Nobelova nagrada za fiziku - 2013. • Igor Ivanov • Znanstvena vijest o "Elementima" • Nobelove nagrade, Higgs boson, fizika

Nobelova nagrada u fizici – 2013

Nobelova nagrada u fizici 2013: Francois Engler (na lijevoj strani) i Peter Higgs (s desne strane). Fotografija iz www.efabula.com

Nobelovu nagradu za fiziku 2013. Dodijeljena je dvojici fizičara, belgijskom François Englertu i britanskom Peteru Higgsu (Peter Higgs), za "teoretsko otkriće mehanizma koji nam pomaže razumjeti podrijetlo mase subatomskih čestica, a što je nedavno potvrdilo otkriće Large Hadron Collider novog predviđenog čestica. " Drugim riječima, za ono što se danas naziva "Higgsovim mehanizmom". Naglašavamo: ne za otkriće, pa čak ni za predviđanje Higgsovog bozona, već samim mehanizmom, odjekom kojeg je Higgsov bozon. To je bila jedna od najpredvidivijih nominacija u fizici ove godine i istodobno – izvor brojnih sporova oko prioriteta i općenito o smislu dodjele Nobelove nagrade na tu temu određenim ljudima.

Mnogo je pažnje posvećeno Higgsovom mehanizmu na "Elementima". U projektu o Large Hadron Collideru nalaze se stranice posvećene samom mehanizmu i potrazi za Higgsovim bozonom na sudaru.U 2012, kada je otkriće Higgs bozona bila najavljena u CERN-u, detaljan članak se pojavio na elementima s pojedinostima studije. Sadašnje stanje znanstvenog programa za proučavanje svojstava Higgsovog bozona ogleda se na stranici s rezultatima LHC, a najnovije vijesti redovito se pojavljuju na vijestima LHC u sekciji Vijesti Higgs bozona. Konačno, to se također nalazi u materijalima poznatih fizičara objavljenih na elementima, na primjer, na predavanju Valeryja Rubakova.

Ponovno uvrštavanje svega ovoga nema puno smisla; međutim, najosnovnije stvari o Higgsovom mehanizmu sažeto su prikazane u nastavku u obliku "pitanja i odgovora" što je moguće kraće. No, Nobelova nagrada je dobar razlog za otkrivanje povijesti otkrića Higgsovog mehanizma, o teškom izboru s kojim se suočava Nobelov odbor i istodobno ispraviti dojam koji bi mogao doživjeti neiskusni čitatelj kada se susreće s ovom temom.

Kratak dopis o Higgsovu bozonu

Je li istina da je Higgsov boks odgovoran za masu svih čestica u Svemiru?
Ne, nije istina. Higgsov bozon ništa ne daje ni misi. Higgs polje daje masu, a bozo samo mikroskopski "ripples", perturbacija ovog polja.Osim toga, polje Higgs uopće nije odgovoran za cijelu masu svih čestica. Masa daje elektronima, muonima, nekim drugim teškim česticama. Masa protona i neutrona nastaje gotovo u cijelosti zbog potpuno drugog mehanizma. Stoga je Higgsovo polje odgovorno za oko 1% mase cijele tvari oko nas. Crne rupe, neotkrivene dok su čestice tamne materije i, eventualno, neutrina dobile svoju masu, na štetu drugih izvora.

I koliko Higgsova bozona oko nas?
Uopće ne. Životni vijek Higgsovog bozona je zanemariv, a raspada se nakon rođenja, čak i bez vremena za interakciju s ničim. Ne može se roditi u prirodnim procesima; potrebni uvjeti postoje samo na Large Hadron Collideru iu rijetkim astrofizikalnim procesima visokih energija.

Zašto onda Higgs boson treba fizičare, ako se ne pojavi nigdje?
Zatim će pomoći da upoznaju svojstva i podrijetlo Higgs polja. Boson nije ništa, polje je sve, ali ovo polje ne može se proučavati drugim sredstvima. Pitanje "Tko sve to treba?" ovdje se ne raspravlja, vidi, primjerice, stranicu Zašto mi treba LHC?

Ako je Higgsov bozon već otvoren, zašto ga dalje proučava?
Fizičari ne trebaju toliko toga potvrditi prisustvo Higgsova bozona, kako mjeriti njezina svojstva. To se može učiniti samo organiziranjem rođenja i propadanja Higgs bozona mnogo puta i nakon statističke obrade podataka. To zahtijeva nekoliko godina rada sudara i pažljivu obradu rezultata. Intermediate rezultati istraživanja redovito se pojavljuju.

