bozon Higgsa

bozon Higgsa
	na bozon Higgsa ze zderzeń protonów w LHC . Górne zdarzenie w CMS pokazuje rozpad na dwa fotony (przerywane żółte linie i zielone wieże). Niższe zdarzenie w ATLAS pokazuje rozpad na cztery miony (czerwone ślady).
Kompozycja	Cząstka elementarna
Statystyka	bozonowy
Symbol	; H0;
Teoretyzować	R. Brout , F. Englert , P. Higgs , GS Guralnik , CR Hagen i TWB Kibble (1964)
Odkryty	Wielki Zderzacz Hadronów (2011–2013)
Masa	125,25 ± 0,17 GeV/ c 2
Średnia żywotność	) 1,56 × 10-22 s (przewidywane) 1,2 ~ 4,6 × 10-22 s (wstępnie zmierzone przy istotności 3,2 sigma (1 na 1000) ;
Rozpada się w	; Dno – antydół (obserwowane) ; Dwa bozony W (obserwowane) ; Dwa gluony (przewidywane) ; Tau -antitau (zaobserwowana) ; Dwa bozony Z (obserwowane) ; Dwa fotony (obserwowane) ; Dwa leptony i foton (rozpad Dalitza przez wirtualny foton ) (wstępnie obserwowany przy istotności sigma 3,2 (1 na 1000)) ; mion – antymion (przewidywana) ; Różne inne rozpady (przewidywane);
Ładunek elektryczny	0 mi
Wirowanie	0
ładunku kolorowego	0
Słaba izospina	− 1 / 2
Słabe hiperładowanie	+1
Parytet	+1

Bozon Higgsa , czasami nazywany cząstką Higgsa , jest cząstką elementarną w Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych, wytwarzaną przez kwantowe wzbudzenie pola Higgsa , jednego z pól w teorii fizyki cząstek elementarnych . W Modelu Standardowym cząstka Higgsa jest masywnym bozonem skalarnym z zerowym spinem , parzystą (dodatnią) parzystością , bez ładunku elektrycznego i bez ładunek koloru , który łączy się (oddziałuje z) masą. Jest również bardzo niestabilny, prawie natychmiast rozpadając się na inne cząstki.

Pole Higgsa jest polem skalarnym , z dwoma składowymi neutralnymi i dwoma naładowanymi elektrycznie, które tworzą złożony dublet słabej symetrii izospinowej SU(2) . Jego w kształcie meksykańskiego kapelusza prowadzi go do przyjmowania wartości niezerowych wszędzie (w tym w pustej przestrzeni), co łamie słabą izospinową symetrię oddziaływania elektrosłabego i poprzez mechanizm Higgsa nadaje masę wielu cząstkom.

Zarówno pole, jak i bozon zostały nazwane na cześć fizyka Petera Higgsa , który w 1964 roku, wraz z pięcioma innymi naukowcami w trzech zespołach, zaproponował mechanizm Higgsa , sposób, w jaki niektóre cząstki mogą uzyskiwać masę . (Wszystkie znane wówczas cząstki elementarne powinny być bezmasowe przy bardzo wysokich energiach, ale pełne wyjaśnienie, w jaki sposób niektóre cząstki uzyskują masę przy niższych energiach, było niezwykle trudne) . powinien również istnieć, z pewnymi właściwościami. Cząstkę tę nazwano bozonem Higgsa i można jej było użyć do sprawdzenia, czy pole Higgsa jest poprawnym wyjaśnieniem.

Po 40 latach poszukiwań cząstka subatomowa o oczekiwanych właściwościach została odkryta w 2012 roku w ramach eksperymentów ATLAS i CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN niedaleko Genewy w Szwajcarii. Następnie potwierdzono, że nowa cząstka odpowiada oczekiwanym właściwościom bozonu Higgsa. Fizycy z dwóch z trzech zespołów, Peter Higgs i François Englert , otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2013 roku za swoje przewidywania teoretyczne. Chociaż nazwisko Higgsa zaczęło być kojarzone z tą teorią, kilku badaczy w latach 1960-1972 niezależnie opracowało różne jej części.

W mediach głównego nurtu bozon Higgsa jest czasami nazywany „boską cząstką” po książce The God Particle z 1993 roku autorstwa laureata Nagrody Nobla Leona Ledermana , chociaż wielu fizyków krytykowało ten przydomek.

Wstęp

Model standardowy

Fizycy wyjaśniają fundamentalne cząstki i siły naszego Wszechświata za pomocą Modelu Standardowego – szeroko akceptowanej struktury opartej na kwantowej teorii pola , która z dużą dokładnością przewiduje prawie wszystkie znane cząstki i siły inne niż grawitacja . (Oddzielna teoria, ogólna teoria względności , jest używana do grawitacji.) W Modelu Standardowym cząstki i siły w przyrodzie (inne niż grawitacja) wynikają z właściwości pól kwantowych , znanych jako niezmienność cechowania i symetrie . Siły w Modelu Standardowym są przenoszone przez cząstki zwane bozonami cechowania .

Zmierz niezmiennicze teorie i symetrie

„Tylko trochę przesadą jest stwierdzenie, że fizyka to nauka o symetrii” – Philip Anderson , Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki

Teorie niezmienników cechowania to teorie, które mają użyteczną cechę, że niektóre rodzaje zmian wartości pewnych przedmiotów nie mają żadnego wpływu na wyniki lub dokonywane przez nas pomiary. Przykładem jest to, że zmiana napięcia w elektromagnesie o +100 woltów nie powoduje żadnej zmiany w wytwarzanym przez niego polu magnetycznym . Podobnie pomiar prędkości światła w próżni wydaje się dawać identyczne wyniki niezależnie od położenia w czasie i przestrzeni oraz niezależnie od lokalnego pola grawitacyjnego .

W tego rodzaju teoriach cechowanie jest elementem, którego wartość możemy zmieniać, fakt, że niektóre zmiany pozostawiają niezmienne wyniki, które mierzymy, oznacza, że jest to teoria niezmienna cechowania , a symetrie to specyficzne rodzaje zmian w mierniku, które powodują pozostawienie pomiarów bez zmian. (Dokładniej, te przekształcenia składnika cechowania nie zmieniają energii). Symetrie tego rodzaju są potężnymi narzędziami do głębokiego zrozumienia podstawowych sił i cząstek w naszym świecie fizycznym, a zatem niezmienność cechowania jest ważną właściwością w teorii fizyki cząstek elementarnych. Są ściśle powiązane z prawami zachowania i są opisane matematycznie za pomocą teorii grup . Kwantowa teoria pola i Model Standardowy są teoriami niezmienniczymi cechowania – co oznacza, że skupiają się na właściwościach naszego Wszechświata, które demonstrują tę właściwość niezmienności cechowania, oraz związanych z tym symetriach.

Problem miernika masy bozonu

Kwantowe teorie pola oparte na niezmienniczości cechowania były stosowane z dużym powodzeniem w zrozumieniu oddziaływań elektromagnetycznych i silnych , ale około 1960 roku wszystkie próby stworzenia teorii niezmienniczości cechowania dla oddziaływań słabych (i ich kombinacji z siłą elektromagnetyczną, zwaną razem oddziaływanie elektrosłabe ) konsekwentnie zawodziło, w wyniku czego teorie cechowania zaczęły tracić reputację. Problem polegał na tym, że wymagania dotyczące symetrii ponieważ te dwie siły błędnie przewidziały, że bozony cechowania słabej siły ( W i Z ) będą miały zerową masę. Ale eksperymenty wykazały, że bozony cechowania W i Z miały niezerową masę.

Kolejnym problemem było to, że wiele obiecujących rozwiązań wydawało się wymagać istnienia dodatkowych cząstek, znanych jako bozony Goldstone'a . Ale dowody sugerowały, że te również nie istniały. Oznaczało to, że albo niezmienność cechowania była niepoprawnym podejściem, albo coś nieznanego nadawało bozonom W i Z siły słabej ich masę i robiło to w sposób, który nie tworzył bozonów Goldstone'a. Pod koniec lat pięćdziesiątych i na początku lat sześćdziesiątych fizycy wciąż nie wiedzieli, jak rozwiązać te problemy lub jak stworzyć kompleksową teorię fizyki cząstek elementarnych.

Łamanie symetrii

Pod koniec lat pięćdziesiątych Yoichiro Nambu uznał, że w pewnych warunkach może wystąpić spontaniczne złamanie symetrii , proces, w którym system symetryczny staje się asymetryczny. Łamanie symetrii ma miejsce, gdy zmiana, która wcześniej nie zmieniała zmierzonych wyników ( pierwotnie była to „symetria” ), teraz zmienia zmierzone wyniki ( teraz jest „zepsuta” i nie jest już symetrią ). W 1962 roku fizyk Philip Anderson , ekspert w dziedzinie fizyki materii skondensowanej , zauważył, że łamanie symetrii odgrywa pewną rolę w nadprzewodnictwo i zasugerował, że może to być również część odpowiedzi na problem niezmienności cechowania w fizyce cząstek elementarnych.

W szczególności Anderson zasugerował, że bozony Goldstone'a , które powstałyby w wyniku złamania symetrii, mogą zamiast tego w pewnych okolicznościach zostać „wchłonięte” przez bezmasowe bozony W i Z. Jeśli tak, być może bozony Goldstone'a nie istniałyby, a bozony W i Z mogłyby zyskać na masie , rozwiązując jednocześnie oba problemy. Teoretyzowano już o podobnym zachowaniu w nadprzewodnictwie. Abraham Klein i Benjamin Lee wykazali, że jest to teoretycznie możliwe , przynajmniej dla niektórych ograniczonych ( nierelatywistycznych ) sprawy. Odkrycia te zostały formalnie opublikowane w kwietniu 1963 (Anderson) i marcu 1964 (Klein i Lee).

mechanizm Higgsa

Po artykułach z 1963 i początku 1964 roku trzy grupy badaczy niezależnie rozwinęły te teorie pełniej, w tak zwanych artykułach o łamaniu symetrii PRL-u z 1964 roku . Wszystkie trzy grupy doszły do podobnych wniosków i dotyczyły wszystkich przypadków, a nie tylko niektórych ograniczonych przypadków. Wykazali, że warunki symetrii elektrosłabej zostałyby „złamane”, gdyby w całym wszechświecie istniał niezwykły rodzaj pola i rzeczywiście nie byłoby bozonów Goldstone'a, a niektóre istniejące bozony nabyłyby masę .

Pole wymagane do tego, aby tak się stało (co było wówczas czysto hipotetyczne) stało się znane jako pole Higgsa (od nazwiska Petera Higgsa , jednego z badaczy), a mechanizm, za pomocą którego doprowadziło do złamania symetrii, znany jako mechanizm Higgsa . Kluczową cechą wymaganego pola jest to, że potrzeba mniej energii, aby pole miało wartość różną od zera niż wartość zerowa, w przeciwieństwie do wszystkich innych znanych pól, dlatego też pole Higgsa ma wartość niezerową (lub oczekiwaną próżnię ) wszędzie . Ta niezerowa wartość mogłaby teoretycznie złamać elektrosłabą symetrię. Była to pierwsza propozycja zdolna do pokazania, w jaki sposób bozony cechowania słabych sił mogą mieć masę pomimo ich rządzącej symetrii, w ramach teorii niezmienników cechowania.

Chociaż idee te nie zyskały początkowo dużego poparcia ani uwagi, do 1972 roku rozwinęły się w obszerną teorię i okazały się zdolne do dawania „ rozsądnych” wyników , które dokładnie opisywały znane wówczas cząstki i które z wyjątkową dokładnością przewidywały kilka innych cząstki odkryte w kolejnych latach . W latach siedemdziesiątych teorie te szybko stały się modelem standardowym fizyki cząstek elementarnych.

Pole Higgsa

Model Standardowy zawiera pole potrzebne do „złamania” elektrosłabej symetrii i nadania cząstkom właściwej masy. To pole, zwane „polem Higgsa”, istnieje w całej przestrzeni i łamie niektóre prawa symetrii oddziaływań elektrosłabych , uruchamiając mechanizm Higgsa. Dlatego powoduje, że bozony cechowania W i Z siły słabej są masywne we wszystkich temperaturach poniżej ekstremalnie wysokiej wartości. Kiedy bozony oddziaływań słabych uzyskują masę, wpływa to na odległość, jaką mogą swobodnie pokonywać, która staje się bardzo mała, co również odpowiada wynikom eksperymentalnym. Co więcej, później zdano sobie sprawę, że to samo pole wyjaśniałoby również, w inny sposób, dlaczego inne podstawowe składniki materii (w tym elektrony i kwarki ) mają masę.

W przeciwieństwie do wszystkich innych znanych pól, takich jak pole elektromagnetyczne , pole Higgsa jest polem skalarnym i ma niezerową średnią wartość w próżni .

„Główny problem”

Nie było jeszcze żadnych bezpośrednich dowodów na istnienie pola Higgsa, ale nawet bez bezpośredniego dowodu dokładność jego przewidywań doprowadziła naukowców do przekonania, że teoria może być prawdziwa. W latach osiemdziesiątych pytanie, czy pole Higgsa istnieje, a co za tym idzie, czy cały Model Standardowy jest poprawny, zostało uznane za jedno z najważniejszych pytań bez odpowiedzi w fizyce cząstek elementarnych .

Przez wiele dziesięcioleci naukowcy nie mieli możliwości ustalenia, czy pole Higgsa istnieje, ponieważ nie istniała wówczas technologia potrzebna do jego wykrycia. Gdyby pole Higgsa rzeczywiście istniało, byłoby niepodobne do żadnego innego znanego podstawowego pola, ale możliwe było również, że te kluczowe idee, a nawet cały Model Standardowy, były w jakiś sposób błędne.

Istnienie pola Higgsa stało się ostatnią niezweryfikowaną częścią Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych i przez kilka dziesięcioleci było uważane za „główny problem fizyki cząstek elementarnych”.

Hipotetyczna teoria Higgsa zawierała kilka kluczowych przewidywań. Jednym z kluczowych przewidywań było to, że powinna również istnieć pasująca cząstka , zwana „bozonem Higgsa”. Udowodnienie istnienia bozonu Higgsa udowodniłoby, czy pole Higgsa istniało, a zatem ostatecznie udowodniłoby, czy wyjaśnienie Modelu Standardowego było poprawne. Dlatego też przeprowadzono szeroko zakrojone poszukiwania bozonu Higgsa , jako sposobu na udowodnienie istnienia samego pola Higgsa.

Szukaj i odkrywaj

Chociaż pole Higgsa mogło istnieć wszędzie, udowodnienie jego istnienia nie było łatwe. W zasadzie można udowodnić jego istnienie, wykrywając jego wzbudzenia , które manifestują się jako cząstki Higgsa ( bozon Higgsa ), ale są one niezwykle trudne do wytworzenia i wykrycia ze względu na energię potrzebną do ich wytworzenia i ich bardzo rzadką produkcję, nawet jeśli energia jest wystarczająca. Dlatego minęło kilka dziesięcioleci, zanim udało się znaleźć pierwszy dowód na istnienie bozonu Higgsa. Zderzacze cząstek , detektory i komputery zdolne do poszukiwania bozonów Higgsa trwały ponad 30 lat ( ok. 1980 ~ 2010 ) do rozwoju.

Znaczenie tego fundamentalnego pytania doprowadziło do 40-letnich poszukiwań i zbudowania jednego z najdroższych i najbardziej złożonych obiektów eksperymentalnych na świecie, Wielkiego Zderzacza Hadronów w CERN -ie , w celu stworzenia bozonów Higgsa i innych cząstek do obserwacji i uczyć się. 4 lipca 2012 r. ogłoszono odkrycie nowej cząstki o masie od 125 do 127 GeV/ c ^{2 ;} fizycy podejrzewali, że był to bozon Higgsa.

