Бозон Гіґґса

Потенціальна енергія як функція комплексного параметра порядку

Бозо́н Гі́ґґса, квант поля Гіґґса — масивна елементарна частинка, яка виникає в Стандартній моделі внаслідок гіґґсівського механізму спонтанного порушення електрослабкої симетрії.

Зміст

1 Історія виникнення та дослідження
2 Характеристика та основні властивості
3 Значення
4 Дослідження в Україні
5 Література
6 Автор

Історія виникнення та дослідження

Існування бозона Гіґґса (див. П. В. Гіґґс) виявлено 1964 у рамках механізму, що надає масу іншим частинкам.

Про відкриття частинки, схожої на бозон Гіґґса, об’єднання детекторів частинок ATLAS (від англ. A Toroidal LHC ApparatuS) і CMS (від англ. Compact Muon Solenoid), що працюють на Великому адронному колайдері (Європейська організація з ядерних досліджень; фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire — CERN, ЦЕРН), повідомили 04.07.2012 на конференції в м. Мельбурні (Австралія). У березні 2013 оприлюднено свідчення про нульовий спін і позитивну парність спостереженої частинки (підтверджено, що вона і є бозоном Гіґґса).

Характеристика та основні властивості

Це відкриття заповнило останню прогалину в так званій Стандартній моделі — теоретичній конструкції, що описує всі відомі фундаментальні частинки та їхні взаємодії. Виявлення бозона Гіґґса підтвердило, що в результаті дії механізму спонтанного порушення симетрії частинки набувають маси завдяки взаємодії з полем Гіґґса, квант якого — бозон. Відкриття бозона Гіґґса стало фундаментом для подальших пошуків нової фізики за межами Стандартної моделі та можливих відкриттів нових частинок і сил природи.

Аналогом механізму Гіґґса у фізиці частинок є ефект Мейснера — виштовхування магнітного поля з надпровідника. Радіальна мода збудження параметрів порядку є масивною, а отже, і повним аналогом бозона Гіґґса. Її експериментально відкрито 1980 в раманівському розсіянні в надпровіднику NbSe₂ за температури, меншої за критичну ([math]T \lt T_c[/math] = 7,2 K).

Ґрунтуючись на мікроскопічній теорії надпровідності (створили Дж. Бардін, Л. Н. Купер, Дж. Р. Шріффер і М. Боголюбов у 1957), фізик Йоїтіро Намбу запропонував модель, в якій маса ферміонів виникає в результаті спонтанного порушення кіральної симетрії, що має місце для безмасових ферміонів.

У релятивістській квантовій теорії поля доведено загальну теорему: при спонтанному порушенні неперервної симетрії у спектрі збуджень з необхідністю виникають безмасові частинки з нульовим спіном і законом дисперсії [math]E = c|q ⃗|[/math] ([math]E[/math] — енергія, [math]q ⃗[/math] — хвильовий вектор), які називають голдстоунівськими (або намбу-голдстоунівськими) бозонами. У статистичній фізиці існування збуджень із дисперсійним законом [math]E(q) → 0[/math], [math]q→ 0[/math] при спонтанному порушенні неперервних симетрій строго довів М. Боголюбов (теорема про [math]1/q^2[/math]-сингулярності).

Дж. С. Швінгер розкрив механізм, за якого завдяки сильній взаємодії можуть виникати безмасові частинки. Він запропонував також «іграшкову» модель квантової електродинаміки у двовимірному просторі і часі з безмасовими ферміонами, де цей механізм реалізується явним чином. Фактично, механізм Швінгера генерації мас калібрувальних полів є динамічним механізмом Гіґґса, коли скалярні поля не вводяться явно, а виникають як зв’язані стани ферміонів.

1963 Ф. В. Андерсон, використовуючи формулювання теорії надпровідності у формі Намбу, довів, що кванти електромагнітного поля в надпровіднику отримують масу, пропорційну плазмовій частоті; отримання фотоном маси й ефект Мейснера є фізичною реалізацією механізму Швінгера. Фактично реалізацію механізму Швінгера генерації маси полів Янга — Міллса без уведення елементарних скалярних полів здійснили фізики-теоретики О. Мігдал (нар. 1945; Росія) та О. Поляков.