Ako polje Higgs daje masu drugim česticama, onda ono što daje masu Higgsovu bozonu?
Postoje dva odgovora: pojednostavljeni i stvarni. Pojednostavljeno je ovo: sama Higgsova polja daje, jer interakcionira sa samim sobom. Danas je mnogo složeniji. Ako se ograničimo samo na jednu rečenicu, Higgsovo polje bi Higgsovu bosonu dala nerealno veliku masu, a budući da ne vidimo takva čuda u prirodi, to znači nešto drugoosim jednostavnog Higgsovog mehanizma koji ometa masu Higgsova bozona. Ali ono što jesmo, još uvijek ne znamo sigurno, iako ovdje postoje mnoge teorije.

Budući da Higgsovo polje daje masu česticama, ispada, stvara li gravitaciju?
Ne. Gravitacija je povezana s punom energijom tijela.Higgsovo polje može pretvoriti dio ukupne energije u energiju odmora, tj. Masu, ali ne utječe izravno na gravitacijsku interakciju. U suvremenoj fizici postoje teorije u kojima Higgsovo polje, na neki način, ima nešto zajedničko s gravitacijom, ali to uopće nije veza koja se obično misli na to pitanje.

Tko će dati "nobel"?

U masovnoj svijesti, neko važno otkriće u teorijskoj fizici, a još više otkriće obilježeno Nobelovom nagradom, obično izgleda ovako. Došlo je do teškog problema, nitko ga nije mogao riješiti, bez obzira koliko su se trudili, a onda je Genius preuzeo slučaj i sam sam proizveo potpuno potpunu teoriju. Nažalost, u velikom broju slučajeva situacija u suvremenoj znanosti je sasvim drugačija. Teorijska fizika razvijena je zajedničkim naporima mnogih tisuća stručnjaka, a doprinos svake pojedine osobe može biti prilično mali – čak i ako je postao veza koja povezuje tuđe publikacije prije i poslije njega.

Štoviše, događa se da neko teško pitanje ne daje dugotrajnim fizičarima, a onda se u takvoj napetoj atmosferi istovremeno mogu pojaviti slične ideje za nekoliko ljudi.Kasnije, iz perspektive desetljeća, cijela teorija koja se pojavila može izgledati vrlo važno, ali u pravednosti dati prioritet jednog "najvažnijeg koraka" jednom od fizičara koji sudjeluju u njezinu stvaranju, to može biti iznimno teško. A ponekad kriterij takvog zastoja nije onaj tko je zaista važniji za izgradnju same teorije, ali koji u pravom trenutku iu pravom kontekstu izgovori pravu riječ.

Nobelova nagrada za fiziku 2013. najbolji je primjer ove situacije. Nagrada za "Higgsov mehanizam" dodijeljena je dvojici fizičara, Peteru Higgsu i Françoisu Engleru, a također bi mogao biti nagrađen Robertu Brautu, koautoru Englera, ako je sada živ. Međutim, više od desetak teoretičara imalo je ruku u stvaranju Higgsovog mehanizma (vidi sl. 2 u nastavku). Čak i ako uzmemo samo one članke iz 1964. godine, u kojima je izrađena ključna izjava Higgsovog mehanizma i do neke mjere dokazana, onda je ovdje potrebno spomenuti barem članke iz tri skupine. Kronološki slijed publikacija bio je sljedeći: prvi Broute-Engler, zatim dva Higgsova članka, a zatim članak Gerald Huralnick, Karl Hagen i Thomas Kibble.Nije slučajno da su svi šestorici primili u 2010 prestižnu Sakurai nagrada, koju američko fizičko društvo dodjeljuje za izvanredan doprinos fizici čestica.

Mora se reći da je dugotrajna poznata situacija s prvenstveno u otkriću ovog mehanizma i stalnom korištenju pojma "Higgs". Ponovno je razgovarala u različitim okolnostima, a osobito je služila kao izgovor za nekoliko povijesnih skica i sjećanja svih sudionika u ovoj priči prije pola stoljeća. Izbor tih materijala potražite na popisu veza na kraju članka.