Od tego czasu wykazano, że cząstka zachowuje się, oddziałuje i rozpada na wiele sposobów przewidzianych dla cząstek Higgsa przez Model Standardowy, a także ma parzystość i zerowy spin , dwie podstawowe cechy bozonu Higgsa. Oznacza to również, że jest to pierwsza elementarna cząstka skalarna odkryta w przyrodzie.

Do marca 2013 r. Potwierdzono istnienie bozonu Higgsa, dlatego koncepcja pewnego rodzaju pola Higgsa w przestrzeni jest silnie wspierana.

Obecność pola, potwierdzona teraz badaniami eksperymentalnymi, wyjaśnia, dlaczego niektóre podstawowe cząstki mają masę , pomimo symetrii kontrolujących ich interakcje, co sugeruje, że powinny one być bezmasowe. Rozwiązuje również kilka innych długotrwałych zagadek, takich jak przyczyna ekstremalnie krótkiej odległości pokonywanej przez bozony oddziaływań słabych , a tym samym ekstremalnie krótkiego zasięgu oddziaływań słabych.

Od 2018 roku dogłębne badania pokazują, że cząstka nadal zachowuje się zgodnie z przewidywaniami dla bozonu Higgsa Modelu Standardowego. Potrzebne są dalsze badania, aby zweryfikować z większą precyzją, czy odkryta cząstka ma wszystkie przewidywane właściwości lub czy, jak opisują niektóre teorie, istnieje wiele bozonów Higgsa.

Natura i właściwości tego pola są obecnie badane dalej, przy użyciu większej ilości danych zebranych w LHC.

Interpretacja

Do opisu pola Higgsa i bozonu zastosowano różne analogie , w tym analogie z dobrze znanymi efektami łamania symetrii, takimi jak tęcza i pryzmat , pola elektryczne i zmarszczki na powierzchni wody.

Inne analogie oparte na oporze makroobiektów poruszających się w mediach (takich jak ludzie poruszający się w tłumie lub niektóre obiekty poruszające się w syropie lub melasie ) są powszechnie używane, ale wprowadzają w błąd, ponieważ pole Higgsa w rzeczywistości nie opiera się cząsteczkom, a efekt masy jest nie spowodowane oporem.

Przegląd właściwości bozonu Higgsa i pola

Potencjał pola Higgsa w kształcie meksykańskiego kapelusza jest odpowiedzialny za nabieranie masy przez niektóre cząstki.

bozon Higgsa jest masywnym bozonem skalarnym , którego masę należy znaleźć eksperymentalnie. Jego masę określono na 125,35 ± 0,15 GeV/ c ² . Jest to jedyna cząstka, która pozostaje masywna nawet przy bardzo wysokich energiach. Ma zerowy spin , parzystą (dodatnią) parzystość , brak ładunku elektrycznego i kolorowego , i łączy się z masą (oddziałuje z nią). Jest również bardzo niestabilny, rozkładający się w inne cząstki niemal natychmiast kilkoma możliwymi drogami.

Pole Higgsa jest polem skalarnym , z dwoma składowymi neutralnymi i dwoma naładowanymi elektrycznie, które tworzą złożony dublet słabej symetrii izospinowej SU(2) . W przeciwieństwie do innych znanych pól kwantowych, ma w kształcie meksykańskiego kapelusza . Ten kształt oznacza, że poniżej ekstremalnie wysokich energii około 159,5 ± 1,5 GeV , takich jak te obserwowane podczas pierwszej pikosekundy (10-12 ^s ) Wielkiego Wybuchu pole Higgsa w stanie podstawowym wymaga mniej energii, aby mieć niezerową wartość oczekiwaną próżni niż wartość zero. Dlatego w dzisiejszym wszechświecie pole Higgsa ma wszędzie wartość różną od zera (włączając w to pustą przestrzeń). Ta niezerowa wartość z kolei łamie wszędzie symetrię słabego izospinu SU(2) oddziaływania elektrosłabego . (Technicznie rzecz biorąc, niezerowa wartość oczekiwana konwertuje Lagrange'a Yukawa łączy terminy w terminy masowe.) Kiedy tak się dzieje, trzy składowe pola Higgsa są „wchłaniane” przez bozony cechowania SU(2) i U(1) („mechanizm Higgsa”), aby stać się podłużnymi składowymi pola Higgsa masywne teraz bozony W i Z oddziaływania słabego . Pozostały elektrycznie obojętny składnik albo manifestuje się jako bozon Higgsa, albo może łączyć się oddzielnie z innymi cząstkami znanymi jako fermiony (poprzez sprzężenia Yukawy ), powodując, że one również nabierają masy .

Znaczenie

Dowody na istnienie pola Higgsa i jego właściwości były niezwykle istotne z wielu powodów. Znaczenie bozonu Higgsa polega w dużej mierze na tym, że można go zbadać przy użyciu istniejącej wiedzy i technologii eksperymentalnej, jako sposób na potwierdzenie i zbadanie całej teorii pola Higgsa. I odwrotnie, dowód na to, że pole Higgsa i bozon nie istnieją, również byłby znaczący.

Fizyka cząsteczek

Walidacja modelu standardowego

Bozon Higgsa potwierdza Model Standardowy poprzez mechanizm generowania masy . W miarę wykonywania dokładniejszych pomiarów jego właściwości można sugerować lub wykluczać bardziej zaawansowane rozszerzenia. W miarę opracowywania eksperymentalnych środków do pomiaru zachowań i interakcji pola, to podstawowe pole może być lepiej zrozumiane. Gdyby pole Higgsa nie zostało odkryte, Model Standardowy musiałby zostać zmodyfikowany lub zastąpiony.

W związku z tym wśród fizyków ogólnie istnieje przekonanie, że prawdopodobnie pojawi się „nowa” fizyka wykraczająca poza Model Standardowy , a Model Standardowy zostanie w pewnym momencie rozszerzony lub zastąpiony. Odkrycie Higgsa, jak również wiele zmierzonych zderzeń zachodzących w LHC, dostarczają fizykom czułego narzędzia do przeszukiwania ich danych w celu znalezienia jakichkolwiek dowodów na to, że Model Standardowy wydaje się zawodzić, i mogą dostarczyć znaczących dowodów prowadzących badaczy do przyszłego rozwoju teoretycznego.

Łamanie symetrii oddziaływania elektrosłabego

Poniżej skrajnie wysokiej temperatury złamanie symetrii elektrosłabej powoduje, że oddziaływanie elektrosłabe objawia się częściowo jako siła słaba o krótkim zasięgu , przenoszona przez masywne bozony cechowania . Uważa się, że w historii wszechświata łamanie symetrii elektrosłabej miało miejsce około 1 pikosekundy (10-12 ^s ) po Wielkim Wybuchu , 159,5 ± 1,5 GeV/ kB _kiedy temperatura wszechświata wynosiła . To złamanie symetrii jest wymagane do atomów i innych struktur, a także do reakcji jądrowych w gwiazdach, takich jak Słońce . Za to złamanie symetrii odpowiada pole Higgsa.

Akwizycja masy cząstek

Pole Higgsa ma kluczowe znaczenie w generowaniu mas kwarków i naładowanych leptonów (poprzez sprzężenie Yukawy) oraz bozonów cechowania W i Z (poprzez mechanizm Higgsa).

Warto zauważyć, że pole Higgsa nie „tworzy” masy z niczego (co naruszałoby zasadę zachowania energii ), ani pole Higgsa nie odpowiada za masę wszystkich cząstek. Na przykład około 99% masy barionów ( cząstek złożonych , takich jak proton i neutron ) pochodzi z kwantowej chromodynamicznej energii wiązania , która jest sumą energii kinetycznych kwarków i energii cząstek bezmasowych gluony pośredniczące w oddziaływaniach silnych wewnątrz barionów. W teoriach opartych na Higgsie właściwość „masy” jest przejawem energii potencjalnej przekazywanej cząstkom elementarnym, gdy oddziałują („pary”) z polem Higgsa, które zawierało tę masę w postaci energii .

Pola skalarne i rozszerzenie Modelu Standardowego

Pole Higgsa jest jedynym polem skalarnym (spin 0), które można wykryć; wszystkie inne pola w Modelu Standardowym to fermiony o spinie bozony 1/2 . lub o spinie 1 Według Rolfa-Dietera Heuera , dyrektora generalnego CERN, kiedy odkryto bozon Higgsa, ten dowód na istnienie pola skalarnego jest prawie tak samo ważny jak rola Higgsa w określaniu masy innych cząstek. Sugeruje to, że inne hipotetyczne pola skalarne sugerowane przez inne teorie, od inflatonu do kwintesencji , również mogłyby istnieć.

Kosmologia

Inflaton

Przeprowadzono wiele badań naukowych nad możliwymi powiązaniami między polem Higgsa a inflatonem – hipotetycznym polem sugerowanym jako wyjaśnienie rozszerzania się przestrzeni w ciągu pierwszej ułamka sekundy Wszechświata (znanej jako „ epoka inflacyjna ”). Niektóre teorie sugerują, że za to zjawisko może odpowiadać fundamentalne pole skalarne; pole Higgsa jest takim polem, a jego istnienie doprowadziło do powstania artykułów analizujących, czy może to być również odpowiedzialny za to inflaton wykładnicza ekspansja wszechświata podczas Wielkiego Wybuchu . Takie teorie są bardzo niepewne i napotykają poważne problemy związane z jednolitością , ale mogą być wykonalne w połączeniu z dodatkowymi cechami, takimi jak duże nieminimalne sprzężenie, skalar Bransa-Dicke'a lub inna „nowa” fizyka, i otrzymały leczenie sugerujące, że Modele inflacji Higgsa są nadal interesujące teoretycznie.

Natura wszechświata i jego możliwe losy

Diagram przedstawiający masy bozonu Higgsa i kwarków górnych , które mogą wskazywać, czy nasz Wszechświat jest stabilny, czy też jest długowieczną „bańką” . Od 2012 r. Elipsa 2

σ

oparta na danych Tevatron i LHC nadal pozwala na obie możliwości.

W Modelu Standardowym istnieje możliwość, że podstawowy stan naszego wszechświata – znany jako „próżnia” – jest długotrwały, ale nie do końca stabilny . W tym scenariuszu wszechświat, jaki znamy, mógłby zostać skutecznie zniszczony przez zapadnięcie się w bardziej stabilny stan próżni . Czasami było to błędnie zgłaszane jako bozon Higgsa „kończący” wszechświat. Jeśli masy bozonu Higgsa i kwarku górnego są znane dokładniej, a Model Standardowy zapewnia dokładny opis fizyki cząstek elementarnych aż do ekstremalnych energii w skali Plancka , to można obliczyć, czy próżnia jest stabilna, czy tylko długotrwała. Masa Higgsa rzędu 125-127 GeV/ c ² wydaje się być bardzo bliska granicy stabilności, ale ostateczna odpowiedź wymaga znacznie dokładniejszych pomiarów masy biegunowej kwarka górnego. Nowa fizyka może zmienić ten obraz.

Jeśli pomiary bozonu Higgsa sugerują, że nasz wszechświat leży w tego rodzaju fałszywej próżni , oznaczałoby to – bardziej niż prawdopodobne za wiele miliardów lat – że siły, cząstki i struktury wszechświata mogą przestać istnieć w takiej formie, w jakiej je znamy (i być zastąpione przez inne), gdyby prawdziwa próżnia zarodkowała . Sugeruje to również, że samosprzęganie Higgsa $λ$ i jego $β$ _$λ$ funkcja może być bardzo bliska zeru w skali Plancka, z „intrygującymi” implikacjami, w tym teoriami grawitacji i inflacją Higgsa. Przyszły zderzacz elektronów i pozytonów byłby w stanie zapewnić precyzyjne pomiary górnego kwarku potrzebne do takich obliczeń.

Energia próżni i stała kosmologiczna

Bardziej spekulatywnie, pole Higgsa zostało również zaproponowane jako energia próżni , która przy ekstremalnych energiach pierwszych chwil Wielkiego Wybuchu spowodowała, że wszechświat był rodzajem pozbawionej cech symetrii niezróżnicowanej, niezwykle wysokiej energii. W tego rodzaju spekulacjach pojedyncze zunifikowane pole teorii wielkiej unifikacji jest identyfikowane jako pole Higgsa (lub wzorowane na nim) i to poprzez kolejne łamania symetrii pola Higgsa lub innego podobnego pola w przejściach fazowych obecnie powstają znane siły i pola wszechświata.

Związek (jeśli istnieje) między polem Higgsa a obecnie obserwowaną gęstością energii próżni we Wszechświecie również został poddany badaniom naukowym. Jak zaobserwowano, obecna gęstość energii próżni jest bardzo bliska zeru, ale gęstości energii przewidywane na podstawie pola Higgsa, supersymetrii i innych teorii prądu są zazwyczaj o wiele rzędów wielkości większe. Nie jest jasne, jak należy to pogodzić. Ten stałej kosmologicznej pozostaje głównym problemem bez odpowiedzi w fizyce.

Historia

teoretyzowanie

Sześciu autorów prac PRL-u z 1964 roku , którzy w 2010 roku otrzymali za swoją pracę Nagrodę im. JJ Sakurai ; od lewej do prawej: Kibble , Guralnik , Hagen , Englert , Brout ; prawy obraz: Higgs .

Fizycy cząstek elementarnych badają materię złożoną z cząstek elementarnych , w których interakcjach pośredniczą cząstki wymienne – bozony cechowania – działające jako nośniki siły . Na początku lat sześćdziesiątych odkryto lub zaproponowano wiele takich cząstek, wraz z teoriami sugerującymi, w jaki sposób odnoszą się one do siebie, z których niektóre zostały już przeformułowane jako teorie pola, w których przedmiotem badań nie są cząstki i siły , ale pola kwantowe i ich symetrie . Jednak próby stworzenia kwantowych modeli pola dla dwóch z czterech znanych oddziaływań podstawowych – elektromagnetycznego i słabego oddziaływania jądrowego – a następnie ujednolicenia tych oddziaływań , wciąż kończyły się niepowodzeniem.

Jednym ze znanych problemów było to, że podejścia niezmienne z cechowaniem, w tym modele nieabelowe , takie jak teoria Yanga-Millsa (1954), która była bardzo obiecująca dla zunifikowanych teorii, również wydawały się przewidywać, że znane masywne cząstki są bezmasowe. Twierdzenie Goldstone'a , odnoszące się do ciągłych symetrii w niektórych teoriach, również wydawało się wykluczać wiele oczywistych rozwiązań, ponieważ wydawało się, że pokazuje, że cząstki o zerowej masie, znane jako bozony Goldstone'a , również musiałyby istnieć, których po prostu „nie widać”. Według Guralnika fizycy „nie rozumieli”, w jaki sposób można przezwyciężyć te problemy.