До розв’язання проблеми безмасових частинок долучилися нобелівські лауреати 2013. Спочатку опубліковано роботу Ф. Енглера і Р. Браута, а за місяць — статтю П. В. Гіґґса. Ф. Енглер і Р. Браут досліджували механізм Швінгера в абелевій калібрувальній теорії з комплексним скалярним полем, тобто у скалярній електродинаміці. Форма потенціальної функції не конкретизувалася, було зроблено припущення, що потенціал є таким, що його мінімальне значення досягається за ненульового значення скалярного поля, яке порушує U(1)-симетрію. Прямим обчисленням продемонстровано, що в поляризаційному операторі за рахунок безмасових голдстоунівських бозонів виникає полюс, що свідчить про масу калібрувального поля. Фізично це означає, що два ступені свободи (поляризації) безмасового векторного поля об’єднуються з безмасовим голдстоунівським бозоном і породжують масивне векторне поле. П. В. Гіґґс звернув увагу, що в калібрувальних теоріях може не виконуватися одна з умов теореми Голдстоуна (лоренцева інваріантність), а саме: можливий вибір такої калібровки, яка порушує явно цю інваріантність. П. В. Гіґґс отримав результат, що векторні калібрувальні бозони стають масивними внаслідок поглинання голдстоунівських бозонів. Він зауважив, що після того, як голдстоунівська мода перетворюється на поздовжню компоненту векторного поля, роблячи його масивним, залишається радіальна мода збудження скалярного поля, яка у квантовому випадку стає масивною скалярною частинкою. Саме ці частинки фізик Бенджамін Лі (1935; Південна Корея — 1977; США) назвав Гіґґсівськими бозонами.

Значення

Колаборації ATLAS і CMS на Великому адронному колайдері дають з урахуванням статистичних і систематичних помилок близькі значення для маси бозона Гіґґса: [math]m_H[/math] = 125,3 ± 0,6 ГеВ. Серед усіх елементарних частинок бозон Гіґґса має квантові числа, які збігаються з квантовими числами вакууму, і є єдиною елементарною скалярною частинкою в Стандартній моделі.

Дослідження в Україні

Теоретичні дослідження механізму Гіґґса, а також генерації мас елементарних частинок в Україні здійснювали в Харківському фізико-технічному інституті НАН України (ХФТІ) та Інституті теоретичної фізики ім. М. М. Боголюбова НАН України (ІТФ). У м. Харкові Д. Волков побудував загальну теорію взаємодії голдстоунівських частинок і разом із В. Акуловим (нар. 1944; тепер Україна) показав, що голдстоунівські частинки можуть бути не тільки бозонами, а й ферміонами. Д. Волков відкрив супергіґґсівський механізм у теорії суперсиметрії, коли калібрувальне поле зі спіном 3/2 (гравітино) поглинає голдстоунівський ферміон зі спіном 1/2 і стає масивним. 1973 разом із В. Сорокою (1944–2011; тепер Україна) він став першовідкривачем теорії супергравітації, в якій супергіґґсівський механізм відіграє значну роль у генерації мас частинок.

У м. Києві в ІТФ група П. Фоміна в 1970–1980-ті виконувала дослідження динамічного механізму Гіґґса і генерації мас частинок за аналогією з теорією надпровідності. Вони розвинули мікроскопічну теорію динамічного порушення кіральної симетрії в калібрувальних теоріях, щоб визначити походження мас адронів і показали, що за динамічним механізмом Гіґґса можуть генеруватися маси глюонів. У теорії електрослабких взаємодій В. Міранський (нар. 1944; тепер Україна) з К. Ямавакі (Японія) та незалежно від Й. Намбу запропонували модель, у якій поле Гіґґса є зв’язаним станом найважчого відомих кварків — топ-кварка та його антикварка.

Українські дослідники задіяні в експериментах із пошуку бозона Гіґґса в Європейській організації з ядерних досліджень, зокрема співробітники ХФТІ П. Сорокін і Л. Левчук беруть участь в експериментальній колаборації CMS з обробки даних. Під керівництвом академіків НАН України І. Карнаухова і Б. Гриньова у Інституті сцинтиляційних матеріалів НАН України (м. Харків) виготовлено монокристалічні пластини для детекторів ЦЕРН. Група провідних науковців із ІТФ під керівництвом члена-кореспондента НАН України Г. Зінов’єва (1941; Росія — 2021; Україна; офіційного представника України в ЦЕРН) брала участь у роботі колаборації ALICE (англ. A Large Ion Collider Experiment) із пошуку кварк-глюонної плазми.

Література

Englert F., Brout R. Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Bosons // Physical Review Letters. 1964. Vol. 13. № 9. P. 321–323.
Higgs P. W. Broken Symmetries and the Masses of Gauge Particles // Physical Review Letters. 1964. Vol. 13. № 16. P. 508–509.
Higgs P. W. Prehistory of the Higgs Boson // Comptes Rendus Physique. 2007. Vol. 8. Is. 9. P. 970–972.
Горбар Е. В., Гусинін В. П. Бозон Гіґґса: передбачення, пошук, відкриття // Вісник Національної академії наук України. 2014. № 3. С. 31–41. URL : https://visnyk-nanu.org.ua/ojs/index.php/v/article/view/1909/4931
The Standard Model // Institute of Physics. URL : https://www.iop.org/explore-physics/big-ideas-physics/standard-model#:~:text=On%204%20July%202012%2C%20physicists,Why%20were%20they%20so%20pleased