Kratak tijek povijesti Higgsovog mehanizma

Sl. 2. "Nedovršena Higgstoria": shematski prikaz doprinosa raznih teorijskih fizičara onome što se sada naziva "Higgsovim mehanizmom"; strelice Pokazuje utjecaj koji su neke teorije imale na druge. Bež blokira u središtu sheme – Četiri članka iz 1964. godine, koji se obično spominju u znanstvenoj literaturi na spomenuti Higgsov mehanizam. Shema Matta Straslera

U sl. Slika 2 prikazuje dijagram koji je istaknuo fizičar Matt Strassler o tome kako je Higgsov mehanizam kristalizirao u djelima desetaka teoretičara 1950-ih i 1960-ih.Činjenica da se ova shema naziva "strašno nepotpun" nije uopće šala, bilo je stvarno nerealno uzeti u obzir sve one koji su u određenoj mjeri imali ruku u njemu. Središnji, istaknuti blok obuhvaća četiri navedena članka; jasno se vidi da se ta djela oslanjaju na rad različitih predhodnika. Pokušat ćemo ukratko opisati, ne ulazeći u pre tehničke pojedinosti, tko je učinio što i tko je pod utjecajem koga.

Do kraja pedesetih godina, oblikovana je hrabra hipoteza: snažne i slabe interakcije mogu se također opisati kao interakcije mjerača, poput uspješne kvantne elektrodinamike (vidi cijelu povijest razvoja fizike elementarne čestice na jednoj stranici). U takvim teorijama, interakcija između čestica nastaje neovisno kao rezultat simetrije teorije s obzirom na neke transformacije, a fizicko polje sile postiže se razmjenom nosača. Istina, za razliku od elektromagnetizma, ova polja trebaju biti neuobičajena za opisivanje jakih ili slabih interakcija. Teoriju takve interakcije izgradila je ZH. Young i R. Mills 1954. godine i oslanjaju se na bogatu "unutarnju" simetriju čestica.

Sve bi bilo sjajno ako ne bi bilo jednog važnog detalja.Ako je to simetrija u našem svijetu, onda bi čestice nosača slabih interakcija bile bez masnoće. Ali ne vidimo takve čestice. Stoga, ako ova simetrija ima veze s našim svijetom, onda bi to trebalo spontano slomiti. Grubo govoreći, iako su jednadžbe simetrične, njihova rješenja, koja opisuju naš svijet, nisu.

Kako izgraditi teoriju s razbijanjem spontane simetrije, fizičari znaju. U fizici kondenzirane materije, ovo je poznato već dugo, a Nambu je ove ideje primijenio u elementarne čestice 1960. godine. Moramo pretpostaviti postojanje novog tipa skalarnog polja, koje ima neuobičajeno svojstvo: u najnižem energetskom stanju ovo polje uopće nije odsutno, ali ispunjava čitav Svemir kontinuiranom homogenom pozadinom (ilustracije Higgsovog mehanizma pomažu razumjeti ovu sliku). Primjeri takvog polja već su bili poznati u nekim ne-relativističkim područjima fizike (na primjer, superfluidnost i supravodljivost), ali kako se to dogovoriti u realnim relativističkim teorijama elementarnih čestica, nije bilo jasno.

Pored toga, nastaje novi napad: kada se simetrija spontano slomi, tada se čestice bez maske pojavljuju već na skalarnom polju.Ta je izjava nazvana "Goldstoneov teorem" i u završnom je obliku strogo dokazana 1962. godine. Zaključak iz toga slijedi prilično krut: ako je tako, onda su razni zanimljivi pokušaji povezivanja svojstava elementarnih čestica s spontanom kršenjem neke vrste unutarnje simetrije bezuspješni. Uostalom, tada će se neizbježno pojaviti nespecijalne skalarne čestice, ali svakako znamo da oni ne postoje u prirodi.

Dakle, moguće je do sada općenito staviti na stranu sva svojstva stvarnih čestica i stvarnih interakcija i podići vrlo specifično, iako prilično teoretsko pitanje: je li ionako zaobići Goldstoneov teorem? Je li moguće razbiti simetriju, ali izbjegavajte pojavu beskonačnih bozona?

U godinama 1962-1963, djela prvo pojavljuju Schwinger, a zatim i Anderson, u kojima se daju konkretni primjeri kako se taj teorem može zaobići. A u svom je članku Anderson izravno formulirao ključno promatranje koje stavlja stvari na svoje mjesto:

Ne pojavljuju se beskonačni boksovi, ali oni su odmah zapetljani masama bez čestica – nosačima interakcije; Zbog tog zagušenja, samostalne skalarne čestice postaju neprimjetne, ali nosač čestica postaje masivan.