Laureat Nagrody Nobla Peter Higgs w Sztokholmie, grudzień 2013 r

Fizyk cząstek elementarnych i matematyk Peter Woit podsumował ówczesny stan badań:

Prace Yanga i Millsa nad nieabelową teorią cechowania miały jeden ogromny problem: w teorii zaburzeń ma ona bezmasowe cząstki, które nie odpowiadają niczemu, co widzimy. Jednym ze sposobów pozbycia się tego problemu jest obecnie dość dobrze poznany fenomen uwięzienia zrealizowany w QCD , gdzie oddziaływania silne pozbywają się bezmasowych stanów "gluonowych" na duże odległości. Już na początku lat sześćdziesiątych ludzie zaczęli rozumieć inne źródło bezmasowych cząstek: spontaniczne łamanie symetrii ciągłej symetrii. Co Philip Anderson zdaliśmy sobie sprawę i opracowaliśmy latem 1962 roku było to, że kiedy mamy zarówno symetrię cechowania , jak i spontaniczne łamanie symetrii, bezmasowy mod Nambu-Goldstone'a [który daje początek bozonom Goldstone'a] może łączyć się z bezmasowymi modami pola cechowania [które dają początek bezmasowe bozony cechowania] do wytworzenia fizycznego masywnego pola wektorowego [bozony cechowania z masą]. Tak właśnie dzieje się w nadprzewodnictwie , temacie, w którym Anderson był (i jest) jednym z czołowych ekspertów. [tekst skondensowany]

Mechanizm Higgsa to proces, w którym bozony wektorowe mogą uzyskiwać masę spoczynkową bez jawnego łamania niezmienności cechowania , jako produkt uboczny spontanicznego łamania symetrii . Początkowo matematyczna teoria stojąca za spontanicznym łamaniem symetrii została wymyślona i opublikowana w fizyce cząstek elementarnych przez Yoichiro Nambu w 1960 r . w 1938 r.), a koncepcja, że taki mechanizm mógłby zaoferować możliwe rozwiązanie „problemu masy”, została pierwotnie zasugerowana w 1962 r. przez Philipa Andersona, który wcześniej napisał artykuły na temat złamanej symetrii i jej wyników w nadprzewodnictwie. Anderson podsumował w swoim artykule z 1963 r. Na temat teorii Yanga-Millsa, że „biorąc pod uwagę nadprzewodzący analog… [t] te dwa rodzaje bozonów wydają się zdolne do wzajemnego znoszenia się… pozostawiając bozony o skończonej masie”), aw marcu 1964, Abraham Klein i Benjamin Lee wykazał, że twierdzenia Goldstone'a można uniknąć w ten sposób przynajmniej w niektórych przypadkach nierelatywistycznych, i spekulował, że może to być możliwe w przypadkach prawdziwie relatywistycznych.

Podejścia te zostały szybko rozwinięte w pełny model relatywistyczny , niezależnie i prawie jednocześnie, przez trzy grupy fizyków: przez François Englert i Roberta Brouta w sierpniu 1964 r.; przez Petera Higgsa w październiku 1964; oraz przez Geralda Guralnika , Carla Hagena i Toma Kibble'a (GHK) w listopadzie 1964 r. Higgs napisał także krótką, ale ważną odpowiedź opublikowaną we wrześniu 1964 r. na sprzeciw Gilberta , co pokazało, że w przypadku obliczeń w ramach miernika promieniowania twierdzenie Goldstone'a i zarzut Gilberta stałyby się nie do zastosowania. Higgs opisał później sprzeciw Gilberta jako zachętę do napisania własnego artykułu. Właściwości modelu były dalej rozważane przez Guralnika w 1965 r., Higgsa w 1966 r., Kibble'a w 1967 r., a następnie przez GHK w 1967 r. Oryginalne trzy artykuły z 1964 r. wykazały, że kiedy teoria cechowania jest połączona z dodatkowym naładowanym polem skalarnym, które spontanicznie łamie symetrię, bozony cechowania mogą konsekwentnie uzyskiwać skończoną masę. W 1967 roku Steven Weinberg i Abdus Salam niezależnie pokazał, jak można wykorzystać mechanizm Higgsa do złamania elektrosłabej symetrii zunifikowanego modelu Sheldona Glashowa dla oddziaływań słabych i elektromagnetycznych (sam w sobie rozszerzenie pracy Schwingera ), tworząc model standardowy fizyki cząstek elementarnych. Weinberg jako pierwszy zauważył, że zapewniłoby to również warunki masowe dla fermionów.

Początkowo te przełomowe artykuły na temat spontanicznego łamania symetrii cechowania były w dużej mierze ignorowane, ponieważ powszechnie uważano, że omawiane teorie (nieabelowe cechowania) są ślepą uliczką, aw szczególności, że nie można ich ponownie znormalizować . W latach 1971–72 Martinus Veltman i Gerard 't Hooft udowodnili, że renormalizacja Yanga-Millsa jest możliwa w dwóch artykułach obejmujących pola bezmasowe, a następnie masywne. Ich wkład i praca innych osób w grupie renormalizacji - w tym „istotna” praca teoretyczna rosyjskich fizyków Ludvig Faddeev , Andrei Slavnov , Efim Fradkin i Igor Tyutin - ostatecznie był „niezwykle głęboki i wpływowy”, ale nawet po opublikowaniu wszystkich kluczowych elementów ostatecznej teorii nadal nie było prawie żadnego szerszego zainteresowania. Na przykład Coleman stwierdził w badaniu, że „w zasadzie nikt nie zwracał uwagi” na artykuł Weinberga przed 1971 r., Omówiony przez Davida Politzera w przemówieniu Nobla z 2004 r. – obecnie najczęściej cytowany w fizyce cząstek elementarnych – i nawet w 1970 roku, według Politzera, nauczanie Glashow o oddziaływaniach słabych nie zawierało żadnej wzmianki o własnej pracy Weinberga, Salama czy Glashow. Politzer twierdzi, że w praktyce prawie wszyscy poznali tę teorię dzięki fizykowi Benjaminowi Lee , który połączył prace Veltmana i 't Hoofta z spostrzeżeniami innych osób i spopularyzował ukończoną teorię. W ten sposób od 1971 roku „eksplodowało” zainteresowanie i akceptacja, a idee szybko zostały wchłonięte przez główny nurt.

Powstała teoria elektrosłabości i model standardowy dokładnie przewidziały (między innymi) słabe prądy neutralne , trzy bozony , kwarki górne i powabne , a także z dużą precyzją masę i inne właściwości niektórych z nich. Wielu zaangażowanych w to ostatecznie zdobyło Nagrody Nobla lub inne renomowane nagrody. Artykuł z 1974 roku i obszerny przegląd w Review of Modern Physics skomentował, że „chociaż nikt nie wątpił w [matematyczną] poprawność tych argumentów, nikt do końca nie wierzył, że natura była wystarczająco sprytna, by je wykorzystać”, dodając, że teoria jak dotąd dała dokładne odpowiedzi, które były zgodne z eksperymentem, ale to nie było wiadomo, czy teoria jest zasadniczo poprawna. W 1986 i ponownie w latach 90. stało się możliwe napisanie, że zrozumienie i udowodnienie sektora Higgsa w Modelu Standardowym było „głównym problemem dzisiejszej fizyki cząstek elementarnych”.

Podsumowanie i wpływ pism PRL

Każdy z trzech artykułów napisanych w 1964 roku został uznany za kamień milowy podczas obchodów 50-lecia Physical Review Letters . Ich sześciu autorów otrzymało również JJ Sakurai Prize for Theoretical Particle Physics 2010 . (W tym samym roku pojawiła się również kontrowersja, ponieważ w przypadku Nagrody Nobla można było uznać tylko trzech naukowców, z czego sześciu przypisywano prace). Dwie z trzech prac PRL (Higgsa i GHK) zawierały równania dla hipotetycznego pola które ostatecznie stałoby się znane jako pole Higgsa i jego hipotetyczny kwant , bozon Higgsa. Kolejny artykuł Higgsa z 1966 roku pokazał mechanizm rozpadu bozonu; tylko masywny bozon może ulec rozpadowi, a rozpady mogą udowodnić mechanizm. ^{[ potrzebne źródło ]}

W artykule Higgsa bozon jest masywny, aw zdaniu końcowym Higgs pisze, że „istotną cechą” teorii „jest przewidywanie niepełnych multipletów skalarnych i wektorowych bozonów ”. ( Frank Close komentuje, że teoretycy cechowania z lat 60. koncentrowali się na problemie bezmasowych bozonów wektorowych i implikowanym istnieniu masywnego skalarnego bozon nie był postrzegany jako ważny; tylko Higgs odniósł się do tego bezpośrednio.) W artykule GHK bozon jest bezmasowy i oddzielony od stanów masywnych. W recenzjach z 2009 i 2011 roku Guralnik stwierdza, że w modelu GHK bozon jest bezmasowy tylko w przybliżeniu najniższego rzędu, ale nie podlega żadnym ograniczeniom i nabiera masy przy wyższych rzędach i dodaje, że papier GHK był jedynym jeden, aby pokazać, że nie ma bezmasowych bozonów Goldstone'a w modelu i dać pełną analizę ogólnego mechanizmu Higgsa. Wszyscy trzej doszli do podobnych wniosków, pomimo bardzo różnych podejść: artykuł Higgsa zasadniczo wykorzystywał klasyczne techniki, Englert i Brout polegali na obliczaniu polaryzacji próżni w teorii zaburzeń wokół założonego stanu próżni łamiącego symetrię, a GHK wykorzystał formalizm operatora i prawa zachowania do zbadania w szczegółowo, w jaki sposób można obejść twierdzenie Goldstone'a. Niektóre wersje teorii przewidywały więcej niż jeden rodzaj pól i bozonów Higgsa oraz alternatywne modele „bez Higgsa” rozważano aż do odkrycia bozonu Higgsa.

Wyszukiwanie eksperymentalne

Aby wytworzyć bozony Higgsa , dwie wiązki cząstek są przyspieszane do bardzo wysokich energii i zderzają się w detektorze cząstek . Od czasu do czasu, choć rzadko, bozon Higgsa będzie tworzony przelotnie jako część produktów ubocznych zderzenia. Ponieważ bozon Higgsa rozpada się bardzo szybko, detektory cząstek nie mogą go wykryć bezpośrednio. Zamiast tego detektory rejestrują wszystkie produkty rozpadu ( sygnaturę rozpadu ) iz danych rekonstruowany jest proces rozpadu. Jeśli obserwowane produkty rozpadu pasują do możliwego procesu rozpadu (znanego jako kanał rozpadu ) bozonu Higgsa, oznacza to, że bozon Higgsa mógł zostać stworzony. W praktyce wiele procesów może dawać podobne sygnatury rozpadu. Na szczęście Model Standardowy dokładnie przewiduje prawdopodobieństwo wystąpienia każdego z nich i każdego znanego procesu. Tak więc, jeśli detektor wykryje więcej sygnatur rozpadu konsekwentnie pasujących do bozonu Higgsa, niż można by się spodziewać, gdyby bozon Higgsa nie istniał, byłby to mocny dowód na istnienie bozonu Higgsa.

Ponieważ produkcja bozonu Higgsa w zderzeniach cząstek jest prawdopodobnie bardzo rzadka (1 na 10 miliardów w LHC), a wiele innych możliwych zderzeń może mieć podobne sygnatury rozpadu, dane dotyczące setek bilionów zderzeń muszą zostać przeanalizowane i muszą „pokaż ten sam obraz”, zanim można dojść do wniosku o istnieniu bozonu Higgsa. Aby stwierdzić, że odkryto nową cząstkę, fizycy cząstek elementarnych wymagają przeprowadzenia analizy statystycznej z dwóch niezależnych detektorów cząstek każdy wskazuje, że prawdopodobieństwo, że obserwowane sygnatury rozpadu są mniejsze niż jeden na milion, jest spowodowane jedynie losowymi zdarzeniami w tle w Modelu Standardowym – tj. że obserwowana liczba zdarzeń jest większa niż pięć odchyleń standardowych (sigma) różni się od oczekiwanej, gdyby nie było nowej cząstki. Więcej danych o kolizjach pozwala lepiej potwierdzić właściwości fizyczne każdej nowej obserwowanej cząstki i pozwala fizykom zdecydować, czy rzeczywiście jest to bozon Higgsa opisany w Modelu Standardowym, czy też jakaś inna hipotetyczna nowa cząstka.

potrzebny był potężny akcelerator cząstek , ponieważ bozony Higgsa mogą nie być widoczne w eksperymentach z niższymi energiami. Zderzacz musiał mieć wysoką jasność , aby zapewnić wystarczającą liczbę kolizji do wyciągnięcia wniosków. Wreszcie, potrzebne były zaawansowane urządzenia obliczeniowe do przetwarzania ogromnej ilości danych (25 petabajtów rocznie od 2012 r.) Powstających w wyniku kolizji. Dla zapowiedzi z dnia 4 lipca 2012 r. CERN skonstruowano nowy zderzacz znany jako Wielki Zderzacz Hadronów z planowaną ewentualną energią zderzenia 14 TeV - ponad siedem razy więcej niż jakikolwiek poprzedni zderzacz - i ponad 300 bilionów (3 × 10 ⁺¹⁴ ) zderzeń proton-proton LHC zostało przeanalizowanych przez LHC Computing Grid , największą na świecie sieć obliczeniową (stan na 2012 r.), obejmującą ponad 170 obiektów obliczeniowych w ogólnoświatową sieć w 36 krajach.

Wyszukaj przed 4 lipca 2012 r

Pierwsze szeroko zakrojone poszukiwania bozonu Higgsa przeprowadzono w Wielkim Zderzaczu Elektron-Pozyton (LEP) w CERN w latach 90. XX wieku. Pod koniec swojej służby w 2000 roku LEP nie znalazł żadnych rozstrzygających dowodów na Higgsa. Oznaczało to, że gdyby bozon Higgsa miał istnieć, musiałby być cięższy niż 114,4 GeV/ c ² .

Poszukiwania kontynuowano w Fermilab w Stanach Zjednoczonych, gdzie Tevatron – zderzacz, który odkrył kwark górny w 1995 roku – został zmodernizowany do tego celu. Nie było gwarancji, że Tevatron będzie w stanie znaleźć Higgsa, ale był to jedyny superzderzacz, który działał od czasu, gdy Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) był wciąż w budowie, a planowany Superprzewodzący Zderzacz Superprzewodzący został odwołany w 1993 roku i nigdy nie został ukończony. Tevatron był w stanie wykluczyć tylko dalsze zakresy masy Higgsa i został zamknięty 30 września 2011 r., Ponieważ nie mógł już nadążać za LHC. Ostateczna analiza danych wykluczyła możliwość istnienia bozonu Higgsa o masie pomiędzy 147 GeV/ c ² a 180 GeV/ c ² . Ponadto wystąpił niewielki (ale nie znaczący) nadmiar zdarzeń, który prawdopodobnie wskazywałby na obecność bozonu Higgsa o masie między 115 GeV/ c ² a 140 GeV/ c ² .

Wielki Zderzacz Hadronów w CERN w Szwajcarii został zaprojektowany specjalnie w celu potwierdzenia lub wykluczenia istnienia bozonu Higgsa. Zbudowany w 27-kilometrowym tunelu pod ziemią w pobliżu Genewy , pierwotnie zamieszkiwanym przez LEP, został zaprojektowany do zderzenia dwóch wiązek protonów, początkowo przy energiach 3,5 TeV na wiązkę (łącznie 7 TeV), czyli prawie 3,6 razy większej niż Tevatron, oraz z możliwością rozbudowy do 2 × 7 TeV (łącznie 14 TeV) w przyszłości. Teoria sugerowała, że gdyby istniał bozon Higgsa, zderzenia na tych poziomach energii powinny być w stanie go ujawnić. Jako jeden z najbardziej skomplikowanych instrumentów naukowych, jakie kiedykolwiek zbudowano, jego gotowość operacyjna została opóźniona o 14 miesięcy z powodu zdarzenia hartowania magnesu dziewięć dni po testach inauguracyjnych, spowodowanego wadliwym połączeniem elektrycznym, które uszkodziło ponad 50 magnesów nadprzewodzących i zanieczyściło system próżniowy.

