи на два фотона.

Бозонът на Хигс няма електричен товар и затова не може направо да се разпадне на
два фотона. Трябва предварително да образува затворена примка от заредени векторни бозони или тежки кварка, които след това да излъчат два фотона. Вероятността за
разпад на бозона на Хигс на двойка едни или други частици от Стандартния модел
зависи от неговата маса и от масата на частиците на които се разпада. Например, бозон
на Хигс с маса 120 GeV не може да се разпадне на двойка топ-кварк и антитоп-кварк
с маси от по 175 GeV всяка една от тях – тук енергията на покой е 120 GeV и явно не
достига. Обаче вероятността за разпад на b-кварк и анти b-кварк с маси около 5 GeV
всяка, е по-голяма от вероятността за разпад на двойка тау-лептон и анти тау-лептон с
маси 1,7 GeV.







...

Превел (с известни съкращения): Н. Ахабабян
Сб. “В Глубь материи”, Москва 2009; М.Н.Дубинин, А.Н.Никитенко –
“Бозоны Хигса и объединение взаимодействия”


...

Няма коментари:

Публикуване на коментар