Ova ideja – "bezmasna skalarna čestica + masivni nosač = masivni nosač" – nalazi se u središtu Higgsovog mehanizma. Zato se Anderson smatra autorom ove ideje, ako nije riječ o jednoj suptilnosti: Andersonov primjer se odnosi na ne-relativističku teoriju. Nadao se da bi to moglo biti provedeno za relativističke teorije, ali kako točno on nije pokazao.

1964

Naknadni događaji iz 1964. izgledali su više kao razmjena "otvorenih pisama" ne više od stranice veličine nego kao punopravni znanstveni članci (i nije slučajno da su objavljeni u časopisima Fizikalni pregledni pisma i Fizika slova). U ožujskom izdanju PRL-a: Klein i Lee ponovno ističu da se dokaz o Goldstoneovom teoremu oslanja na potpunu relativističku kovarijanciju u formuliranju teorije i čini se da se teorem ne može dokazati bez njega. Možda je ovo puškarnica? Tri mjeseca kasnije Hilbert tvrdi: naravno, ovo je praznina, ali samo će pomoći ne-relativističkim teorijama. I gradimo teorije interakcije elementarnih čestica na relativistički nepromjenljiv način, pa nažalost, ali to neće funkcionirati.

U rujnu 1964. pojavio se Higgsov protutužni prigovor.To je istina, kaže, ali ne zaboravimo da teorije matrica imaju svoje važne značajke koje ne dopuštaju takvu krutu formulaciju. Dakle, još uvijek možete izgraditi teoriju, tako da i simetrija bude slomljena i da masene čestice ne uspiju. U listopadskom broju časopisa PRL, Higgs je dao konkretan primjer (iako na razini klasične, a ne kvantne teorije), au međuvremenu je napisao u običnom tekstu da se, pored svega, pojavila i nova masivna spinless čestica.

Paralelno s tom korespondencijom u kolovozskom broju PRL-a – tj. Prije prvog članka Higgs-a – članak od tri stranice pojavio se Broute i Engler posvećen istom problemu. Nisu reagirali na bilo kakve specifične primjedbe, već su jednostavno izgradili primjer potrebne teorije, štoviše, u teoriji Yang-Mills. Budući da se taj rad pojavio gotovo istodobno s prvim člankom Higgsa, u njima nema poprečnih reference, no već ga spominje drugi članak Higgsa.

U studenom 1964. godine u PRL-u se pojavio članak Guralnika, Hagena i Kibblea o istom problemu. Nisu znali za izdanja Higgsa i Braut-Englera sve do posljednjeg trenutka, a časopisi su zapisali s njihovim radovima, samo pripremajući svoj članak za slanje.Nakon toga morali su dopuniti tekst teksta s novim komentarima, ali općenito su vidjeli situaciju kako slijedi: ono što Braut-Engler i Higgs nisu u potpunosti razradili, imaju potpuni izgled.

Imajte na umu da Higgs boson zauzima nevažno mjesto u ovoj priči. Sve se kontroverze provode oko mogućnosti ispravne gradnje. teorija, tražeći zaobići Goldstoneov teorem, smrtonosno opasan za zanimljive primjere teorije Yang-Mills. Štoviše, kada je riječ o specifičnim aplikacijama, većina ljudi pokušala je upotrijebiti novu metodu kako bi objasnila mase hadrona, a ne hipotetične čestice – nosioci slabih interakcija! Dakle, sa stajališta rješavanja tog problema, novi bozon, koji se po prvi put eksplicitno spominje samo u Higgsu, nije predstavljalo nove postignuća i općenito nije bio nekako povezan s teorijama slabih interakcija. Međutim, desetljeća kasnije, bilo je to izravno spominjanje nerelevantne činjenice koja je masovna percepcija pretvorena u "predviđanje Higgsova bozona" kao određenog bitnog elementa cjelokupnog epa.

Budući da su ta djela bila čisto tehnička, tada, naravno, priča nije završila tamo.Slijedili su drugi članci, ponekad povezani s njima, ponekad i ne. Na primjer, 1966. godine, vrlo mladi tada Alexander Migdal i Alexander Polyakov objavili su članak u JETP-u s istim rezultatima dobivenim na drugačiji način. U svojim memoarima Migdal kaže da su pokušali objaviti ovaj članak već dvije godine, ali u početku nitko nije htio to ozbiljno shvatiti (vidjeti i memoare Aleksandra Polyakova i materijala koji prate nagradu za Nobelovu nagradu). I općenito, pitanje o tome što je kršenje mjerne simetrije općenito, raspravljalo se mnogo godina (vidi, na primjer, Elitzurov teorem iz 1975.). Međutim, naglašavamo: s iznimkom pojedinih djela, dugo vremena naglasak je bio upravo na teoriju, a ne na Higgsovu bozonu.