Zbieranie danych w LHC ostatecznie rozpoczęło się w marcu 2010 r. Do grudnia 2011 r. dwa główne detektory cząstek w LHC, ATLAS i CMS , zawęziły zakres mas, w którym Higgs mógł istnieć, do około 116–130 GeV/ c ² (ATLAS). i ^115-127 GeV/ c2 (CMS). Było też już wiele obiecujących ekscesów wydarzeń, które „wyparowały” i okazały się niczym innym jak przypadkowymi fluktuacjami. Jednak od około maja 2011 r. wyniki obu eksperymentów obejmowały powolne pojawianie się niewielkiego, ale stałego nadmiaru sygnatur rozpadu gamma i 4-leptonów oraz kilku innych rozpadów cząstek, a wszystko to wskazywało na nową cząstkę o masie około 125 GeV / c ² . Około listopada 2011 r. anomalne dane przy 125 GeV/ c ² stawał się „zbyt duży, by go zignorować” (chociaż wciąż daleki od rozstrzygającego), a liderzy zespołów zarówno w ATLAS, jak i CMS prywatnie podejrzewali, że mogli znaleźć Higgsa. W dniu 28 listopada 2011 r. Na wewnętrznym spotkaniu dwóch liderów zespołów i dyrektora generalnego CERN po raz pierwszy omówiono najnowsze analizy poza ich zespołami, co sugeruje, że zarówno ATLAS, jak i CMS mogą zbiegać się w możliwym wspólnym wyniku przy 125 GeV / c ² , aw przypadku pomyślnego znaleziska rozpoczęto wstępne przygotowania. Chociaż informacja ta nie była wówczas znana publicznie, zawężenie możliwego zakresu Higgsa do około upubliczniono _ _ _ ^_ _ wiedza z „wielkim zainteresowaniem”. W związku z tym powszechnie oczekiwano pod koniec 2011 r., że LHC dostarczy wystarczających danych, aby wykluczyć lub potwierdzić odkrycie bozonu Higgsa do końca 2012 r., kiedy ich dane dotyczące kolizji z 2012 r. (przy nieco wyższej energii zderzenia 8 TeV) miały został zbadany.

Odkrycie kandydującego bozonu w CERN


Diagramy Feynmana przedstawiające najczystsze kanały związane z kandydatem na bozon Higgsa o małej masie (~ 125 GeV/ c ^{2 ) obserwowanym przez} ATLAS i CMS w LHC . Dominujący mechanizm produkcji przy tej masie polega na fuzji dwóch gluonów z każdego protonu w pętlę kwarku górnego , która silnie łączy się z polem Higgsa, tworząc bozon Higgsa. Po lewej: kanał difotonowy: bozon następnie rozpada się na dwa fotony promieniowania gamma poprzez wirtualną interakcję z pętlą bozonu W lub pętlą górnego kwarku. Po prawej: Czteroleptonowy „złoty kanał”: bozon emituje dwa bozony Z , z których każdy rozpada się na dwa leptony (elektrony, miony). Eksperymentalna analiza tych kanałów osiągnęła istotność ponad pięciu odchyleń standardowych (sigma) w obu eksperymentach.

W dniu 22 czerwca 2012 r. CERN ogłosił zbliżające się seminarium obejmujące wstępne ustalenia na 2012 r., a wkrótce potem (od około 1 lipca 2012 r. według analizy plotek rozpowszechniających się w mediach społecznościowych ) w mediach zaczęły pojawiać się pogłoski, że będzie to zawierało ważne ogłoszenie , ale nie było jasne, czy byłby to silniejszy sygnał, czy formalne odkrycie. Spekulacje urosły do „gorączki”, gdy pojawiły się doniesienia, że Peter Higgs , który zaproponował cząstkę, miał uczestniczyć w seminarium i że „pięciu czołowych fizyków” zostało zaproszonych – powszechnie uważa się, że oznacza to pięciu żyjących autorów z 1964 r. – z Higgsem, Englertem, Guralnikiem, Hagenem, a Kibble potwierdził zaproszenie zmarł w 2011 r.).

4 lipca 2012 oba eksperymenty CERN ogłosiły, że niezależnie dokonały tego samego odkrycia: CMS nieznanego wcześniej bozonu o masie 125,3 ± 0,6 GeV/ c ² oraz ATLAS bozonu o masie 126,0 ± 0,6 GeV/ c ² . Korzystając z połączonej analizy dwóch typów interakcji (znanych jako „kanały”), oba eksperymenty niezależnie osiągnęły lokalną istotność 5 sigma – co sugeruje, że prawdopodobieństwo uzyskania co najmniej tak silnego wyniku przez przypadek jest mniejsze niż jeden na trzy miliony. Po uwzględnieniu dodatkowych kanałów istotność CMS została zredukowana do 4,9 sigma.

Oba zespoły pracowały „w ślepocie” od około końca 2011 lub początku 2012 roku, co oznacza, że nie omawiały ze sobą swoich wyników, dając dodatkową pewność, że każde wspólne odkrycie było autentyczną walidacją cząstki. Ten poziom dowodów, potwierdzony niezależnie przez dwa oddzielne zespoły i eksperymenty, spełnia formalny poziom dowodu wymagany do ogłoszenia potwierdzonego odkrycia.

W dniu 31 lipca 2012 r. w ramach współpracy ATLAS przedstawiono dodatkową analizę danych dotyczących „obserwacji nowej cząstki”, w tym danych z trzeciego kanału, co poprawiło istotność do 5,9 sigma (1 na 588 milionów szans na uzyskanie co najmniej równie mocnych dowodów przez losowe efekty tła) i masę 126,0 ± 0,4 (stat) ± 0,4 (sys) GeV/ , ^125,3 c2 a CMS poprawił istotność do 5 sigma i masę ± 0,4 (stat) ± 0,5 (sys) GeV/ c2 ^.

Nowa cząstka przetestowana jako możliwy bozon Higgsa

Po odkryciu w 2012 r. wciąż nie potwierdzono, czy cząstka 125 GeV/ c ² jest bozonem Higgsa. Z jednej strony obserwacje pozostały zgodne z tym, że obserwowana cząstka była bozonem Higgsa Modelu Standardowego, a cząstka rozpadła się przynajmniej do niektórych z przewidywanych kanałów. Co więcej, tempo produkcji i współczynniki rozgałęzień dla obserwowanych kanałów zasadniczo odpowiadały przewidywaniom Modelu Standardowego w ramach niepewności eksperymentalnych. Jednak obecne niepewności eksperymentalne nadal pozostawiają miejsce na alternatywne wyjaśnienia, co oznacza, że ogłoszenie odkrycia bozonu Higgsa byłoby przedwczesne. Aby zapewnić więcej możliwości gromadzenia danych, proponowane zamknięcie LHC w 2012 r. I modernizacja w latach 2013–2014 zostały przełożone o siedem tygodni do 2013 r.

W listopadzie 2012 r. Na konferencji w Kioto naukowcy stwierdzili, że dowody zbierane od lipca są bardziej zgodne z podstawowym Modelem Standardowym niż z jego alternatywami, z zakresem wyników dla kilku interakcji zgodnych z przewidywaniami tej teorii. Fizyk Matt Strassler zwrócił uwagę na „znaczące” dowody na to, że nowa cząstka nie jest pseudoskalarną cząstką o ujemnej parzystości (zgodnie z tym wymaganym stwierdzeniem dla bozonu Higgsa), „odparowanie” lub brak zwiększonego znaczenia dla wcześniejszych wskazówek dotyczących wyników niestandardowych modeli, oczekiwanych Oddziaływania Modelu Standardowego z bozonami W i Z , brak „znaczących nowych implikacji” za lub przeciw supersymetrii i ogólnie brak dotychczasowych znaczących odchyleń od wyników oczekiwanych dla bozonu Higgsa Modelu Standardowego. Jednak niektóre rodzaje rozszerzeń Modelu Standardowego również dawałyby bardzo podobne wyniki; więc komentatorzy zauważyli, że w oparciu o inne cząstki, które wciąż są rozumiane długo po ich odkryciu, uzyskanie pewności może zająć lata, a pełne zrozumienie znalezionej cząstki może zająć dziesięciolecia.

Odkrycia te oznaczały, że od stycznia 2013 r. naukowcy byli pewni, że znaleźli nieznaną cząstkę o masie ~ 125 GeV/ c ² i nie został wprowadzony w błąd przez błąd eksperymentalny lub przypadkowy wynik. Byli również pewni, na podstawie wstępnych obserwacji, że nowa cząstka była jakimś rodzajem bozonu. Zachowania i właściwości cząstki, badane od lipca 2012 r., również wydawały się dość zbliżone do zachowań oczekiwanych od bozonu Higgsa. Mimo to nadal mógł to być bozon Higgsa lub inny nieznany bozon, ponieważ przyszłe testy mogą wykazać zachowania, które nie pasują do bozonu Higgsa, więc od grudnia 2012 r. CERN nadal stwierdzał tylko, że nowa cząstka była „zgodna z” bozon Higgsa, a naukowcy jeszcze nie stwierdzili jednoznacznie, że był to bozon Higgsa. Mimo to pod koniec 2012 roku szeroko rozpowszechnione doniesienia medialne ogłosiły (niesłusznie), że w ciągu roku potwierdzono istnienie bozonu Higgsa.

W styczniu 2013 r. dyrektor generalny CERN Rolf-Dieter Heuer stwierdził, że na podstawie dotychczasowej analizy danych odpowiedź może być możliwa „w połowie” 2013 r., a wiceprzewodniczący wydziału fizyki w Brookhaven National Laboratory stwierdził w lutym 2013 r., że „ ostateczna” odpowiedź może wymagać „kolejnych kilku lat” po ponownym uruchomieniu zderzacza w 2015 roku . Na początku marca 2013 r. Dyrektor ds. Badań CERN, Sergio Bertolucci, stwierdził, że potwierdzenie spinu-0 jest głównym pozostałym wymogiem do ustalenia, czy cząstka jest przynajmniej jakimś rodzajem bozonu Higgsa.

Potwierdzenie istnienia i aktualnego stanu

W dniu 14 marca 2013 r. CERN potwierdził, co następuje:

CMS i ATLAS porównały szereg opcji dotyczących parzystości spinów tej cząstki i wszystkie preferują brak spinu, a nawet parzystość [dwa podstawowe kryteria bozonu Higgsa zgodne z Modelem Standardowym]. To, w połączeniu ze zmierzonymi interakcjami nowej cząstki z innymi cząstkami, zdecydowanie wskazuje, że jest to bozon Higgsa.

To również czyni cząstkę pierwszą elementarną cząstką skalarną odkrytą w przyrodzie.

Poniżej przedstawiono przykłady testów stosowanych w celu potwierdzenia, że odkryta cząstka jest bozonem Higgsa:

Wymóg	Jak przetestowane / wyjaśnienie	Obecny stan (stan na lipiec 2017 r.)
Zerowe wirowanie	Badanie wzorców rozpadu. Spin-1 został wykluczony w momencie pierwszego odkrycia przez obserwowany rozpad na dwa fotony (γ γ), pozostawiając spin-0 i spin-2 jako pozostałych kandydatów.	Spin-0 potwierdzony. Hipoteza spin-2 jest wykluczona przy poziomie ufności przekraczającym 99,9%.
Parzystość (dodatnia) parzystości	Badanie kątów, pod którymi rozpadają się produkty rozpadu. Ujemna parzystość była również odrzucana, jeśli potwierdzono spin-0.	Parzystość wstępnie potwierdzona. Hipoteza ujemnego parzystości spin-0 jest wykluczona przy poziomie ufności przekraczającym 99,9%.
Kanały rozpadu (wyniki rozpadu cząstek) są zgodne z przewidywaniami	Model Standardowy przewiduje wzorce rozpadu bozonu Higgsa 125 GeV/ c ^{2 .} Czy to wszystko jest widoczne i po odpowiednich stawkach? wśród możliwych wyników powinniśmy zaobserwować rozpady na pary fotonów (γ γ), bozony W i Z (WW i ZZ), kwarki dolne (bb) i leptony tau (τ τ) .	bb, γ γ, τ τ, WW i ZZ. Wszystkie obserwowane siły sygnału są zgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego.
Pary do masy (tj. siła oddziaływania z cząstkami Modelu Standardowego proporcjonalna do ich masy)	Fizyk cząstek elementarnych Adam Falkowski twierdzi, że podstawowe cechy bozonu Higgsa polegają na tym, że jest to cząstka o spinie 0 (skalarna), która również łączy się z masą (bozony W i Z); udowodnienie samego spin-0 jest niewystarczające.	Silnie udowodnione sprzężenia z masą („Przy 95% poziomie ufności c _V mieści się w granicach 15% standardowej wartości modelu c _V = 1”).
Wyższe wyniki energetyczne pozostają spójne	Po ponownym uruchomieniu LHC w 2015 r. przy wyższej energii 13 TeV , kontynuowano poszukiwania wielu cząstek Higgsa (zgodnie z przewidywaniami niektórych teorii) i testy ukierunkowane na inne wersje teorii cząstek. Te wyższe wyniki energii muszą nadal dawać wyniki zgodne z teoriami Higgsa.	Analiza zderzeń do lipca 2017 r. nie wykazuje odchyleń od Modelu Standardowego, z eksperymentalnymi precyzjami lepszymi niż wyniki przy niższych energiach.

Wyniki od 2013 r

Siła sprzężenia z bozonem Higgsa w (u góry) i stosunek do przewidywania modelu standardowego (u dołu) na podstawie danych dotyczących przekroju poprzecznego i współczynnika rozgałęzień. κ

} {m} _ {V }/{\rm {vev}}\quad (={\sqrt {{\kappa}_{V}{g}_{V}/2{\rm {vev}}}})}

mi / i

{\ Displaystyle {\ kappa} _ {F} {m} _ {V}/{\ rm {vev}}}

dla bozonów wektorowych V (= Z, W) i dla fermionów fa ( = t , b , τ ( μ nie potwierdzone jako 2022, ale istnieją dowody)) odpowiednio, gdzie

Displaystyle {

i oczekiwana próżni (

} _ {V/F}

}

.

bezwzględna siła sprzężenia

W lipcu 2017 CERN potwierdził, że wszystkie pomiary nadal zgadzają się z przewidywaniami Modelu Standardowego i nazwał odkrytą cząstkę po prostu „bozonem Higgsa”. Od 2019 roku Wielki Zderzacz Hadronów nadal dostarcza odkryć, które potwierdzają zrozumienie pola i cząstki Higgsa z 2013 roku.

Prace eksperymentalne LHC od ponownego uruchomienia w 2015 r. obejmowały sondowanie pola Higgsa i bozonu na wyższym poziomie szczegółowości oraz potwierdzanie, czy mniej powszechne przewidywania były prawidłowe. W szczególności eksploracja od 2015 roku dostarczyła mocnych dowodów na przewidywany bezpośredni rozpad na fermiony , takie jak pary kwarków dolnych (3,6 σ) - opisane jako „ważny kamień milowy” w zrozumieniu jego krótkiego życia i innych rzadkich rozpadów - a także potwierdzenie rozpadu w pary leptonów tau (5,9 σ). Zostało to opisane przez CERN jako „ogromne znaczenie dla ustalenia sprzężenia bozonu Higgsa z leptonami i stanowi ważny krok w kierunku pomiaru jego sprzężeń z fermionami trzeciej generacji, bardzo ciężkimi kopiami elektronów i kwarków, których rolą w przyrodzie jest głęboka tajemnica”. Opublikowane wyniki z 19 marca 2018 r. przy 13 TeV dla ATLAS i CMS miały pomiary masy Higgsa odpowiednio przy 124,98 ± 0,28 GeV/ c ² i 125,26 ± 0,21 GeV/ c ² .

W lipcu 2018 roku eksperymenty ATLAS i CMS zgłosiły obserwację rozpadu bozonu Higgsa na parę kwarków dolnych, co stanowi około 60% wszystkich jego rozpadów.

Zagadnienia teoretyczne

Teoretyczna potrzeba Higgsa

„ Zilustrowano łamanie symetrii ”: – Przy wysokich poziomach energii (po lewej) piłka osiada w środku, a wynik jest symetryczny. Przy niższych poziomach energii (po prawej) ogólne „zasady” pozostają symetryczne, ale pojawia się potencjał „meksykańskiego kapelusza”: „lokalna” symetria nieuchronnie zostaje złamana, ponieważ ostatecznie piłka musi losowo potoczyć się w jedną lub drugą stronę.

Niezmienność cechowania jest ważną właściwością nowoczesnych teorii cząstek, takich jak Model Standardowy , częściowo ze względu na jego sukces w innych obszarach fizyki podstawowej, takich jak elektromagnetyzm i oddziaływania silne ( chromodynamika kwantowa ). Jednak zanim Sheldon Glashow rozszerzył modele unifikacji elektrosłabej w 1961 r., Były duże trudności w opracowaniu teorii cechowania dla słabej siły jądrowej lub możliwego ujednoliconego oddziaływania elektrosłabego . Fermiony z terminem masowym naruszałoby symetrię cechowania i dlatego nie może być niezmiennikiem cechowania. W i Z _ _ _ obserwuje się, że bozony mają masę, ale termin masy bozonu zawiera wyrażenia, które wyraźnie zależą od wyboru cechowania, a zatem te masy również nie mogą być niezmienne z cechowania. Dlatego wydaje się, że żaden ze standardowych modeli fermionów ani bozony mogłyby „zaczynać się” od masy jako wbudowanej właściwości, z wyjątkiem rezygnacji z niezmienności cechowania. Jeśli niezmienność cechowania miała zostać zachowana, cząstki te musiały uzyskiwać swoją masę za pomocą innego mechanizmu lub interakcji.

Ponadto rozwiązania oparte na spontanicznym łamaniu symetrii wydawały się zawodzić, co wydawało się nieuniknionym skutkiem twierdzenia Goldstone'a . Ponieważ poruszanie się po „kołowej dolinie” płaszczyzny zespolonej odpowiedzialnej za spontaniczne łamanie symetrii nie wiąże się z potencjalnym kosztem energii, powstałe wzbudzenie kwantowe jest czystą energią kinetyczną, a zatem bezmasowym bozonem („bozonem Goldstone’a”), co z kolei implikuje nowy siła dalekiego zasięgu. Ale nie wykryto również żadnych nowych sił dalekiego zasięgu ani bezmasowych cząstek. Więc cokolwiek dawało tym cząstkom ich masę, nie mogło „łamać” niezmienniczości cechowania jako podstawy dla innych części teorii, w których dobrze się sprawdzało, i nie musiał wymagać ani przewidywać nieoczekiwanych bezmasowych cząstek lub sił dalekiego zasięgu, które w rzeczywistości nie istniały w naturze.

Rozwiązaniem wszystkich tych nakładających się problemów było odkrycie wcześniej niezauważonego przypadku granicznego ukrytego w matematyce twierdzenia Goldstone'a, że w pewnych warunkach teoretycznie możliwe byłoby złamanie symetrii bez zakłócania niezmienności cechowania i bez jakiejkolwiek nowej bezmasowej cząstek lub sił, i mając „rozsądne” ( renormalizowalne ) wyniki matematycznie. Stało się to znane jako mechanizm Higgsa .

Podsumowanie interakcji między niektórymi cząstkami opisanymi przez Model Standardowy

Model standardowy stawia hipotezę o polu odpowiedzialnym za ten efekt, zwanym polem Higgsa (symbol: $,$ które ma niezwykłą właściwość niezerowej amplitudy w stanie podstawowym ; tj. niezerowa wartość oczekiwana próżni . Może mieć taki efekt ze względu na swój niezwykły potencjał w kształcie „meksykańskiego kapelusza”, którego najniższy „punkt” nie znajduje się w jego „środku”. Mówiąc prościej, w przeciwieństwie do wszystkich innych znanych pól, pole Higgsa wymaga mniej wszędzie ma wartość niezerową . Poniżej pewnego ekstremalnie wysokiego poziomu energii istnienie tego niezerowego oczekiwania próżni samorzutnie załamuje symetrię cechowania elektrosłabego , co z kolei daje początek mechanizmowi Higgsa i wyzwala nabieranie masy przez cząstki oddziałujące z polem. Efekt ten występuje, ponieważ skalarne składowe pola Higgsa są „absorbowane” przez masywne bozony jako stopnie swobody i łączą się z fermionami poprzez Sprzęgło Yukawy , dając w ten sposób oczekiwane wyrazy masowe. Kiedy symetria pęka w tych warunkach, powstające bozony Goldstone'a oddziałują z polem Higgsa (i innymi cząstkami zdolnymi do interakcji z polem Higgsa), zamiast stać się nowymi bezmasowymi cząstkami. Nierozwiązywalne problemy obu podstawowych teorii „neutralizują” się nawzajem, a rezultatem końcowym jest to, że cząstki elementarne uzyskują stałą masę w oparciu o to, jak silnie oddziałują z polem Higgsa. Jest to najprostszy znany proces, który może nadać masę bozonom cechowania pozostając jednocześnie zgodnym z teoriami cechowania . Jego kwantem byłby bozon skalarny , znany jako bozon Higgsa.

Proste wyjaśnienie teorii, od jej początków w nadprzewodnictwie

Proponowany mechanizm Higgsa powstał w wyniku teorii zaproponowanych w celu wyjaśnienia obserwacji nadprzewodnictwa . Nadprzewodnik nie przepuszcza zewnętrznych pól magnetycznych ( efekt Meissnera ). Ta dziwna obserwacja sugeruje, że w jakiś sposób pole elektromagnetyczne ma krótki zasięg podczas tego zjawiska. W latach pięćdziesiątych XX wieku powstały skuteczne teorie wyjaśniające to zjawisko, najpierw dotyczące fermionów ( teoria Ginzburga-Landaua , 1950), a następnie bozonów ( teoria BCS , 1957).

W tych teoriach nadprzewodnictwo jest interpretowane jako powstające z naładowanego pola kondensatu . Początkowo wartość kondensatu nie ma żadnego preferowanego kierunku, co sugeruje, że jest skalarna, ale jego faza potrafi zdefiniować cechowanie w teoriach pola opartych na cechowaniu. W tym celu pole musi zostać naładowane. Naładowane pole skalarne musi być również złożone (lub opisane w inny sposób, zawiera co najmniej dwa składowe i symetrię zdolną do obracania się każdego z nich). W naiwnej teorii cechowania transformacja cechowania kondensatu zwykle obraca fazę. Ale w tych okolicznościach zamiast tego ustala preferowany wybór fazy. Okazuje się jednak, że ustalenie doboru miernika, aby kondensat miał wszędzie tę samą fazę, powoduje również, że pole elektromagnetyczne zyskuje dodatkowy składnik. Ten dodatkowy termin powoduje, że pole elektromagnetyczne staje się krótkiego zasięgu.

Kiedy zwrócono uwagę na tę teorię w fizyce cząstek elementarnych, podobieństwa stały się jasne. Zmiana pola elektromagnetycznego zwykle dalekiego zasięgu na pole elektromagnetyczne o krótkim zasięgu, w ramach teorii niezmiennika cechowania, była dokładnie pożądanym efektem dla bozonów oddziaływań słabych (ponieważ siła dalekiego zasięgu ma bezmasowe bozony cechowania, a siła o krótkim zasięgu implikuje masywną skrajnię bozonów, co sugeruje, że wynikiem tej interakcji jest to, że bozony cechowania pola nabrały masy lub podobnego i równoważnego efektu). Cechy pola wymaganego do tego były również dość dobrze zdefiniowane – musiałoby to być naładowane pole skalarne, z co najmniej dwoma składowymi i złożone, aby wspierać symetrię zdolną do obracania ich względem siebie.

Modele alternatywne

⁰⁰⁰ Opisany powyżej minimalny model standardowy jest najprostszym znanym modelem mechanizmu Higgsa z tylko jednym polem Higgsa. Jednak możliwy jest również rozszerzony sektor Higgsa z dodatkowymi dubletami lub trojaczkami cząstek Higgsa, a wiele rozszerzeń Modelu Standardowego ma tę cechę. Nieminimalny sektor Higgsa preferowany przez teorię to modele dwóch dubletów Higgsa (2HDM), które przewidują istnienie kwintetu cząstek skalarnych : dwóch CP-parzystych neutralnych bozonów Higgsa h i H , CP-nieparzysty neutralny bozon Higgsa A i dwie naładowane cząstki Higgsa H ^± . Supersymetria („SUSY”) przewiduje również relacje między masami bozonów Higgsa a masami bozonów cechowania i może pomieścić neutralny bozon Higgsa o energii 125 GeV/ c ^{2 .}

Kluczowa metoda rozróżniania tych różnych modeli obejmuje badanie interakcji cząstek („sprzęganie”) i dokładnych procesów rozpadu („stosunki rozgałęzień”), które można zmierzyć i przetestować eksperymentalnie w zderzeniach cząstek. W modelu 2HDM typu I jeden dublet Higgsa łączy się z kwarkami górnymi i dolnymi, podczas gdy drugi dublet nie łączy się z kwarkami. Ten model ma dwie interesujące granice, w których najlżejszy Higgs łączy się z samymi fermionami („ gaugefobiczny ”) lub po prostu bozony cechujące („fermiofobowe”), ale nie oba. W modelu 2HDM typu II jeden dublet Higgsa łączy się tylko z kwarkami typu górnego, a drugi tylko z kwarkami typu dolnego . Model standardowy (MSSM) obejmuje sektor 2HDM Higgsa typu II, więc można go obalić dowodami na istnienie 2HDM Higgsa typu I. ^{[ Potrzebne źródło ]}

W innych modelach skalar Higgsa jest cząstką złożoną. Na przykład w technikolorze rolę pola Higgsa odgrywają silnie związane pary fermionów zwane technikwarkami . Inne modele zawierają pary kwarków górnych (patrz kondensat kwarków górnych ). W jeszcze innych modelach w ogóle nie ma pola Higgsa, a symetria elektrosłaba jest łamana za pomocą dodatkowych wymiarów.

Dalsze zagadnienia teoretyczne i problem hierarchii

Diagram Feynmana z jedną pętlą poprawki pierwszego rzędu do masy Higgsa. W Modelu Standardowym skutki tych poprawek są potencjalnie ogromne, powodując powstanie tzw. problemu hierarchii .

Model standardowy pozostawia masę bozonu Higgsa jako parametr do zmierzenia, a nie wartość do obliczenia. Jest to postrzegane jako teoretycznie niezadowalające, zwłaszcza że poprawki kwantowe (związane z interakcjami z cząstkami wirtualnymi ) powinny najwyraźniej spowodować, że cząstka Higgsa będzie miała masę znacznie większą niż obserwowana, ale jednocześnie Model Standardowy wymaga masy rzędu 100 do 1000 GeV/ c2 ^zapewnienia w celu jednolitości (w tym przypadku w celu ujednolicenia wzdłużnego wektorowego rozpraszania bozonów). Wydaje się, że pogodzenie tych punktów wymaga wyjaśnienia, dlaczego istnieje prawie idealne anulowanie, którego wynikiem jest widoczna masa ~ 125 GeV/ c ² , i nie jest jasne, jak to zrobić. Ponieważ oddziaływanie słabe jest około 10 ³² razy silniejsze niż grawitacja, a (powiązana z tym) masa bozonu Higgsa jest o wiele mniejsza niż masa Plancka lub energia wielkiej unifikacji , wydaje się, że albo istnieje jakiś ukryty związek lub przyczyna tych obserwacji, która jest nieznana i nieopisana w Modelu Standardowym, albo jakieś niewyjaśnione i niezwykle precyzyjne dostrojenie parametrów – jednak obecnie żadne z tych wyjaśnień nie zostało udowodnione. Jest to znane jako problem hierarchii . Mówiąc szerzej, problem hierarchii sprowadza się do obaw, że przyszła teoria cząstek elementarnych i interakcji nie powinien mieć nadmiernego dostrojenia ani nadmiernie delikatnego anulowania i powinien umożliwiać obliczenie mas cząstek, takich jak bozon Higgsa. Problem jest w pewnym sensie unikalny dla cząstek o spinie 0 (takich jak bozon Higgsa), co może powodować problemy związane z poprawkami kwantowymi, które nie wpływają na cząstki ze spinem. Zaproponowano szereg rozwiązań , w tym supersymetrię , rozwiązania konforemne i rozwiązania wykorzystujące dodatkowe wymiary, takie jak modele braneworld .

Istnieją również kwestie trywialności kwantowej , co sugeruje, że stworzenie spójnej kwantowej teorii pola z udziałem elementarnych cząstek skalarnych może nie być możliwe. Jeśli jednak uniknie się trywialności kwantowej, ograniczenia trywialności mogą nałożyć ograniczenia na masę bozonu Higgsa.

Nieruchomości

Własności pola Higgsa

W Modelu Standardowym pole Higgsa jest skalarnym polem tachionicznym – skalarnym , co oznacza, że nie przekształca się pod wpływem transformacji Lorentza , a tachionowym , co oznacza, że pole (ale nie cząstka) ma wyimaginowaną masę iw pewnych konfiguracjach musi ulec złamaniu symetrii . Składa się z czterech składowych: dwóch neutralnych i dwóch naładowanych pól składowych . Oba naładowane składniki i jedno z pól neutralnych to bozony Goldstone'a , które działają jako podłużne składowe trzeciej polaryzacji masywnych bozonów W ⁺ , W ⁻ i Z . Kwant pozostałego neutralnego składnika odpowiada (i jest teoretycznie realizowany jako) masywnemu bozonowi Higgsa. Ten składnik może wchodzić w interakcje z fermionami poprzez sprzężenie Yukawa, aby nadać im również masę.

Matematycznie pole Higgsa ma wyimaginowaną masę i dlatego jest polem tachionowym . Podczas gdy tachiony ( cząstki poruszające się szybciej niż światło ) są koncepcją czysto hipotetyczną, pola o wyimaginowanej masie zaczęły odgrywać ważną rolę we współczesnej fizyce. Pod żadnym pozorem w takich teoriach wzbudzenia nie rozchodzą się szybciej od światła – obecność lub brak masy tachionowej nie ma żadnego wpływu na maksymalną prędkość sygnałów (nie narusza się zasady przyczynowości ). Zamiast cząstek szybszych od światła, wyimaginowana masa powoduje niestabilność: każda konfiguracja, w której jedno lub więcej wzbudzeń pola jest tachionowych, musi spontanicznie zanikać, a wynikowa konfiguracja nie zawiera fizycznych tachionów. Proces ten jest znany jako kondensacja tachionów i obecnie uważa się, że wyjaśnia on, w jaki sposób sam mechanizm Higgsa powstaje w przyrodzie, a tym samym przyczynę łamania symetrii elektrosłabej.

Chociaż pojęcie wyimaginowanej masy może wydawać się niepokojące, to tylko pole, a nie sama masa, jest kwantowane. Dlatego operatorzy pól w oddzielonych od siebie punktach nadal dojeżdżają (lub przeciwdziałają dojazdom) , a informacje i cząstki nadal nie rozchodzą się szybciej niż światło. Kondensacja tachionów napędza system fizyczny, który osiągnął lokalną granicę – i można by naiwnie oczekiwać, że wytworzy fizyczne tachiony – do alternatywnego stabilnego stanu, w którym nie istnieją żadne fizyczne tachiony. Gdy pole tachionowe, takie jak pole Higgsa, osiągnie minimum potencjału, jego kwanty nie są już tachionami, ale raczej zwykłymi cząstkami, takimi jak bozon Higgsa.

Własności bozonu Higgsa

Ponieważ pole Higgsa jest skalarne , bozon Higgsa nie ma spinu . Bozon Higgsa jest również swoją własną antycząstką , jest równy CP i ma zerowy ładunek elektryczny i kolorowy .

Model Standardowy nie przewiduje masy bozonu Higgsa. Jeśli ta masa wynosi od 115 do 180 GeV/ c ² (zgodnie z obserwacjami empirycznymi 125 GeV/ c ² ), to Model Standardowy może być ważny w skalach energetycznych aż do skali Plancka ( 10 ¹⁹ GeV/ c ² ). Powinna to być jedyna cząstka w Modelu Standardowym, która pozostaje masywna nawet przy wysokich energiach. Wielu teoretyków oczekuje nowej fizyki wykraczającej poza Model Standardowy pojawić się w skali TeV, w oparciu o niezadowalające właściwości Modelu Standardowego. Najwyższa możliwa skala masy dozwolona dla bozonu Higgsa (lub innego elektrosłabego mechanizmu łamania symetrii) wynosi 1,4 TeV; poza tym punktem Model Standardowy staje się niespójny bez takiego mechanizmu, ponieważ jedność .

Możliwe jest również, choć trudne eksperymentalnie, oszacowanie masy bozonu Higgsa w sposób pośredni: w Modelu Standardowym bozon Higgsa ma szereg efektów pośrednich; przede wszystkim pętle Higgsa skutkują niewielkimi poprawkami mas bozonów W i Z. Precyzyjne pomiary parametrów elektrosłabych, takich jak stała Fermiego i masy bozonów W i Z, mogą być wykorzystane do obliczenia ograniczeń dotyczących masy Higgsa. Według stanu na lipiec 2011, precyzyjne pomiary elektrosłabe wskazują, że masa bozonu Higgsa będzie prawdopodobnie mniejsza niż około 161 GeV/ c ² przy 95% poziomie ufności . Te pośrednie ograniczenia opierają się na założeniu, że Model Standardowy jest poprawny. Nadal może być możliwe odkrycie bozonu Higgsa powyżej tych mas, jeśli towarzyszą mu inne cząstki poza tymi, które mieszczą się w Modelu Standardowym.

LHC nie może bezpośrednio zmierzyć czasu życia bozonu Higgsa ze względu na jego ekstremalną zwięzłość. Przewiduje się, że będzie to 4,07 × 10-3 ^GeV 1,56 ^× 10-22 s na podstawie przewidywanej szerokości rozpadu . Można to jednak zmierzyć pośrednio, na podstawie porównania mas zmierzonych na podstawie zjawisk kwantowych zachodzących na na powłoce i na znacznie rzadszych ścieżkach produkcji poza powłoką , pochodzących z rozpadu Dalitza za pośrednictwem wirtualnego fotonu (H → γ * γ → ℓ ℓ γ ) . Korzystając z tej techniki, czas życia bozonu Higgsa został wstępnie zmierzony w 2021 roku jako 1,2 - 4,6 x 10-22 ^s , przy istotności sigma 3,2 (1 na 1000).

Produkcja

Diagramy Feynmana do produkcji Higgsa
Fuzja gluonów	Higgs Strahlung
Wektorowa fuzja bozonowa	Najlepsza fuzja

Jeśli teorie cząstek Higgsa są poprawne, to cząstka Higgsa może być wytwarzana podobnie jak inne badane cząstki w zderzaczu cząstek . Obejmuje to przyspieszenie dużej liczby cząstek do bardzo wysokich energii i bardzo bliskich prędkości światła , a następnie umożliwienie im zderzenia. Protony i jony ołowiu (nagie jądra atomów ołowiu ) są używane w LHC. W ekstremalnych energiach tych zderzeń czasami powstają pożądane cząstki ezoteryczne, które można wykryć i zbadać; każdy brak lub różnica w stosunku do oczekiwań teoretycznych może być również wykorzystana do ulepszenia teorii. Odpowiednia teoria cząstek (w tym przypadku Model Standardowy) określi niezbędne rodzaje zderzeń i detektorów. Model standardowy przewiduje, że bozony Higgsa mogą powstawać na wiele sposobów, chociaż prawdopodobieństwo wytworzenia bozonu Higgsa w dowolnym zderzeniu jest zawsze bardzo małe — na przykład tylko jeden bozon Higgsa na 10 miliardów zderzeń w Wielkim Hadronie Zderzak. Najczęstszymi oczekiwanymi procesami produkcji bozonu Higgsa są:

Fuzja gluonowa: Jeśli zderzającymi się cząstkami są hadrony , takie jak proton lub antyproton – jak ma to miejsce w LHC i Tevatronie – to najprawdopodobniej zderzają się dwa gluony wiążące hadron. Najłatwiejszym sposobem wytworzenia cząstki Higgsa jest połączenie dwóch gluonów w pętlę wirtualnych kwarków. Ponieważ sprzężenie cząstek z bozonem Higgsa jest proporcjonalne do ich masy, proces ten jest bardziej prawdopodobny w przypadku cząstek ciężkich. W praktyce wystarczy wziąć pod uwagę wkład wirtualnej góry i dolne (najcięższe kwarki). Ten proces jest dominującym wkładem w LHC i Tevatron, ponieważ jest około dziesięć razy bardziej prawdopodobny niż jakikolwiek inny proces.
Higgs Strahlung: Jeśli elementarny fermion zderzy się z antyfermionem – np. kwark z antykwarkiem lub elektron z pozytonem – oba mogą się połączyć, tworząc wirtualny bozon W lub Z, który, jeśli ma wystarczającą energię, może następnie emitować bozon Higgsa. Ten proces był dominującym trybem produkcji w LEP, gdzie elektron i pozyton zderzyły się, tworząc wirtualny bozon Z, i był to drugi co do wielkości wkład w produkcję Higgsa w Tevatron. W LHC proces ten jest dopiero trzecim co do wielkości, ponieważ LHC zderza protony z protonami, przez co zderzenie kwarków z antykwarkami jest mniej prawdopodobne niż w Tevatronie. Higgs Strahlung jest również znany jako produkcja towarzysząca .
Słaba fuzja bozonowa: Inną możliwością zderzenia dwóch (anty-)fermionów jest to, że oba wymieniają wirtualny bozon W lub Z, który emituje bozon Higgsa. Zderzające się fermiony nie muszą być tego samego typu. Na przykład kwark górny może zamienić bozon Z na antykwark dolny. Proces ten jest drugim co do ważności procesem produkcji cząstki Higgsa w LHC i LEP.
Najlepsza fuzja: Ostateczny proces, który jest powszechnie brany pod uwagę, jest zdecydowanie najmniej prawdopodobny (o dwa rzędy wielkości). Proces ten obejmuje dwa zderzające się gluony, z których każdy rozpada się na parę ciężkich kwarków i antykwarków. Kwark i antykwark z każdej pary mogą następnie połączyć się, tworząc cząstkę Higgsa.

Rozkład

Przewidywanie Modelu Standardowego dla szerokości rozpadu cząstki Higgsa zależy od wartości jej masy.

Mechanika kwantowa przewiduje, że jeśli możliwe jest, aby cząstka rozpadła się na zbiór lżejszych cząstek, to w końcu tak się stanie. Dotyczy to również bozonu Higgsa. Prawdopodobieństwo, że tak się stanie, zależy od różnych czynników, w tym: różnicy mas, siły oddziaływań itp. Większość z tych czynników jest ustalana przez Model Standardowy, z wyjątkiem masy samego bozonu Higgsa. 1,6 × 10-22 ^s Higgsa o masie 125 GeV/ c ² SM przewiduje średni czas życia około .

Przewidywanie Modelu Standardowego dla stosunków rozgałęzień różnych trybów rozpadu cząstki Higgsa zależy od wartości jej masy.

Ponieważ oddziałuje ze wszystkimi masywnymi cząstkami elementarnymi SM, bozon Higgsa ma wiele różnych procesów, w których może się rozpadać. Każdy z tych możliwych procesów ma swoje własne prawdopodobieństwo, wyrażone jako stosunek rozgałęzień ; ułamek całkowitej liczby rozpadów, który następuje po tym procesie. SM przewiduje te stosunki rozgałęzień jako funkcję masy Higgsa (patrz wykres).

Bozon Higgsa rozpada się na pary ciężkich bozonów wektorowych (a), pary fermion-antyfermion (b) i pary fotonów lub Zγ (c, d)

Jednym ze sposobów rozpadu Higgsa jest rozszczepienie się na parę fermion-antyfermion. Zgodnie z ogólną zasadą, Higgs jest bardziej podatny na rozpad na ciężkie fermiony niż na lekkie fermiony, ponieważ masa fermionu jest proporcjonalna do siły jego interakcji z Higgsem. Zgodnie z tą logiką, najczęstszym rozpadem powinien być para kwarków wierzchołek -antytop. Jednak taki rozpad byłby możliwy tylko wtedy, gdyby Higgs był cięższy niż ~ 346 GeV/ c ² , czyli dwa razy więcej niż kwark górny. Dla masy Higgsa 125 GeV/ c ² SM przewiduje, że najczęstszym rozpadem jest dno – antybottomowa para kwarków, co zdarza się w 57,7% przypadków. Drugim najczęstszym rozpadem fermionu przy tej masie jest tau -antytau, która zachodzi tylko w około 6,3% przypadków.

Inną możliwością jest rozszczepienie Higgsa na parę bozonów o masywnych cechach. Najbardziej prawdopodobną możliwością jest rozpad Higgsa na parę bozonów W (jasnoniebieska linia na wykresie), co zdarza się w około 21,5% przypadków dla bozonu Higgsa o masie 125 GeV / c ² . Bozony W mogą następnie rozpaść się na kwark i antykwark lub na naładowany lepton i neutrino. Rozpady bozonów W na kwarki są trudne do odróżnienia od tła, a rozpadów na leptony nie da się w pełni zrekonstruować (ponieważ neutrina są niemożliwe do wykrycia w eksperymentach zderzeń cząstek). Czystszy sygnał daje rozpad na parę bozonów Z (co zdarza się w około 2,6% przypadków Higgsa o masie 125 GeV/ c ² ), jeśli każdy z bozonów następnie rozpadnie się na parę łatwych do wykrycia naładowanych leptonów ( elektronów lub mionów ).

Rozpad na bezmasowe bozony cechowania (tj. gluony lub fotony ) jest również możliwy, ale wymaga pośredniej pętli wirtualnych ciężkich kwarków (górnych lub dolnych) lub masywnych bozonów cechowania. Najczęstszym takim procesem jest rozpad na parę gluonów poprzez pętlę wirtualnych ciężkich kwarków. Ten proces, który jest odwrotnością wspomnianego powyżej procesu fuzji gluonów, zachodzi przez około 8,6% czasu dla bozonu Higgsa o masie 125 GeV/ c ² . Znacznie rzadszy jest rozpad na parę fotonów, w którym pośredniczy pętla bozonów W lub ciężkich kwarków, co zdarza się tylko dwa razy na tysiąc rozpadów. Proces ten jest jednak bardzo istotny dla eksperymentalnych poszukiwań bozonu Higgsa, ponieważ energię i pęd fotonów można zmierzyć bardzo precyzyjnie, co daje dokładną rekonstrukcję masy rozpadającej się cząstki.

W 2021 roku wstępnie zaobserwowano niezwykle rzadki rozpad Dalitza na dwa leptony (elektrony lub miony) i foton (ℓℓγ), poprzez wirtualny rozpad fotonu . Może się to zdarzyć na trzy sposoby; Higgsa na wirtualny foton do ℓℓγ, w którym wirtualny foton (γ*) ma bardzo małą, ale niezerową masę, Higgsa na bozon Z do ℓℓγ lub Higgsa na dwa leptony, z których jeden emituje foton w stanie końcowym prowadzący do ℓℓγ. ATLAS poszukiwał dowodów na istnienie pierwszego z nich (H→γ*γ→ℓℓγ) przy niskiej masie dileptonu (≤ 30 GeV/ c ² ) , gdzie ten proces powinien dominować. Obserwacja ma istotność sigma 3,2 (1 na 1000). Ta ścieżka rozpadu jest ważna, ponieważ ułatwia pomiar masy bozonu Higgsa na półce i poza nią (pozwalając na pośredni pomiar czasu rozpadu), a rozpad na dwie naładowane cząstki umożliwia badanie sprzężenia ładunku i naruszenia parzystości ładunku ( CP ) .

Dyskusja publiczna

Nazewnictwo

Nazwy używane przez fizyków

Nazwą najsilniej kojarzoną z cząstką i polem jest bozon Higgsa i pole Higgsa. Cząstka była przez pewien czas znana pod nazwą PRL-owskich autorów (w tym czasami Anderson), na przykład cząstka Brouta – Englert – Higgsa, cząstka Andersona – Higgsa czy też cząstka Englert – Brout – Higgs – Guralnik – Hagen – Mechanizm krokietów, które czasami są nadal używane. Częściowo napędzana kwestią uznania i potencjalnej wspólnej Nagrody Nobla, najodpowiedniejsza nazwa była od czasu do czasu przedmiotem debaty aż do 2013 roku. Sam Higgs woli nazywać cząstkę albo akronimem wszystkich zaangażowanych osób, albo „bozonem skalarnym” ” lub „tak zwana cząstka Higgsa”.

Wiele napisano o tym, w jaki sposób imię Higgsa stało się używane wyłącznie. Podaje się dwa główne wyjaśnienia. Po pierwsze, Higgs podjął w swoim artykule krok, który był albo wyjątkowy, jaśniejszy, albo bardziej wyraźny, polegający na formalnym przewidywaniu i badaniu cząstki. Spośród autorów prac PRL tylko praca Higgsa wyraźnie przewidywała istnienie masywnej cząstki i obliczała niektóre jej właściwości; był zatem „pierwszym, który postulował istnienie masywnej cząstki” według Natury . Fizyk i autor Frank Close oraz fizyk-bloger Peter Woit obaj komentują, że artykuł GHK został również ukończony po tym, jak Higgs i Brout-Englert zostali przesłani do Physical Review Letters i że sam Higgs zwrócił uwagę na przewidywany masywny bozon skalarny , podczas gdy wszyscy inni skupili się na masywnych bozonach wektorowych . W ten sposób wkład Higgsa dostarczył również eksperymentatorom kluczowego „konkretnego celu” potrzebnego do przetestowania teorii.

Jednak zdaniem Higgsa Brout i Englert nie wspomnieli wprost o bozonie, ponieważ jego istnienie jest oczywiste w ich pracy, podczas gdy według Guralnika artykuł GHK był kompletną analizą całego mechanizmu łamania symetrii, którego matematyczny rygor jest nieobecny w w innych dwóch papierach, aw niektórych roztworach może istnieć masywna cząstka. Artykuł Higgsa zawierał również „szczególnie ostre” stwierdzenie wyzwania i jego rozwiązania, według historyka nauki Davida Kaisera.

Alternatywnym wyjaśnieniem jest to, że nazwa została spopularyzowana w latach 70. XX wieku ze względu na użycie jej jako wygodnego skrótu lub z powodu błędu w cytowaniu. Wiele kont ( w tym własne Higgsa ) przypisuje imię „Higgs” fizykowi Benjaminowi Lee . Lee był znaczącym popularyzatorem teorii w jej początkach i zwykle dołączał nazwę „Higgs” jako „wygodny skrót” dla jej składników od 1972 r. I przynajmniej w jednym przypadku już od 1966 r. Chociaż Lee wyjaśnił w swoim przypisy, że „Higgs” to skrót od Higgs, Kibble, Guralnik, Hagen, Brout, Englert”, użycie przez niego tego terminu (a być może także błędne cytowanie artykułu Higgsa przez Stevena Weinberga jako pierwszego w jego przełomowym artykule z 1967 r.) oznaczało że około 1975–1976 inni również zaczęli używać nazwiska „Higgs” wyłącznie jako skrótu. W 2012 roku fizyk Frank Wilczek , któremu przypisuje się nazwanie cząstki elementarnej, aksjonu (na podstawie alternatywnej propozycji „Higglet” autorstwa Weinberga), poparł nazwę „bozonu Higgsa”, stwierdzając: „Historia jest skomplikowana i gdziekolwiek narysujesz linię, znajdzie się ktoś tuż pod nim”.

Przezwisko

Bozon Higgsa jest często określany jako „boska cząstka” w popularnych mediach poza społecznością naukową. Pseudonim pochodzi od tytułu książki z 1993 roku na temat bozonu Higgsa i fizyki cząstek elementarnych, The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? przez laureata Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki i dyrektora Fermilab Leona Ledermana . Lederman napisał to w kontekście braku wsparcia rządu USA dla Superconducting Super Collider , częściowo skonstruowanego tytanicznego konkurenta Wielkiego Zderzacza Hadronów z planowanymi energiami kolizji 2 × 20 TeV , którego Lederman był orędownikiem od jego powstania w 1983 r. i zamkniętego w 1993 r. Książka miała częściowo na celu promowanie świadomości znaczenia i potrzeby takiego projektu w obliczu możliwej utraty finansowania . Lederman, czołowy badacz w tej dziedzinie, pisze, że chciał zatytułować swoją książkę The Goddamn Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question? Redaktor Ledermana uznał, że tytuł jest zbyt kontrowersyjny i przekonał go do zmiany tytułu na The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question?

Chociaż użycie tego terminu w mediach mogło przyczynić się do szerszej świadomości i zainteresowania, wielu naukowców uważa, że nazwa ta jest niewłaściwa, ponieważ jest sensacyjną hiperbolą i wprowadza czytelników w błąd; cząsteczka również nie ma nic wspólnego z jakimkolwiek Bogiem , pozostawia wiele pytań w fundamentalnej fizyce otwartych i nie wyjaśnia ostatecznego pochodzenia wszechświata . Higgs , ateista , był podobno niezadowolony i stwierdził w wywiadzie z 2008 roku, że uznał to za „zawstydzające”, ponieważ było to „rodzaj nadużycia… które, jak sądzę, może urazić niektórych ludzi”. Pseudonim był również satyrowany w mediach głównego nurtu. Pisarz naukowy Ian Sample stwierdził w swojej książce o poszukiwaniach z 2010 roku, że pseudonim to „powszechna nienawiść [d]” przez fizyków i być może „najgorszy wyśmiewany” w historii fizyki, ale (według Ledermana) wydawca odrzucił wszystkie tytuły wspominając o „Higgsie” jako pozbawionym wyobraźni i zbyt nieznanym.

Lederman zaczyna od przeglądu długich ludzkich poszukiwań wiedzy i wyjaśnia, że jego żartobliwy tytuł przedstawia analogię między wpływem pola Higgsa na podstawowe symetrie w Wielkim Wybuchu a pozornym chaosem struktur , cząstek , siły i interakcje, które zaowocowały i ukształtowały nasz obecny wszechświat, z biblijną historią Babel , w której pierwotny pojedynczy język wczesnej Księgi Rodzaju został podzielony na wiele odmiennych języków i kultur.

Dziś… mamy model standardowy, który redukuje całą rzeczywistość do kilkunastu cząstek i czterech sił… To ciężko wywalczona prostota [… i…] niezwykle dokładna. Ale jest również niekompletny i właściwie wewnętrznie niespójny… Ten bozon jest tak centralny dla dzisiejszego stanu fizyki, tak kluczowy dla naszego ostatecznego zrozumienia struktury materii, a jednocześnie tak nieuchwytny, że nadałem mu przydomek : boska cząsteczka. Dlaczego boska cząsteczka? Dwa powody. Po pierwsze, wydawca nie pozwolił nam nazwać tego Cholerną cząstką, chociaż to może być bardziej odpowiedni tytuł, biorąc pod uwagę jego nikczemny charakter i koszty, jakie powoduje. A po drugie, istnieje pewnego rodzaju połączenie z inna książka , dużo starsza...

— Lederman i Teresi

Lederman pyta, czy bozon Higgsa został dodany tylko po to, by wprawić w zakłopotanie i zakłopotanie tych, którzy poszukują wiedzy o wszechświecie, i czy fizycy zostaną przez to zdezorientowani, jak opisano w tej historii, czy też ostatecznie sprostają wyzwaniu i zrozumieją, „jak piękny jest wszechświat [Bóg ] zrobiony".

Inne propozycje

wyniku konkursu na zmianę nazwy przeprowadzonego przez brytyjską gazetę The Guardian w 2009 r. ich korespondent naukowy wybrał nazwę „ bozon z butelki szampana ” jako najlepsze zgłoszenie: „Dno butelki szampana ma kształt potencjału Higgsa i jest często używane jako ilustracja na wykładach z fizyki. Nie jest to więc zawstydzająco imponująca nazwa, zapada w pamięć i ma też pewne powiązania z fizyką ”. Nazwisko Higgson zostało również zasugerowane w opinii w publikacji internetowej Instytutu Fizyki fizykaworld.com .

Edukacyjne wyjaśnienia i analogie

Zdjęcie światła przechodzącego przez pryzmat dyspersyjny : efekt tęczy powstaje, ponieważ materiał dyspersyjny pryzmatu nie wpływa na wszystkie fotony w takim samym stopniu.

Odbyła się poważna publiczna dyskusja na temat analogii i wyjaśnień dotyczących cząstki Higgsa i tego, jak pole tworzy masę, w tym opis prób samodzielnego wyjaśnienia oraz konkurs w 1993 r. Na najlepsze popularne wyjaśnienie przeprowadzone przez ówczesnego brytyjskiego ministra nauki, Sir Williama Waldegrave'a i artykułów w gazetach na całym świecie.

Współpraca edukacyjna z udziałem fizyka LHC i nauczyciela szkoły średniej w CERN sugeruje, że rozproszenie światła – odpowiedzialne za tęczę i pryzmat dyspersyjny – jest użyteczną analogią do łamania symetrii pola Higgsa i efektu tworzenia masy.

Łamanie symetrii w optyce	W próżni światło wszystkich kolorów (lub fotony o wszystkich długościach fal ) porusza się z tą samą prędkością , co jest sytuacją symetryczną. W niektórych substancjach, takich jak szkło , woda czy powietrze , ta symetria jest złamana (Patrz: Fotony w materii ) . W rezultacie światło o różnych długościach fal ma różne prędkości .
Łamanie symetrii w fizyce cząstek elementarnych	W „naiwnych” teoriach cechowania wszystkie bozony cechowania i inne cząstki elementarne są bezmasowe – również w sytuacji symetrycznej. W obecności pola Higgsa ta symetria zostaje złamana. W rezultacie cząstki różnych typów będą miały różne masy.

Matt Strassler używa pól elektrycznych jako analogii:

Niektóre cząstki oddziałują z polem Higgsa, a inne nie. Te cząstki, które czują pole Higgsa, zachowują się tak, jakby miały masę. Coś podobnego dzieje się w polu elektrycznym – naładowane obiekty są przyciągane, a neutralne obiekty mogą przepływać bez wpływu. Możesz więc myśleć o poszukiwaniach Higgsa jako o próbie wywołania fal w polu Higgsa [ stworzenia bozonów Higgsa ], aby udowodnić, że to naprawdę tam jest.

Podobne wyjaśnienie przedstawił The Guardian :

Bozon Higgsa jest zasadniczo zmarszczką w polu, o którym mówi się, że pojawiło się przy narodzinach wszechświata i obejmuje kosmos do dnia dzisiejszego… Cząstka jest jednak kluczowa: to dymiący pistolet , dowód wymagany do pokazania teorii jest w porządku.

Fizyk David Miller słynnie opisał wpływ pola Higgsa na cząstki jako podobny do pokoju pełnego pracowników partii politycznych rozmieszczonych równomiernie w całym pokoju: tłum przyciąga i spowalnia sławnych ludzi, ale nie spowalnia innych. Zwrócił również uwagę na dobrze znane efekty w fizyce ciała stałego , gdzie efektywna masa elektronu może być znacznie większa niż zwykle w obecności sieci krystalicznej.

Analogie oparte na efektach oporu , w tym analogie „ syropu ” lub „ melasy ”, są również dobrze znane, ale mogą być nieco mylące, ponieważ można je rozumieć (niepoprawnie) jako mówiące, że pole Higgsa po prostu opiera się ruchowi niektórych cząstek, ale nie ruchowi innych. – prosty efekt oporu może również kolidować z trzecim prawem Newtona .

Uznanie i nagrody

Przed końcem 2013 roku toczyła się poważna dyskusja na temat tego, jak przypisać zasługi, jeśli bozon Higgsa zostanie udowodniony, bardziej dobitny , ponieważ oczekiwano nagrody Nobla i bardzo szerokiej bazy osób uprawnionych do rozważenia. Należą do nich szereg teoretyków, którzy umożliwili teorię mechanizmu Higgsa, teoretycy prac PRL-u z 1964 roku (w tym sam Higgs), teoretycy, którzy wyprowadzili z nich działającą teorię elektrosłabą i sam Model Standardowy, a także eksperymentatorzy z CERN-u i inne instytucje, które umożliwiły dowód pola Higgsa i bozonu w rzeczywistości. Nagroda Nobla ma limit trzech osób, które mogą dzielić nagrodę, a niektórzy potencjalni zwycięzcy są już posiadaczami nagrody za inną pracę lub nie żyją (nagroda jest przyznawana tylko osobom za ich życia). Istniejące nagrody za prace związane z polem Higgsa, bozonem lub mechanizmem obejmują:

Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki (1979) – Glashow , Salam i Weinberg za wkład w teorię ujednoliconych oddziaływań słabych i elektromagnetycznych między cząstkami elementarnymi
Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki (1999) - 't Hooft i Veltman za wyjaśnienie struktury kwantowej oddziaływań elektrosłabych w fizyce
JJ Sakurai Prize for Theoretical Particle Physics (2010) - Hagen, Englert, Guralnik, Higgs, Brout i Kibble, za wyjaśnienie właściwości spontanicznego łamania symetrii w czterowymiarowej relatywistycznej teorii cechowania oraz mechanizmu spójnego generowania wektorów masy bozonu (dla artykułów z 1964 roku opisanych powyżej )
Wolf Prize (2004) - Englert, Brout i Higgs
Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics (2013) – Fabiola Gianotti i Peter Jenni , rzecznicy ATLAS Collaboration oraz Michel Della Negra, Tejinder Singh Virdee, Guido Tonelli i Joseph Incandela, dawni i obecni rzecznicy CMS, „For [ ich] wiodącą rolę w przedsięwzięciu naukowym, które doprowadziło do odkrycia nowej cząstki podobnej do Higgsa przez współpracę ATLAS i CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN”.
Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki (2013) – Peter Higgs i François Englert , za teoretyczne odkrycie mechanizmu, który przyczynia się do zrozumienia pochodzenia masy cząstek subatomowych i który niedawno został potwierdzony przez odkrycie przewidywanej cząstki elementarnej przez eksperymenty ATLAS i CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów CERN

Współpracownik Englert, Robert Brout, zmarł w 2011 roku, a Nagroda Nobla nie jest zwykle przyznawana pośmiertnie .

Dodatkowo 50-letnia recenzja Physical Review Letters (2008) uznała artykuły łamiące symetrię PRL z 1964 r. Oraz artykuł Weinberga z 1967 r. Model leptonów (najczęściej cytowany artykuł w fizyce cząstek elementarnych od 2012 r.) „Kamień milowy”.

Po doniesieniach o zaobserwowaniu cząstki podobnej do Higgsa w lipcu 2012 roku, kilka indyjskich mediów doniosło o rzekomym zaniedbaniu zasług indyjskiego fizyka Satyendry Natha Bose, od którego prac z lat dwudziestych XX wieku nazwano klasę cząstek „ bozonów ” (chociaż fizycy opisali związek Bose'a z odkryciem jako wątpliwy).

Aspekty techniczne i sformułowania matematyczne

Potencjał pola Higgsa, wykreślony jako funkcja i

^

{3}}

. Ma meksykańskiego kapelusza lub butelki szampana na ziemi.

W Modelu Standardowym pole Higgsa jest czteroskładnikowym polem skalarnym, które tworzy złożony dublet słabej symetrii izospinowej SU (2) :

{\ Displaystyle \ phi = {\ Frac {1} {\ sqrt {2}}} \ lewo ({\ rozpocząć {tablica}} \phi ^{1}+i\phi ^{2}\\\phi ^{0}+i\phi ^{3}\end{tablica}}\right)\ ,}

podczas gdy pole ma ładunek + 1/2 . symetrią pod słabego hiperładunku U ( 1)

Uwaga: W tym artykule zastosowano konwencję skalowania, w której ładunek elektryczny $Q$ = $T$ _Q + $Y$ _W . $,$ słaby izospin $T$ ₃ i słaby hiperładunek $Y$ _W są powiązane 3 Inna konwencja $Q$ = $T$ ₃ + 1/2 używana W $Y$ _. w większości innych artykułów Wikipedii to

Część Higgsa Lagrange'a to

{\ Displaystyle {\ mathcal {L}} _ {\ tekst {H}} = \ lewo | \ lewo (\ częściowe _ {\ mu} -igW_ {\ mu \, a} {\ tfrac {1} {2} }\sigma ^{a}-i{\tfrac {1}{2}}g'B_{\mu }\right)\phi \right|^{2}+\mu _{\text{H}}^ {2}\phi ^{\sztylet}\phi -\lambda \left(\phi ^{\sztylet}\phi \right)^{2}\ ,}

gdzie $i$ bozonami cechowania symetrii (2) i U (1) sol $sol$ $}$ $\$ i $\ Displaystyle g '}$ { ich odpowiednie stałe sprzężenia , $są$ (kompletny zestaw generatorów symetrii SU (2)) i ${\ Displaystyle \ lambda > 0}$ i ${\ Displaystyle \ mu _ {\ tekst {H}} ^ {2}> 0}$ , tak że stan podstawowy łamie symetrię SU (2) (patrz rysunek) .

gdzie Stan podstawowy pola Higgsa (dno potencjału) jest zdegenerowany z różnymi stanami podstawowymi powiązanymi ze sobą za pomocą transformacji cechowania SU(2). Zawsze można wybrać taki miernik , aby w stanie podstawowym ${\ Displaystyle \ phi ^ {1} = \ phi ^ {2} = \ phi ^ {3} = 0}$ . Wartość oczekiwana $wartość$ stanie podstawowym ( oczekiwana próżni lub VEV) wynosi wtedy $_$ ${\ Displaystyle v = {\ tfrac {1} {\ sqrt {\ lambda \,}}} \ lewo | \ mu _ {\ tekst {H}} \ prawo |}$ . Zmierzona wartość tego parametru wynosi ~ 246 GeV/ c ² . Ma jednostki masy i jest jedynym wolnym parametrem Modelu Standardowego, który nie jest liczbą bezwymiarową. $_$ kwadratowe i ${\ Displaystyle B _ {\ mu}}$ powstają, które nadają masy bozonom W i Z:

{\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} m _ {\ tekst {W}} & = {\ tfrac {1} {2}} v \ lewo | \, g \,\right|\ ,\\m_{\text{Z}}&={\tfrac {1}{2}}v{\sqrt {g^{2}+{g'}^{2}\ } }\ ,\koniec {wyrównany}}}

z ich stosunkiem określającym kąt Weinberga , ${\textstyle \cos \theta _ {\tekst{W}}={\frac {m_{\tekst{W}}}{\ m_{\tekst{Z}}\ }}={ \frac {\left|\,g\,\right|}{\ {\sqrt {g^{2}+{g'}^{2}\ }}\ }}} i zostaw bezmasowe U($ 1 ) foton , ${\ Displaystyle \ gamma}$ . Masa samego bozonu Higgsa jest dana przez

{\ Displaystyle m _ {\ tekst {H}} = {\ sqrt {2 \ mu _ {\ tekst {H}} ^ {2} \ }} \ równoważnik {\ sqrt {2 \ lambda v ^ {2} \} }.}

Kwarki i leptony oddziałują z polem Higgsa poprzez warunki interakcji Yukawy :

{\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} {\ mathcal {L}} _ {\ tekst {Y}} = & - \ lambda _ {u} ^ {i \, j} {\ Frac {\ \ phi ^ {0 }-i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {u}}_{\text{L}}^{i}u_{\text{R}}^{j }+\lambda _{u}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}-i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {d }}_{\text{L}}^{i}u_{\text{R}}^{j}\\&-\lambda _{d}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{0}+i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {d}}_{\text{L}}^{i}d_{\text{R}} ^{j}-\lambda _{d}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}+i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ }}}{\ overline {u}}_{\text{L}}^{i}d_{\text{R}}^{j}\\&-\lambda _{e}^{i\,j}{\frac { \ \phi ^{0}+i\phi ^{3}\ }{\sqrt {2\ }}}{\overline {e}}_{\text{L}}^{i}e_{\text{ R}}^{j}-\lambda _{e}^{i\,j}{\frac {\ \phi ^{1}+i\phi ^{2}\ }{\sqrt {2\ }} }{\overline {\nu}}_{\text{L}}^{i}e_{\text{R}}^{j}+{\textrm {hc}}\ ,\end{wyrównane}}}

gdzie ${\ Displaystyle (d, u, e, \ nu) _ {\ tekst {L, R}} ^ {i}}$ są leworęczni i praworęczni kwarki i leptony $i$ - tej generacji $są$ macierzami hc oznacza hermitowski koniugat wszystkich poprzednich terminów. W stanie podstawowym łamiącym symetrię tylko wyrazy zawierające ${\ displaystyle \ phi ^ {0}}$ pozostają, dając początek terminom masowym dla fermionów. Obracając pola kwarków i leptonów do podstawy, w której macierze sprzężeń Yukawy są diagonalne, otrzymujemy

{\ Displaystyle {\ mathcal {L}} _ {\ tekst {m}} = - m _ {\ tekst {u}} ^ {i} {\ overline {u}} _ {\ tekst {L}} ^ {i }u_{\text{R}}^{i}-m_{\text{d}}^{i}{\overline {d}}_{\text{L}}^{i}d_{\text{ R}}^{i}-m_{\text{e}}^{i}{\overline {e}}_{\text{L}}^{i}e_{\text{R}}^{i }+{\textrm {hc}},}

gdzie masy fermionów są ${\ Displaystyle m _ {\ tekst {u, d, e}} ^ {i} = {\ tfrac {1 } {\ sqrt {2 \}}} \ lambda _ {\ tekst {u, d, e}} ^ {i} v} i λ u, d, e ja {\ Displaystyle \ lambda _$ { $u ,d,e}}^{i}}$ oznaczają wartości własne macierzy Yukawy.

Zobacz też

Model standardowy

Mechanizm Higgsa - Mechanizm wyjaśniający generowanie masy dla bozonów cechowania
Historia kwantowej teorii pola
Wprowadzenie do mechaniki kwantowej – Nietechniczne wprowadzenie do fizyki kwantowej
Nieprzemienny model standardowy
i nieprzemienna geometria – Dział matematyki
Matematyczne sformułowanie Modelu Standardowego – Matematyka modelu fizyki cząstek elementarnych
- Przegląd pól modelu standardowego
- terminy masowe i mechanizm Higgsa
Teoria cechowania kwantowego - teoria fizyczna z polami niezmiennymi pod wpływem lokalnych grup Liego „mierniczych”
Bozony W i Z – Cząstki elementarne; bozonów pomiarowych, które pośredniczą w oddziaływaniach słabych

Inny

Statystyka Bosego-Einsteina - Opis zachowania bozonów
Złożone modele Higgsa , rozszerzenie SM, w którym bozon Higgsa składa się z mniejszych składników
Wykres Dalitza - wykres fizyki cząstek elementarnych
Particle Fever , amerykański film dokumentalny z 2013 roku przedstawiający różne eksperymenty LHC i kończący się identyfikacją bozonu Higgsa
Trywialność kwantowa - możliwy wynik renormalizacji w fizyce
Bozon skalarny – Bozon o spinie równym zeru
Działanie Stueckelberga - Szczególny przypadek abelowego mechanizmu Higgsa
Pole tachioniczne - Pole o wyimaginowanej masie
ZZ dibozon

Notatki wyjaśniające

Źródła

Bernstein, Jeremy (styczeń 1974). „Spontaniczne łamanie symetrii, teorie cechowania, mechanizm Higgsa i to wszystko” (PDF) . Recenzje współczesnej fizyki . 46 (1): 7–48. Bibcode : 1974RvMP...46....7B . doi : 10.1103/RevModPhys.46.7 . Zarchiwizowane od oryginału (PDF) w dniu 21 stycznia 2013 r . Źródło 10 grudnia 2012 r .

Peskin, Michael E.; Schroeder, Daniel V. (1995). Wprowadzenie do kwantowej teorii pola . Czytanie, MA: Wydawnictwo Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-50397-5 .

Tipler, Paweł; Llewellyn, Ralph (2003). Współczesna fizyka . WH Freemana. ISBN 978-0-7167-4345-3 .

Griffiths, David (2008). Wprowadzenie do cząstek elementarnych (wydanie drugie poprawione). WILEY-VCH. ISBN 978-3-527-40601-2 .

Dalsza lektura

Nambu, Yoichiro ; Jona-Lasinio, Giovanni (1961). „Dynamiczny model cząstek elementarnych oparty na analogii z nadprzewodnictwem” . Przegląd fizyczny . 122 (1): 345–358. Bibcode : 1961PhRv..122..345N . doi : 10.1103/PhysRev.122.345 .
Anderson, Philip W. (1963). „Plazmony, niezmienność cechowania i masa”. Przegląd fizyczny . 130 (1): 439–442. Bibcode : 1963PhRv..130..439A . doi : 10.1103/PhysRev.130.439 .
Klein, Abraham ; Lee, Benjamin W. (1964). „Czy spontaniczne załamanie symetrii implikuje cząstki o zerowej masie?”. Listy z przeglądu fizycznego . 12 (10): 266–268. Bibcode : 1964PhRvL..12..266K . doi : 10.1103/PhysRevLett.12.266 .
Gilbert, Walter (1964). „Złamane symetrie i bezmasowe cząstki”. Listy z przeglądu fizycznego . 12 (25): 713–714. Bibcode : 1964PhRvL..12..713G . doi : 10.1103/PhysRevLett.12.713 .
Higgsa, Piotra (1964). „Złamane symetrie, bezmasowe cząstki i pola cechowania”. Listy z fizyki . 12 (2): 132–133. Bibcode : 1964PhL....12..132H . doi : 10.1016/0031-9163(64)91136-9 .
Guralnik, Gerald S .; Hagen, CR ; Kibble, Tom WB (1968). „Złamane symetrie i twierdzenie Goldstone'a” . Cool , RL ; Marshak, RE (red.). Postępy w fizyce . Tom. 2. Wydawcy Interscience . s. 567–708. ISBN 978-0-470-17057-1 . Zarchiwizowane od oryginału w dniu 23 kwietnia 2012 r . Źródło 18 czerwca 2011 r .
Carroll, Sean (2013). Cząstka na końcu wszechświata: jak poszukiwanie bozonu Higgsa prowadzi nas na skraj nowego świata . Duttona. ISBN 978-0-14-218030-3 .
Jakub, Karol; Seez, Chris (2015). „Odkrycie bozonu Higgsa” . Scholarpedia . 10 (9): 32413. doi : 10.4249/scholarpedia.32413 .

Linki zewnętrzne

Popularna nauka, środki masowego przekazu i ogólne relacje

Obserwacja bozonu Higgsa w CERN
Polowanie na bozon Higgsa w CMS Experiment w CERN
Bozon Higgsa przez eksploratorium CERN.
Particle Fever , film dokumentalny o poszukiwaniu bozonu Higgsa.
The Atom Smashers , film dokumentalny o poszukiwaniu bozonu Higgsa w Fermilab.
Artykuły zebrane w Guardianie
Wideo (04:38) – Ogłoszenie CERN z 4 lipca 2012 r. o odkryciu cząstki, co do której podejrzewa się, że będzie bozonem Higgsa.
Wideo 1 (07:44) + Wideo 2 (07:44) - Bozon Higgsa wyjaśniony przez fizyka CERN, dr Daniela Whitesona (16 czerwca 2011).
HowStuffWorks: Czym dokładnie jest bozon Higgsa?
Karol, Sean . „Bozon Higgsa z Seanem Carrollem” . Sześćdziesiąt symboli . Uniwersytet Nottingham.
Żegnaj, Dennis (5 marca 2013). „W pogoni za bozonem Higgsa: jak 2 rywalizujące ze sobą zespoły w CERN szukały najbardziej nieuchwytnej cząstki fizyki” . Strony nauki New York Timesa . Źródło 22 lipca 2013 r . - Artykuł w stylu „za kulisami” New York Timesa na temat poszukiwań Higgsa w ATLAS i CMS
Opowieść o teorii Higgsa autorstwa autorów prac PRL-u i innych ściśle z nią związanych:
- Higgsa, Piotra (2010). „Moje życie jako bozon” (PDF) . Przemówienie wygłoszone w Kings College w Londynie, 24 listopada 2010 r. Zarchiwizowane od oryginału (PDF) w dniu 4 listopada 2013 r . Źródło 17 stycznia 2013 r . (również: Higgs, Peter (24 listopada 2010). „My Life As a Boson: The Story of„ the Higgs ”” . International Journal of Modern Physics A. 17 : 86–88. Bibcode : 2002IJMPA..17S..86H doi : _ 10.1142/S0217751X02013046 . )
- Kibble, Tom (2009). „Mechanizm Englert – Brout – Higgs – Guralnik – Hagen – Kibble (historia)” . Scholarpedia . Źródło 17 stycznia 2013 r . (również: Kibble, Tom (2009). „Mechanizm Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble (historia)” . Scholarpedia . 4 (1): 8741. Bibcode : 2009SchpJ...4.8741K . doi : 10.4249/ naukapedia.8741 . )
- Guralnik, Gerald (2009). „Historia rozwoju teorii spontanicznego łamania symetrii i cząstek skrajni przez Guralnika, Hagena i Kibble”. International Journal of Modern Physics A. 24 (14): 2601–2627. ar Xiv : 0907.3466 . Bibcode : 2009IJMPA..24.2601G . doi : 10.1142/S0217751X09045431 . S2CID 16298371 . , Guralnik, Gerald (2011). „Początki spontanicznego łamania symetrii w fizyce cząstek elementarnych. Materiały z konferencji DPF-2011, Providence, RI, 8–13 sierpnia 2011”. arXiv : 1110.2253v1 [ fizyka.hist-ph ]. i Guralnik, Gerald (2013). „Heretyckie idee, które stanowiły kamień węgielny dla standardowego modelu fizyki cząstek elementarnych”. Zarchiwizowane 15 października 2013 r. w Wayback Machine SPG Mitteilungen, marzec 2013 r., nr 39, (s. 14) oraz Rozmowa na Uniwersytecie Browna o dokumentach PRL z 1964 r.
- Philip Anderson (nie jeden z autorów PRL) o łamaniu symetrii w nadprzewodnictwie i jego migracji do fizyki cząstek elementarnych oraz prace PRL
Kreskówka o poszukiwaniach
Cham, Jorge (19 lutego 2014). „Prawdziwe opowieści z drogi: ponowne wyjaśnienie bozonu Higgsa” . Ułożone wyżej i głębiej . Źródło 25 lutego 2014 r .
Higgs Boson , dyskusja BBC Radio 4 z Jimem Al-Khalili, Davidem Warkiem i Rogerem Cashmore ( In Our Time , 18 listopada 2004)

Ważne dokumenty i inne

„Obserwacja nowej cząstki w poszukiwaniu standardowego bozonu Higgsa za pomocą detektora ATLAS w LHC”. Fizyka Litery B. 716 (2012): 1–29. 2012. arXiv : 1207.7214 . Bibcode : 2012PhLB..716....1A . doi : 10.1016/j.physletb.2012.08.020 . S2CID 119169617 .
„Obserwacja nowego bozonu o masie 125 GeV za pomocą eksperymentu CMS w LHC”. Fizyka Litery B. 716 (2012): 30–61. 2012. arXiv : 1207.7235 . Bibcode : 2012PhLB..716...30C . doi : 10.1016/j.physletb.2012.08.021 .
Particle Data Group: Przegląd poszukiwań bozonów Higgsa.
2001, odyseja czasoprzestrzenna: materiały z konferencji inauguracyjnej Centrum Fizyki Teoretycznej Michigan : Michigan, 21–25 maja 2001 r. (s. 86–88), wyd. Michael J. Duff, James T. Liu, ISBN 978-981-238-231-3 , zawierający historię Higgsa o Bozonie Higgsa.
Migdal, AA; Poliakow, AM (1966). „Spontaniczny rozkład silnej symetrii interakcji i brak cząstek bezmasowych” (PDF) . Sowiecka fizyka JETP . 24 (1): 91. Bibcode : 1967JETP...24...91M . S2CID 34510322 . Zarchiwizowane od oryginału (PDF) w dniu 21 września 2018 r . - przykład rosyjskiej pracy na ten temat z 1966 r.
Departament Energii wyjaśnia… Bozon Higgsa

Wprowadzenia w teren

Łamanie symetrii elektrosłabej - pedagogiczne wprowadzenie do łamania symetrii elektrosłabej z wyprowadzaniem krok po kroku wielu kluczowych relacji, autor: Robert D. Klauber, 15 stycznia 2018 r. (zarchiwizowane w Wayback Machine)
Spontaniczne łamanie symetrii, teorie cechowania, mechanizm Higgsa i tak dalej (Bernstein, Review of Modern Physics, styczeń 1974) – wprowadzenie na 47 stronach obejmujące rozwój, historię i matematykę teorii Higgsa od około 1950 do 1974 roku.