Uloga bozona je prikladna eksperimentalno promatranje "Odjek" mehanizma doista je realiziran tek u 70-im godinama. Otprilike u isto vrijeme, prikladno i kratko, ali ne sasvim fer epitet "Higgs", kao i sam mehanizam. Nakon što je izgrađena teorija elektronskog interakcija, koja se, između ostalog,ovaj mehanizam, nakon što je pokazano da je ta teorija renormalizabilna (tj. samo-dosljedna i prikladna za izračune), pojavio se široko rasprostranjen interes fizičara u svojstvima i potrazi za Higgsovim bozonom.

Teoretičari su počeli izračunavati procese rođenja i propadanja bozona, a eksperimenti su ga počeli tražiti kod svih sudara. Nažalost, nisu pronašli nikakve tragove, ali nije mnogo toga uznemirio jer je masa bozona ostala nepoznata. Bozon nije bio vidljiv na divovskim kolegama LEP u CERN-u i Tevatronu na Fermilabu, ali s druge strane, ona se počela neizravno "osjećati" u ukupnosti prikupljenih vremenskim podacima o provjeri Standardnog modela. Do tada su se velika većina fizičara uvjerila da je boson, očito, postoji, što znači da je Higgsov mehanizam stvaran, ali nije postojao konačni dodir – izravno otkriće Higgsova bozona u eksperimentu. To je učinjeno na LHC-u 2012, a nakon pola stoljeća (!) Nakon teorijskog otkrića, konačno je potvrdio valjanost Higgsovog mehanizma da razbije električnu simetriju.

Pa, za snack, kako bi bolje osjetili tko je sudjelovao u izgradnji teorije, pokušajte računati koliko ljudiImena navedena u ovoj vijesti su nobelovci (nagovještaj: ne samo pobjednici fizike!).

reference:

Četiri standardna članka, obično povezana s razvojem Higgsovog mehanizma:
1) F. Englert i R. Brout. Broken Symmetry i Messenger Vector Mesons // Phys. Rev. Leti. 13, 321-323 (1964).
2) P. W. Higgs. Razbijene simetrije, masne čestice i mjerne polja // Phys. Leti. 12, 132-133 (1964).
3) P. W. Higgs. Slomljene simetrije i mase mjerila Bosona // Phys. Rev. Leti. 13, 508-509 (1964).
4) G.S. Guralnik, C. R. Hagen i T. W. B. Kibble. Globalna zakonska zaštita i masene čestice // Phys. Rev. Leti. 13, 585-587 (1964); Detaljnija verzija ovog rada u predstavljanju Gerald Guralnika objavljena je 1965. godine, a nedavno je objavljena u arhivi e-grafika.

Povijest razvoja teorije u predstavljanju svojih izravnih sudionika:
1) R. Braut, F. Engler. Spontani simetrični slom u teorijama mjerača: Povijesni pregled (1998).
Intervju s Philipom Andersonom (1999).
2) T. Kibble, Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble mehanizam (povijest).
3) G. S. Guralnik. Povijest razvoja ideje s tehničkim detaljima i usporedba članaka nekoliko grupa, vidi također Počeci spontane simetrije razbijanja fizike čestica, povijesni komentari i fotografije ,
4) P. Higgs. Pretpovijest Higgsova bozona i Moj život kao Boson – kratki opis razvoja.

Vidi također:
1) Najava nagrade i detaljan opis situacije na službenim stranicama Nobelove nagrade.
2) Twists and Turns of Hi (gg) priča je blog ulaz Mattra Strasslera s pokušajem pružanja detaljnog, točnog i dostupnog objašnjenja mjesta i uloge tri članka u cijelom razvoju teorije.
3) J. Bernstein. Pitanje mase // Am. J. Phys. 79, 25 (2011).
4) L.Alvarez-Gaume, J. Ellis. Oči na nagradnoj čestici // Fizika prirode 7, 2-3 (2011).
5) J. Ellis, M.K. Gaillard, D.V. Nanopoulos. Fenomenološki profil Higgsova bozona, povijesna priča o tome kako je Higgsov bozon iz čisto teorijske čestice pretvoren u objekt eksperimentalnog istraživanja.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: