ما هو بوزون هيغز. بعبارات بسيطة: بوزون هيغز - ما هو؟

محاكاة توضح مظهر بوزون هيغز عند اصطدام بروتونين

هيغز بوزون هيغز بوزون

بوزون هيغز هو جسيم أولي، يصعب فهم طبيعته دون إعداد مسبق وفهم للقوانين الفيزيائية والفلكية الأساسية للكون.

يتمتع بوزون هيغز بالعديد من الخصائص الفريدة التي سمحت له بالحصول على اسم آخر - جسيم الله. الكم المفتوح له شحنات ملونة وكهربائية، ودوره المغزلي هو في الواقع صفر. هذا يعني أنه ليس لديه دوران كمي. بالإضافة إلى ذلك، يشارك البوزون بشكل كامل في تفاعلات الجاذبية ويكون عرضة للتحلل إلى أزواج من الكوارك b والكوارك المضاد b والفوتونات والإلكترونات والبوزيترونات مع النيوترينوات. ومع ذلك، فإن عرض معلمات هذه العمليات لا يتجاوز 17 ميجا إلكترون فولت. بالإضافة إلى الخصائص المذكورة أعلاه، فإن جسيم هيغز قادر على التحلل إلى لبتونات وبوزونات دبليو. لكن لسوء الحظ، فهي ليست مرئية بشكل جيد بما فيه الكفاية، مما يعقد بشكل كبير دراسة هذه الظاهرة والسيطرة عليها وتحليلها. ومع ذلك، في تلك اللحظات النادرة التي كان من الممكن فيها تسجيلها، كان من الممكن إثبات أنها تتوافق تمامًا مع النماذج الفيزيائية للجسيمات الأولية النموذجية لمثل هذه الحالات.

التنبؤ وتاريخ اكتشاف بوزون هيغز

مخطط فاينمان يوضح احتمالية إنتاج بوزونات W أو Z، والتي عند تفاعلها تشكل بوزون هيغز المحايد

وفي عام 2013، استقبل الإنجليزي بيتر هيجز والمواطن البلجيكي فرانسوا إنجلر جائزة نوبلفي الفيزياء لاكتشاف وإثبات وجود آلية تجعل من الممكن فهم كيف ومن ماذا تنشأ كتل الجسيمات الأولية. ومع ذلك، قبل فترة طويلة من ذلك، تم بالفعل إجراء تجارب ومحاولات مختلفة لاكتشاف بوزون هيغز. مرة أخرى في عام 1993 في أوروبا الغربيةبدأت دراسات مماثلة باستخدام قوة مصادم الإلكترون-بوزيترون الكبير. لكنهم في النهاية لم يتمكنوا من تحقيق النتائج التي توقعها منظمو هذا المشروع بشكل كامل. كما شارك العلم الروسي في دراسة هذه القضية. لذلك في 2008-2009. قام فريق صغير من علماء JINR بإجراء حساب دقيق لكتلة بوزون هيغز. في الآونة الأخيرة، في ربيع عام 2015، قام التعاون المعروف للعالم العلمي بأكمله، ATLAS وCMS، بتعديل كتلة بوزون هيغز مرة أخرى، والتي، وفقًا لهذه المعلومات، تساوي تقريبًا 125.09 ± 0.24 جيجا إلكترون فولت (GeV).

تجارب للبحث عن معلمات بوزون هيغز وتقديرها

كما ذكرنا سابقًا، بدأت تجارب البحث والتقييم الأولية لتحديد كتلة البوزون في عام 1993. تم الانتهاء من البحث الشامل الذي تم إجراؤه في مصادم الإلكترون والبوزيترون الكبير في عام 2001. تم تعديل النتائج التي تم الحصول عليها من هذه التجربة في عام 2004. وفقًا للحسابات المحدثة، كان الحد الأعلى لكتلته يساوي 251 جيجا إلكترون فولت (GeV). في عام 2010، تم اكتشاف اختلاف بنسبة 1% في عدد الميزونات ب والميونات والأنتيمونات التي تظهر أثناء الاضمحلال.

على الرغم من أوجه القصور الإحصائية، استمر تلقي البيانات من مصادم الهادرونات الكبير بانتظام منذ عام 2011. أعطى هذا الأمل في تصحيح المعلومات غير الدقيقة. تم اكتشاف جسيم أولي جديد بعد عام، والذي كان له نفس التكافؤ والقدرة على الاضمحلال مثل بوزون هيغز، وتعرض لانتقادات خطيرة وشكك في عام 2013. ومع ذلك، بحلول نهاية الموسم، أدت معالجة جميع البيانات المتراكمة إلى استنتاجات لا لبس فيها: الجسيم المكتشف الجديد هو بلا شك بوزون هيغز المرغوب فيه وينتمي إلى النموذج الفيزيائي القياسي.

حقائق مثيرة للاهتمام حول بوزون هيغز

مصادم الهادرونات الكبير. أحد الأهداف الرئيسية للمشروع هو الدليل التجريبي على وجود بوزون هيغز وأبحاثه

واحدة من الأكثر إثارة للاهتمام و حقائق لا تصدقأما بخصوص بوزون هيغز فهو في الحقيقة غير موجود في الطبيعة. وبالتالي، فإن هذا الجسيم، على عكس العناصر الأساسية الأخرى، لا يقع في الفضاء المحيط بنا. ويفسر ذلك حقيقة أن بوزون هيغز يختفي على الفور تقريبًا بعد ولادته. يحدث هذا التحول اللحظي من خلال تفكك الجسيم. علاوة على ذلك، خلال أقصر مدة وجود للبوزون، ليس لديه الوقت للتفاعل مع أي شيء آخر.

ومن الحقائق المثيرة للاهتمام والملفتة للانتباه أيضًا ما يسمى بـ "الألقاب" التي تم تخصيصها لبوزون هيغز. دخلت الأسماء المروعة حيز الاستخدام العام بفضل وسائل الإعلام. إحداها صاغها عالم الكم المكتشف حديثًا ليون ليدرمان، الحائز على جائزة نوبل، وبدا وكأنه "الجسيم اللعين". ومع ذلك، لم يتم تضمينها في النسخة المطبوعة من العمل من قبل المحرر وتم استبدالها بـ "جزئ الله" أو "جزيء الله".

أسماء جماعية أخرى لبوزون هيغز

على الرغم من شعبية "ألقاب" ليدرمان التي أطلقها على بوزون هيغز، فإن الغالبية العظمى من العلماء لا يوافقون عليها ويستخدمون في كثير من الأحيان اسمًا "شائعًا" آخر. يُترجم إلى "بوزون زجاجة الشمبانيا". كان أساس ظهور مثل هذه المصطلحات في تسمية بوزون هيغز هو تشابه معين في مجاله المعقد مع الجزء السفلي قارورة زجاجيةمن تحت الشمبانيا. ولا تقل أهمية بالنسبة للعلماء "المشاغبين" عن المقارنة المجازية، التي تشير إلى كثرة شرب الشمبانيا بمناسبة اكتشاف جسيم مهم.

ومن الجدير أيضًا الانتباه إلى حقيقة أن هناك ما يسمى بالنماذج الفيزيائية الخالية من هيغز والتي تم تطويرها حتى قبل اكتشاف البوزون. أنها تنطوي على نوع من تمديد المعيار.

العلم الحديث لا يقف ساكنا، بل يتطور باستمرار وثبات. إن المعرفة المتراكمة في فيزياء اليوم والمجالات ذات الصلة جعلت من الممكن ليس فقط التنبؤ باكتشاف بوزون هيغز، بل أيضًا في الواقع. لكن دراسة خصائصه وتحديد مجالات تطبيق المعلومات التي تم الحصول عليها هي فقط في المرحلة الأولية. ولذلك، لا يزال أمام الفيزيائيين وعلماء الفلك المعاصرين الكثير من العمل والتجارب التي يتعين عليهم القيام بها فيما يتعلق بدراسة هذا الجسيم الأساسي للكون.

ربما يكون الجسيم الأولي هيغز بوزون، الذي سمي على اسم الفيزيائي البريطاني بيتر هيغز، الذي تنبأ نظريًا بوجوده في عام 1964، واحدًا من أكثر الجسيمات غموضًا وإبهارًا في العالم. الفيزياء الحديثة. لقد كانت هي التي تسببت في الكثير من الجدل والنقاش في المجتمع العلمي، حتى أن أحدهم أطلق عليها لقبًا غير عادي مثل "قطعة من الله". هناك أيضًا متشككون يزعمون أن بوزون هيغز غير موجود وكل هذا ليس أكثر من خدعة علمية. ما هو بوزون هيغز في الواقع، وكيف تم اكتشافه، وما هي خصائصه، اقرأ عنه أكثر.

ما هو بوزون هيغز: شرح بلغة بسيطة

لشرح جوهر بوزون هيغز ببساطة ووضوح قدر الإمكان ليس فقط لعالم الفيزياء العلمية، ولكن أيضًا لشخص عادي مهتم بالعلم، من الضروري اللجوء إلى لغة الرموز والمقارنات. على الرغم من أن جميع الرموز والمقارنات المتعلقة بفيزياء الجسيمات الأولية، بالطبع، لا يمكن أن تكون صحيحة ودقيقة. نفس المجال الكهرومغناطيسي أو الموجة الكمومية ليست مجالًا ولا موجة بالمعنى الذي يتخيله الناس عادة، تمامًا كما أن الذرات نفسها ليست بأي حال من الأحوال نسخًا مختزلة النظام الشمسي، حيث تدور الإلكترونات حول النواة الذرية، مثل الكواكب المحيطة. وعلى الرغم من أن الرموز والمقارنات لا تزال لا تنقل جوهر تلك الأشياء التي تحدث فيها فيزياء الكمومع ذلك، فهي تسمح لنا بالاقتراب من فهم هذه الأمور.

حقيقة مثيرة للاهتمام: في عام 1993، أعلن وزير التعليم البريطاني عن مسابقة لأبسط تفسير لما هو بوزون هيغز. وكان الفائز تفسيرا يتعلق بالحفلة.

لذا، تخيل حفلة مزدحمة، ثم يدخل بعض المشاهير (على سبيل المثال، "نجم الروك") إلى الغرفة ويبدأ الضيوف على الفور في متابعتها، ويريد الجميع التواصل مع "النجم"، بينما يتحرك "نجم الروك" نفسه بشكل أبطأ من جميع الضيوف الآخرين. ثم يتجمع الناس في مجموعات منفصلة يناقشون فيها بعض الأخبار أو القيل والقال المتعلقة بنجم الروك هذا، بينما يتحرك الناس بشكل فوضوي من مجموعة إلى أخرى. ونتيجة لذلك، يبدو أن الناس يناقشون القيل والقال، ويحيطون بالمشاهير عن كثب، ولكن دون مشاركته المباشرة. لذا، فإن جميع الأشخاص المشاركين في الحفلة هم حقل هيغز، ومجموعات الأشخاص هي اضطراب في المجال، والنجم نفسه الذي تشكلوا بسببه هو بوزون هيغز.

إذا لم تكن هذه الرمزية واضحة تماما بالنسبة لك، فإليك واحدة أخرى: تخيل طاولة بلياردو سلسة توجد عليها كرات - جزيئات أولية. تنتشر هذه الكرات بسهولة في اتجاهات مختلفة وتتحرك في كل مكان دون عوائق. تخيل الآن أن طاولة البلياردو مغطاة بمادة لزجة تجعل من الصعب على الكرات التحرك عبرها. وهذه الكتلة اللزجة هي مجال هيغز، وكتلة هذا المجال تساوي كتلة الجزيئات التي تلتصق به. بوزون هيغز هو الجسيم الذي يتوافق مع هذا المجال اللزج. أي أنه إذا ضربت طاولة بلياردو بهذه الكتلة اللزجة بقوة، فإن كمية صغيرة من هذه الكتلة اللزجة للغاية ستشكل فقاعة مؤقتًا، والتي ستنتشر قريبًا فوق الطاولة مرة أخرى، وبالتالي، هذه الفقاعة هي بوزون هيغز.

اكتشاف بوزون هيغز

كما كتبنا في البداية، تم اكتشاف بوزون هيغز نظريًا لأول مرة من قبل الفيزيائي البريطاني بيتر هيغز، الذي اقترح أن بعض الجسيمات الأولية غير المعروفة سابقًا كانت متورطة في عملية كسر التناظر الكهروضعيف التلقائي في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. حدث هذا في عام 1964، مباشرة بعد أن بدأ البحث الوجود الحقيقيومع ذلك، فقد عانوا من هذا الجسيم الأولي لسنوات عديدة من الفشل الذريع. ولهذا السبب، بدأ بعض العلماء يطلقون على بوزون هيغز مازحين اسم "الجسيم اللعين" أو "الجسيم الإلهي".

وهكذا، من أجل تأكيد أو نفي وجود "جسيم الله" الغامض هذا، تم بناء مسرع جسيمات عملاق في عام 2012. وأكدت التجارب التي أجريت عليه تجريبيا وجود بوزون هيغز، وحصل مكتشف الجسيم بيتر هيغز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2013 على هذا الاكتشاف.

بالعودة إلى تشبيهنا بطاولة البلياردو، من أجل رؤية بوزون هيغز، كان على الفيزيائيين ضرب هذه الكتلة اللزجة الموجودة على الطاولة بالقوة المناسبة من أجل إخراج فقاعة منها، بوزون هيغز نفسه. لذلك، لم تكن مسرعات الجسيمات في القرن العشرين الماضي قوية جدًا بحيث توفر "ضربة على الطاولة" بالقوة المطلوبة، ولم يساعد إلا مصادم الهادرونات الكبير، الذي تم إنشاؤه في بداية القرن الحادي والعشرين، كما يقولون، الفيزيائيون "يضربون الطاولة" بالقوة المناسبة ويرون بأم أعينهم "قطعة من الله".

فوائد بوزون هيغز

بالنسبة لشخص بعيد عن العلم بشكل عام وعن الفيزياء بشكل خاص، قد يبدو البحث عن جسيم أولي معين بلا معنى، لكن اكتشاف بوزون هيغز له أهمية كبيرة بالنسبة للعلم. بادئ ذي بدء، ستساعد معرفتنا بالبوزون في الحسابات التي يتم إجراؤها في الفيزياء النظرية عند دراسة بنية الكون.

على وجه الخصوص، اقترح الفيزيائيون أن الفضاء المحيط بنا بأكمله مليء بوزونات هيغز. عند التفاعل مع الجسيمات الأولية الأخرى، تنقل البوزونات كتلتها إليها، وإذا كان من الممكن حساب كتلة بعض الجسيمات الأولية، فيمكن أيضًا حساب كتلة بوزون هيغز. وإذا كان لدينا كتلة بوزون هيغز، فبمساعدتها سنذهب الجانب المعاكسيمكننا أيضًا حساب كتل الجسيمات الأولية الأخرى.

بالطبع، كل هذا تفكير هواة للغاية من وجهة نظر الفيزياء الأكاديمية، لكن مجلتنا هي أيضًا علم شعبي، للحديث عن الأمور العلمية الجادة بلغة بسيطة ومفهومة.

خطورة بوزون هيغز

تم تحديد المخاوف بشأن بوزون هيغز والتجارب عليه من قبل العالم البريطاني ستيفن هوكينج. وفقا لهوكينج، فإن بوزون هيغز هو جسيم أولي غير مستقر للغاية، ونتيجة لمجموعة معينة من الظروف، يمكن أن يؤدي إلى انحلال الفراغ والاختفاء الكامل لمفاهيم مثل المكان والزمان. لكن لا تقلق، لكي يحدث شيء كهذا، من الضروري بناء مصادم بحجم كوكبنا بأكمله.

خصائص بوزون هيغز

• بوزون هيغز، مثل الجسيمات الأولية الأخرى، يخضع للتأثير.
• بوزون هيغز لديه دوران صفري (الزخم الزاوي للجسيمات الأولية).
• يمتلك بوزون هيغز شحنة كهربائية ولونية.
• هناك 4 قنوات رئيسية لولادة بوزون هيغز: بعد اندماج 2 غلوون (رئيسي)، اندماج أزواج WW أو ZZ، مصحوبًا بوزون W أو Z، جنبًا إلى جنب مع الكواركات العلوية.
• يضمحل بوزون هيغز إلى زوج ب-كوارك-ب-كوارك مضاد، إلى فوتونين، إلى زوجين إلكترون-بوزيترون و/أو ميون-أنتيمون، أو إلى زوج إلكترون-بوزيترون و/أو ميون-أنتيمون مع زوج نيوترينو.

كلمة للمشككين

وبطبيعة الحال، هناك أيضا متشككون يزعمون أنه لا يوجد بوزون هيجز في الواقع، وأن كل هذا اخترعه العلماء لغرض أناني يتمثل في استخدام أموال دافعي الضرائب في إنفاق أموال دافعي الضرائب كما يفترض. بحث علميالجسيمات الأولية، ولكن في الواقع في جيوب بعض الناس.

هيغز بوزون، فيديو

وفي الختام فيديو وثائقي مثير للاهتمام عن بوزون هيغز.

نحن، فريق Quantuz، (نحاول الانضمام إلى مجتمع GT) نقدم ترجمتنا لقسم موقع Particleadventure.org المخصص لبوزون هيغز. لقد استبعدنا في هذا النص الصور غير المفيدة (للنسخة الكاملة، انظر النسخة الأصلية). ستكون المادة موضع اهتمام أي شخص مهتم بأحدث إنجازات الفيزياء التطبيقية.

دور بوزون هيغز

وكان بوزون هيغز آخر جسيم تم اكتشافه في النموذج القياسي. وهذا عنصر حاسم في النظرية. ساعد اكتشافه في تأكيد آلية كيفية اكتساب الجسيمات الأساسية للكتلة. هذه الجسيمات الأساسية في النموذج القياسي هي الكواركات واللبتونات والجسيمات الحاملة للقوة.

نظرية 1964

في عام 1964، افترض ستة من علماء الفيزياء النظرية وجود مجال جديد (مثل المجال الكهرومغناطيسي) يملأ كل الفضاء ويحل مشكلة حرجة في فهمنا للكون.

وبشكل مستقل، طور فيزيائيون آخرون نظرية للجسيمات الأساسية، والتي أطلق عليها في النهاية النموذج القياسي، والتي قدمت دقة هائلة (تصل الدقة التجريبية لبعض أجزاء النموذج القياسي إلى 1 في 10 مليار. وهذا يعادل التنبؤ بالمسافة بين نيويورك وسان فرانسيسكو. فرانسيسكو بدقة حوالي 0.4 ملم). وتبين أن هذه الجهود مترابطة بشكل وثيق. احتاج النموذج القياسي إلى آلية تمكن الجزيئات من اكتساب الكتلة. تم تطوير نظرية المجال بواسطة بيتر هيجز، وروبرت بروت، وفرانسوا إنجليرت، وجيرالد جورالنيك، وكارل هاغن، وتوماس كيبل.

بوسون

أدرك بيتر هيجز أنه، قياسًا على المجالات الكمومية الأخرى، يجب أن يكون هناك جسيم مرتبط بهذا المجال الجديد. يجب أن يكون له دوران يساوي الصفر، وبالتالي يكون بوزونًا - جسيم ذو دوران صحيح (على عكس الفرميونات، التي لها دوران نصف عدد صحيح: 1/2، 3/2، وما إلى ذلك). وبالفعل سرعان ما أصبح يعرف باسم هيغز بوزون. وكان عيبها الوحيد هو أن أحدا لم يراها.

ما هي كتلة البوزون؟

ولسوء الحظ، فإن النظرية التي تنبأت بالبوزون لم تحدد كتلته. مرت السنوات حتى أصبح من الواضح أن بوزون هيغز لا بد أن يكون ثقيلًا للغاية وعلى الأرجح بعيدًا عن متناول المنشآت التي بنيت قبل مصادم الهادرونات الكبير (LHC).

تذكر أنه وفقًا لمعادلة E=mc 2، كلما زادت كتلة الجسيم، زادت الطاقة اللازمة لتكوينه.

في الوقت الذي بدأ فيه المصادم LHC بجمع البيانات في عام 2010، أظهرت التجارب التي أجريت على مسرعات أخرى أن كتلة بوزون هيغز يجب أن تكون أكبر من 115 GeV/c2. أثناء التجارب في LHC، تم التخطيط للبحث عن دليل على وجود بوزون في نطاق الكتلة 115-600 GeV/c2 أو حتى أعلى من 1000 GeV/c2.

وفي كل عام، كان من الممكن تجريبيًا استبعاد البوزونات ذات الكتل الأعلى. وفي عام 1990 كان معروفًا أن الكتلة المطلوبة يجب أن تكون أكبر من 25 GeV/c2، وفي عام 2003 تبين أنها أكبر من 115 GeV/c2

يمكن للتصادمات في مصادم الهادرونات الكبير أن تنتج الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام

يتحدث دينيس أوفرباي في صحيفة نيويورك تايمز عن إعادة خلق ظروف جزء من تريليون من الثانية بعد الانفجار الكبير ويقول:

« ...بقايا [الانفجار] في هذا الجزء من الكون لم تُرى منذ أن برد الكون قبل 14 مليار سنة - ربيع الحياة عابر، مرارًا وتكرارًا بكل اختلافاته المحتملة، كما لو كان الكون كانوا يشاركون في نسختهم الخاصة من الفيلم يوم جرذ الأرض»

قد يكون أحد هذه "البقايا" هو بوزون هيغز. يجب أن تكون كتلتها كبيرة جدًا، ويجب أن تتحلل في أقل من نانوثانية.

إعلان

وبعد نصف قرن من الترقب، أصبحت الدراما شديدة. نام الفيزيائيون خارج القاعة ليأخذوا مقاعدهم في ندوة في مختبر CERN في جنيف.

على بعد عشرة آلاف ميل، على الجانب الآخر من الكوكب، في مؤتمر دولي مرموق حول فيزياء الجسيمات في ملبورن، مئات العلماء من جميع أنحاء العالم الكرة الأرضيةاجتمعوا للاستماع إلى بث الندوة من جنيف.

لكن أولاً، دعونا نلقي نظرة على الخلفية.

الألعاب النارية 4 يوليو

في 4 يوليو 2012، قدم مديرو تجارب ATLAS وCMS في مصادم الهادرونات الكبير أحدث نتائجهم في البحث عن بوزون هيغز. كانت هناك شائعات بأنهم سيقدمون تقريرًا أكثر من مجرد تقرير النتائج، ولكن ماذا؟

من المؤكد أنه عندما تم تقديم النتائج، أفاد كلا التعاونين اللذين أجريا التجارب أنهما عثرا على دليل على وجود جسيم "يشبه بوزون هيغز" بكتلة تبلغ حوالي 125 جيجا إلكترون فولت. لقد كان بالتأكيد جسيمًا، وإذا لم يكن بوزون هيغز، فهو تقليد عالي الجودة له.

لم تكن الأدلة قاطعة؛ فقد حصل العلماء على نتائج خمسة سيجما، مما يعني أن هناك فرصة أقل من واحد في المليون أن تكون البيانات مجرد خطأ إحصائي.

يتحلل بوزون هيغز إلى جسيمات أخرى

يتحلل بوزون هيغز إلى جسيمات أخرى بعد إنتاجه مباشرة تقريبًا، لذلك يمكننا فقط ملاحظة نواتج اضمحلاله. يظهر الشكل الأكثر شيوعًا (من بين تلك التي يمكننا رؤيتها):

يُعرف كل نمط من أنماط اضمحلال بوزون هيغز باسم "قناة الاضمحلال" أو "وضع الاضمحلال". على الرغم من أن الوضع bb شائع، إلا أن العديد من العمليات الأخرى تنتج جسيمات مماثلة، لذلك إذا لاحظت اضمحلال bb، فمن الصعب جدًا معرفة ما إذا كانت الجسيمات ناتجة عن بوزون هيغز أو أي شيء آخر. نقول أن وضع اضمحلال bb له "خلفية واسعة".

أفضل قنوات الاضمحلال للبحث عن بوزون هيغز هي قنوات الفوتونات واثنين من البوزونات Z.*

*(من الناحية الفنية، بالنسبة لكتلة بوزون هيغز تبلغ 125 جيجا إلكترون فولت، فإن الاضمحلال إلى بوزونين Z غير ممكن، نظرًا لأن كتلة بوزون Z تبلغ 91 جيجا إلكترون فولت، مما يجعل كتلة الزوج تبلغ 182 جيجا إلكترون فولت، أي أكبر من 125 جيجا إلكترون فولت. ما نلاحظه هو اضمحلال إلى بوزون Z وبوزون Z افتراضي (Z*)، وكتلته أصغر بكثير.)

اضمحلال بوزون هيغز إلى Z + Z

لدى بوزونات Z أيضًا العديد من أنماط الاضمحلال، بما في ذلك Z → e+ + ه- وZ → μ+ + µ-.

كان وضع اضمحلال Z + Z بسيطًا للغاية بالنسبة لتجارب ATLAS وCMS، حيث يضمحل كل من بوزونات Z في أحد الوضعين (Z → e+ e- أو Z → μ+ μ-). يوضح الشكل أربعة أنماط اضمحلال ملحوظة لبوزون هيغز:

والنتيجة النهائية هي أنه في بعض الأحيان يرى الراصد (بالإضافة إلى بعض الجسيمات غير المرتبطة) أربعة ميونات، أو أربعة إلكترونات، أو اثنين من الميونات وإلكترونين.

كيف سيبدو بوزون هيغز في كاشف أطلس

في هذا الحدث، بدا أن «النفث» (النفاث) يتجه للأسفل، وكان بوزون هيجز يصعد للأعلى، لكنه اضمحل على الفور تقريبًا. تسمى كل صورة تصادم "حدثًا".

مثال لحدث مع احتمال اضمحلال بوزون هيغزعلى شكل رسم متحرك جميل لاصطدام بروتونين في مصادم الهادرونات الكبير، يمكنكم مشاهدته على الموقع المصدر على هذا الرابط.

في هذه الحالة، يمكن إنتاج بوزون هيغز ومن ثم يضمحل على الفور إلى بوزونين Z، اللذين بدورهما يضمحلان على الفور (مخلفين ميونين وإلكترونين).

آلية تعطي كتلة للجزيئات

يعد اكتشاف بوزون هيغز بمثابة دليل لا يصدق على كيفية اكتساب الجسيمات الأساسية للكتلة، كما ادعى هيغز، وبروت، وإنجلر، وجيرالد، وكارل، وكيبل. أي نوع من الآلية هذا؟ هذه نظرية رياضية معقدة للغاية، ولكن يمكن فهم فكرتها الرئيسية من خلال تشبيه بسيط.

تخيل مساحة مليئة بمجال هيغز، مثل مجموعة من الفيزيائيين يتواصلون بهدوء مع بعضهم البعض مع الكوكتيلات...
في مرحلة ما، يدخل بيتر هيغز ويخلق الإثارة أثناء تحركه عبر الغرفة، ويجذب مجموعة من المعجبين في كل خطوة...

قبل دخول الغرفة، كان البروفيسور هيجز يتحرك بحرية. لكن بعد دخوله غرفة مليئة بالفيزيائيين، انخفضت سرعته. قامت مجموعة من المعجبين بإبطاء حركته عبر الغرفة. وبعبارة أخرى، اكتسب كتلة. وهذا مشابه لجسيم عديم الكتلة يكتسب كتلة عند التفاعل مع مجال هيغز.

ولكن كل ما أراده هو الوصول إلى الحانة!

(تعود فكرة القياس إلى البروفيسور ديفيد ج. ميلر من جامعة كوليدج لندن، الذي فاز بالجائزة عن تفسير يسهل الوصول إليه لبوزون هيغز - © CERN)

كيف يحصل بوزون هيغز على كتلته؟

من ناحية أخرى، مع انتشار الأخبار في جميع أنحاء الغرفة، يشكلون أيضًا مجموعات من الأشخاص، ولكن هذه المرة حصريًا من الفيزيائيين. يمكن لمثل هذه المجموعة التحرك ببطء في جميع أنحاء الغرفة. مثل الجسيمات الأخرى، يكتسب بوزون هيغز كتلة ببساطة عن طريق التفاعل مع مجال هيغز.

العثور على كتلة بوزون هيغز

كيف يمكنك العثور على كتلة بوزون هيغز إذا اضمحل إلى جزيئات أخرى قبل أن نكتشفها؟

إذا قررت تجميع دراجة وتريد معرفة كتلتها، فيجب عليك جمع كتل أجزاء الدراجة: عجلتان، والإطار، والمقود، والسرج، وما إلى ذلك.

لكن إذا كنت تريد حساب كتلة بوزون هيغز من الجسيمات التي اضمحلت إليها، فلا يمكنك ببساطة جمع الكتل. ولم لا؟

إن جمع كتل جسيمات اضمحلال بوزون هيغز لا ينجح، لأن هذه الجسيمات لديها طاقة حركية هائلة مقارنة بالطاقة الباقية (تذكر أنه بالنسبة للجسيم الساكن E = mc 2). ويرجع ذلك إلى حقيقة أن كتلة بوزون هيغز أكبر بكثير من كتل المنتجات النهائية لتحللها، وبالتالي فإن الطاقة المتبقية تذهب إلى مكان ما، أي في الطاقة الحركية للجسيمات التي تنشأ بعد التحلل. تخبرنا النسبية باستخدام المعادلة أدناه لحساب "الكتلة الثابتة" لمجموعة من الجسيمات بعد الاضمحلال، والتي ستعطينا كتلة "الأم"، بوزون هيغز:

ه 2 = ع 2 ج 2 + م 2 ج 4

العثور على كتلة بوزون هيغز من نواتج اضمحلاله

ملاحظة كوانتوز: نحن هنا غير متأكدين بعض الشيء من الترجمة، نظرًا لوجود مصطلحات خاصة متضمنة. نقترح مقارنة الترجمة بالمصدر تحسبًا.

عندما نتحدث عن الاضمحلال مثل H → Z + Z* → e+ + ه- + µ+ + μ-، فإن المجموعات الأربع المحتملة الموضحة أعلاه يمكن أن تنشأ من اضمحلال بوزون هيغز وعمليات الخلفية، لذلك نحن بحاجة إلى إلقاء نظرة على الرسم البياني للكتلة الإجمالية للجسيمات الأربعة في هذه المجموعات.

يشير الرسم البياني للكتلة إلى أننا نلاحظ عددًا كبيرًا من الأحداث ونلاحظ عدد تلك الأحداث عند الحصول على الكتلة الثابتة الناتجة. يبدو وكأنه رسم بياني لأن قيم الكتلة الثابتة مقسمة إلى أعمدة. يُظهر ارتفاع كل عمود عدد الأحداث التي تكون فيها الكتلة الثابتة في النطاق المقابل.

قد نتصور أن هذه هي نتائج اضمحلال بوزون هيغز، ولكن هذا ليس هو الحال.

بيانات هيغز بوزون من الخلفية

تُظهر المناطق الحمراء والأرجوانية في الرسم البياني "الخلفية" التي يظهر فيها عدد أحداث اللبتون الأربعة المتوقع حدوثها دون مشاركة بوزون هيغز.

تمثل المنطقة الزرقاء (انظر الرسوم المتحركة) تنبؤ "الإشارة"، حيث يشير عدد أحداث أربعة لبتونات إلى نتيجة اضمحلال بوزون هيغز. يتم وضع الإشارة في الجزء العلوي من الخلفية لأنه من أجل الحصول على العدد الإجمالي المتوقع للأحداث، ما عليك سوى إضافة جميع النتائج المحتملة للأحداث التي يمكن أن تحدث.

توضح النقاط السوداء عدد الأحداث المرصودة، بينما تمثل الخطوط السوداء التي تمر عبر النقاط عدم اليقين الإحصائي في هذه الأرقام. يعد الارتفاع في البيانات (انظر الشريحة التالية) عند 125 جيجا إلكترون فولت علامة على وجود جسيم جديد بقوة 125 جيجا إلكترون فولت (بوزون هيجز).

توجد صورة متحركة لتطور البيانات الخاصة ببوزون هيغز أثناء تراكمها على الموقع الإلكتروني الأصلي.

ترتفع إشارة بوزون هيغز ببطء فوق الخلفية.

بيانات من بوزون هيغز تتحلل إلى فوتونين

تتحلل إلى فوتونين (H → γ + γ) لديه خلفية أوسع، ولكن مع ذلك يتم تمييز الإشارة بوضوح.

هذا رسم بياني للكتلة الثابتة لتحلل بوزون هيغز إلى فوتونين. كما ترون، الخلفية واسعة جدًا مقارنة بالرسم البياني السابق. وذلك لأن عدد العمليات التي تنتج فوتونين أكبر بكثير من عدد العمليات التي تنتج أربعة لبتونات.

يظهر الخط الأحمر المتقطع الخلفية، ويظهر الخط الأحمر السميك مجموع الخلفية والإشارة. نحن نرى أن البيانات تتفق جيدًا مع جسيم جديد يبلغ حوالي 125 جيجا إلكترون فولت.

عيوب البيانات الأولى

كانت البيانات مقنعة ولكنها لم تكن مثالية وكانت بها قيود كبيرة. بحلول 4 يوليو 2012، لم تكن هناك إحصائيات كافية لتحديد المعدل الذي يضمحل به الجسيم (بوزون هيغز) إلى مجموعات مختلفة من الجسيمات الأقل كتلة (ما يسمى "نسب التفرع") التي تنبأ بها النموذج القياسي.

"نسبة التفرع" هي ببساطة احتمال اضمحلال الجسيم عبر قناة اضمحلال معينة. يتم التنبؤ بهذه النسب بواسطة النموذج القياسي ويتم قياسها من خلال مراقبة اضمحلال نفس الجسيمات بشكل متكرر.

يوضح الرسم البياني التالي أفضل قياسات نسب التفرع التي يمكننا إجراؤها اعتبارًا من عام 2013. وبما أن هذه هي النسب التي تنبأ بها النموذج القياسي، فإن التوقع هو 1.0. النقاط هي القياسات الحالية. من الواضح أن أشرطة الخطأ (الخطوط الحمراء) لا تزال في الغالب كبيرة جدًا بحيث لا يمكن استخلاص استنتاجات جدية. يتم تقصير هذه المقاطع عند تلقي بيانات جديدة وربما تتحرك النقاط.

كيف تعرف أن شخصًا ما يراقب حدثًا مرشحًا لبوزون هيغز؟ هناك معايير فريدة تميز مثل هذه الأحداث.

هل الجسيم هو بوزون هيغز؟

وبينما تم الكشف عن اضمحلال الجسيم الجديد، إلا أن معدل حدوثه كان لا يزال غير واضح بحلول الرابع من يوليو. ولم يكن من المعروف حتى ما إذا كان الجسيم المكتشف يحمل أرقام الكم الصحيحة، أي ما إذا كان لديه الدوران والتكافؤ اللازمين لبوزون هيغز.

بمعنى آخر، في الرابع من يوليو، بدا الجسيم مثل البطة، لكننا كنا بحاجة للتأكد من أنه يسبح مثل البطة ويصدر صوتًا مثل البطة.

أظهرت جميع النتائج من تجارب ATLAS وCMS لمصادم الهادرونات الكبير (وكذلك مصادم تيفاترون في فيرميلاب) بعد 4 يوليو 2012 اتفاقًا ملحوظًا مع نسب التفرع المتوقعة لأنماط الانحلال الخمسة التي تمت مناقشتها أعلاه، واتفاقًا مع الدوران المتوقع (يساوي صفر) والتكافؤ (يساوي +1)، وهما أرقام الكم الأساسية.

هذه المعلمات مهمة في تحديد ما إذا كان الجسيم الجديد هو بوزون هيغز حقًا أم أنه جسيم آخر غير متوقع. لذا فإن جميع الأدلة المتاحة تشير إلى بوزون هيغز من النموذج القياسي.

واعتبر بعض الفيزيائيين هذا الأمر مخيبا للآمال! إذا كان الجسيم الجديد هو بوزون هيغز من النموذج القياسي، فإن النموذج القياسي مكتمل بشكل أساسي. وكل ما يمكن فعله الآن هو أخذ قياسات بدقة متزايدة لما تم اكتشافه بالفعل.

لكن إذا تبين أن الجسيم الجديد شيء لم يتنبأ به النموذج القياسي، فإنه سيفتح الباب أمام العديد من النظريات والأفكار الجديدة التي سيتم اختبارها. تتطلب النتائج غير المتوقعة دائمًا تفسيرات جديدة وتساعد في دفع الفيزياء النظرية إلى الأمام.

من أين أتت الكتلة في الكون؟

في المادة العادية، الجزء الأكبر من الكتلة موجود في الذرات، وبشكل أكثر دقة، موجود في نواة تتكون من البروتونات والنيوترونات.

تتكون البروتونات والنيوترونات من ثلاثة كواركات، والتي تكتسب كتلتها من خلال التفاعل مع مجال هيغز.

لكن... تساهم كتل الكواركات بحوالي 10 ميغا إلكترون فولت، أي حوالي 1% من كتلة البروتون والنيوترون. إذن من أين تأتي الكتلة المتبقية؟

اتضح أن كتلة البروتون تنشأ من الطاقة الحركية للكواركات المكونة له. كما تعلم بالطبع، ترتبط الكتلة والطاقة بالمساواة E=mc2.

لذا فإن جزءًا صغيرًا فقط من كتلة المادة العادية في الكون ينتمي إلى آلية هيجز. ومع ذلك، كما سنرى في القسم التالي، فإن الكون سيكون غير صالح للسكن تمامًا بدون كتلة هيغز، ولن يكون هناك من يكتشف آلية هيغز!

إذا لم يكن هناك مجال هيغز؟

لو لم يكن هناك مجال هيغز، كيف سيكون شكل الكون؟

الأمر ليس بهذا الوضوح.

من المؤكد أنه لا يوجد شيء يربط الإلكترونات الموجودة في الذرات. سوف يطيرون بعيدًا بسرعة الضوء.

لكن الكواركات مقيدة بتفاعل قوي ولا يمكن أن توجد في شكل حر. قد يتم الحفاظ على بعض الحالات المرتبطة للكواركات، ولكن ليس من الواضح ما يتعلق بالبروتونات والنيوترونات.

كل هذا من المحتمل أن يكون مادة شبيهة بالنووية. وربما انهار كل هذا نتيجة الجاذبية.

حقيقة نحن متأكدون منها: سيكون الكون باردًا ومظلمًا وخاليًا من الحياة.
لذا فإن بوزون هيغز ينقذنا من عالم بارد ومظلم وخالي من الحياة حيث لا يوجد أشخاص لاكتشاف بوزون هيغز.

هل بوزون هيغز هو بوزون من النموذج القياسي؟

ونحن نعلم على وجه اليقين أن الجسيم الذي اكتشفناه هو بوزون هيغز. ونعلم أيضًا أنه يشبه إلى حد كبير بوزون هيغز الموجود في النموذج القياسي. لكن هناك نقطتان لم يتم إثباتهما بعد:

1. على الرغم من أن بوزون هيغز ينتمي إلى النموذج القياسي، إلا أن هناك اختلافات صغيرة تشير إلى وجوده فيزياء جديدة(غير معروف الآن).
2. يوجد أكثر من بوزون هيغز، وبكتل مختلفة. ويشير هذا أيضًا إلى أنه ستكون هناك نظريات جديدة لاستكشافها.

الوقت والبيانات الجديدة فقط هي التي ستكشف إما عن نقاء النموذج القياسي والبوزونات أو النظريات الفيزيائية الجديدة والمثيرة.

لكن ممثلي الأديان يحثون الصحفيين والعلماء بنشاط على عدم وصف بوزون هيغز بأنه جسيم من الله. يشير هذا اللقب للجسيم الأولي المكتشف إلى أنه سيتم الكشف عن سر الخلق عاجلاً أم آجلاً العالم العلميوسوف تصبح في متناول العقل البشري. وهذا، بحسب العديد من الأديان، مغالطة مطلقة. لا يمكن تعيين الصفات الإلهية للجسيمات الأولية، وإلا فسيبدو أن العلم يحاول إنشاء عملية الخلق بشكل مصطنع في المختبر أو دراسة الله باستخدام الوسائل الحديثة.

كما أصبح الفلاسفة معارضين لاستخدام مصطلح "جسيم الله". صعود باطني علوم طبيعيةتذكرنا بالتفسيرات القديمة لسر الخلق، الذي حاول اللاهوتيون والفلاسفة القدماء حله. بالإضافة إلى ذلك، من خلال تسمية الجسيم الأولي بأنه جسيم الله، يتم تحقيق الوعد بالكشف عن كل الفضاء، واكتشاف الجسيم الأخير، وبعد ذلك يتم فتح المزيد. ومن ثم فإن نتائج الأبحاث الفلسفية واللاهوتية لا يمكن الاستعاضة عنها بأبحاث الفيزياء الحديثة.

إن اسم "جسيم الرب" ليس أكثر من تكتيك تسويقي ظهر بعد أن نشر ليون ريدرمان ورقته البحثية حول مشكلة بوزون هيغز. صدر كتاب "جسيم الإله" عام 1993. ومنذ ذلك الحين، اكتسب بوزون هيغز "" هذا شعبيته. ومع ذلك، فإن الفيزيائيين أنفسهم يتعاملون مع هذا المصطلح الطنان بسخرية ويحاولون عدم استخدامه.

ومع ذلك، فإن اكتشاف بوزون هيغز مهم للغاية للعلوم الحديثة. إنه، وفقًا للنموذج القياسي لبنية الكون، هو الذي يمنح العلم المفتاح لكشف آلية تكوين الكتلة. ويعتقد الفيزيائيون أيضًا أن الانفجار الكبير، الذي حدث قبل 13.7 مليار سنة وكان بمثابة بداية الكون، لم يكن من الممكن أن يحدث بدون مشاركة هذا البوزون. لقد كانت القوة التي أدت إلى ظهور هذا الجسيم الأولي هي التي أدت إلى تكوين المجرات والنجوم والكواكب من المجرات البدائية. ويترتب على ذلك أنه من خلال اكتشاف بوزون هيغز، اقترب العلماء من حل أصل الكون وحصلوا على تأكيد لنموذج بنيته.

بالإضافة إلى ذلك، فإن الاسم الساخر "جسيم الرب" يتحدث أيضًا عن الصعوبات التي واجهها العلماء في إثبات وجود الجسيم الافتراضي، الذي تنبأ به لأول مرة هيجز في عام 1964. ل تجربة علميةوللحصول على جسيم الرب تم بناء مصادم الهادرونات الكبير الذي بلغت تكلفته أكثر من 8 مليارات دولار. ثم لعدة سنوات لم يتمكنوا من تشغيله. والآن علينا أن نثبت أن الجسيم المكتشف هو الجسيم المفقود في النموذج القياسي للكون.

الأكاديمي فاليري روباكوف، المعهد البحوث النووية RAS وجامعة موسكو الحكومية.

في الرابع من يوليو 2012، وقع حدث ذو أهمية بارزة للفيزياء: في ندوة في CERN (المركز الأوروبي للأبحاث النووية)، تم الإعلان عن اكتشاف جسيم جديد، والذي، كما أعلن مؤلفو الاكتشاف بعناية، يتوافق مع في خصائصه إلى البوزون الأولي المتوقع نظريًا في النموذج القياسي لجسيمات الفيزياء الأولية. يُطلق عليه عادةً اسم بوزون هيغز، على الرغم من أن هذا الاسم ليس كافيًا تمامًا. مهما كان الأمر، فإننا نتحدث عن اكتشاف أحد الأشياء الرئيسية في الفيزياء الأساسية، والذي ليس له نظائر بين الجسيمات الأولية المعروفة ويحتل مكانًا فريدًا في الصورة المادية للعالم (انظر "العلم والحياة" العدد 1، 1996، مقال "بوزون هيغز ضروري!").

تم تصميم كاشف LHC-B لدراسة خصائص الميزونات B - الهادرونات التي تحتوي على كوارك b. تتفكك هذه الجزيئات بسرعة، ولا يتوفر لها الوقت الكافي للابتعاد عن شعاع الجسيمات إلا لجزء من المليمتر. الصورة: ماكسيميليان برايس، CERN.

الجسيمات الأولية للنموذج القياسي. تحتوي جميعها تقريبًا على جسيمات مضادة خاصة بها، والتي يتم تحديدها برمز مع علامة التلدة في الأعلى.

التفاعلات في العالم الصغير. يحدث التفاعل الكهرومغناطيسي بسبب انبعاث وامتصاص الفوتونات (أ). التفاعلات الضعيفة ذات طبيعة مماثلة: فهي ناتجة عن انبعاث أو امتصاص أو اضمحلال بوزونات Z (ب) أو بوزونات W (ج).

يضمحل بوزون هيغز H (اللف المغزلي 0) إلى فوتونين (اللف المغزلي 1)، اللذان تدوران بشكل مضاد للتوازي ومجموعهما يصل إلى 0.

عندما ينبعث فوتون أو ينبعث بوزون Z بواسطة إلكترون سريع، فإن إسقاط دورانه على اتجاه الحركة لا يتغير. يُظهر السهم الدائري الدوران الداخلي للإلكترون.

في المجال المغناطيسي المنتظم، يتحرك الإلكترون في خط مستقيم على طول المجال وبشكل حلزوني في أي اتجاه آخر.

الفوتون ذو الطول الموجي الطويل، وبالتالي الطاقة المنخفضة، غير قادر على حل بنية π-meson - زوج كوارك وكوارك مضاد.

تتسارع الجسيمات إلى طاقات هائلة في مصادم الهادرونات الكبير، مما يؤدي إلى توليد العديد من الجسيمات الثانوية - نواتج التفاعل. ومن بينها، تم اكتشاف بوزون هيغز، الذي كان الفيزيائيون يأملون في العثور عليه منذ ما يقرب من نصف قرن.

أثبت الفيزيائي الإنجليزي بيتر دبليو هيغز في أوائل الستينيات أنه في النموذج القياسي للجسيمات الأولية لا بد أن يكون هناك بوزون آخر - وهو كم المجال الذي يخلق كتلة في المادة.

ما حدث في الندوة وقبلها

تم الإعلان عن الندوة في نهاية شهر يونيو، وأصبح من الواضح على الفور أنها ستكون استثنائية. والحقيقة هي أنه تم تلقي المؤشرات الأولى لوجود بوزون جديد في ديسمبر 2011 في تجارب ATLAS وCMS التي أجريت في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في CERN. بالإضافة إلى ذلك، قبل وقت قصير من الندوة، ظهرت رسالة مفادها أن البيانات المأخوذة من التجارب التي أجريت في مصادم تيفاترون للبروتون والبروتون المضاد (فيرميلاب، الولايات المتحدة الأمريكية) تشير أيضًا إلى وجود بوزون جديد. كل هذا لم يكن كافيا بعد للحديث عن الاكتشاف. لكن منذ ديسمبر/كانون الأول، تضاعفت كمية البيانات المجمعة في مصادم الهادرون الكبير، وأصبحت طرق معالجتها أكثر تقدما. وكانت النتيجة مبهرة: ففي كل تجربة من تجارب ATLAS وCMS على حدة، وصلت الموثوقية الإحصائية للإشارة إلى قيمة تعتبر مستوى الاكتشاف في فيزياء الجسيمات (خمسة انحرافات معيارية).

وأقيمت الندوة في جو احتفالي. وبالإضافة إلى الباحثين العاملين في المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) والطلاب الذين يدرسون هناك في البرامج الصيفية، فقد تمت "زيارتها" عبر الإنترنت من قبل المشاركين في أكبر مؤتمر حول فيزياء الطاقة العالية، والذي افتتح في ملبورن في نفس اليوم. تم بث الندوة على شبكة الإنترنت في المراكز العلميةوالجامعات في جميع أنحاء العالم، بما في ذلك روسيا بالطبع. بعد الأداء الرائع الذي قدمه قادة التعاون في CMS - جو إنكانديلا وأطلس - فابيولا جيانوتي، اختتم المدير العام لـ CERN رولف هوير: "أعتقد أننا حصلنا عليها!" ("أعتقد أن الأمر بين أيدينا!").

إذن ما الذي "في أيدينا" ولماذا توصل إليه المنظرون؟

ما هو الجسيم الجديد؟

يُطلق على النسخة البسيطة من نظرية العالم الصغير اسم النموذج القياسي. ويشمل جميع الجسيمات الأولية المعروفة (ندرجها أدناه) وجميع التفاعلات المعروفة بينها. ويقف تفاعل الجاذبية منفصلا: فهو لا يعتمد على أنواع الجسيمات الأولية، ولكنه موصوف في النظرية النسبية العامة لأينشتاين. ظل بوزون هيغز العنصر الوحيد في النموذج القياسي الذي لم يتم اكتشافه حتى وقت قريب.

لقد أطلقنا على النموذج القياسي اسم الحد الأدنى على وجه التحديد لأنه لا يحتوي على جسيمات أولية أخرى. وعلى وجه الخصوص، فهو يحتوي على بوزون هيغز واحد فقط، وهو جسيم أولي، وليس جسيمًا مركبًا (ستتم مناقشة الاحتمالات الأخرى أدناه). تم اختبار معظم جوانب النموذج القياسي - باستثناء القطاع الجديد الذي ينتمي إليه بوزون هيغز - في تجارب عديدة، والمهمة الرئيسية في برنامج عمل LHC هي معرفة ما إذا كانت النسخة الدنيا من النظرية موجودة بالفعل أم لا. يتم تنفيذها في الطبيعة ومدى وصفها للعالم الصغير بشكل كامل.

أثناء تنفيذ هذا البرنامج، تم اكتشاف جسيم جديد ثقيل جدًا وفقًا لمعايير فيزياء العالم الصغير. في هذا المجال من العلوم، تقاس الكتلة بوحدات الطاقة، مع الأخذ في الاعتبار العلاقة E = mс 2 بين الكتلة وطاقة الراحة. وحدة الطاقة هي الإلكترون فولت (eV) - الطاقة التي يكتسبها الإلكترون بعد المرور عبر فرق جهد قدره 1 فولت، ومشتقاتها - MeV (مليون، 10 6 eV)، GeV (مليار، 10 9 eV)، TeV (تريليون، 10 12 فولت). كتلة الإلكترون في هذه الوحدات هي 0.5 ميجا إلكترون فولت، والبروتون حوالي 1 جيجا إلكترون فولت، وأثقل جسيم أولي معروف، تي-كوارك، هو 173 جيجا إلكترون فولت. لذا، فإن كتلة الجسيم الجديد هي 125-126 جيجا إلكترون فولت (يرتبط عدم اليقين بخطأ القياس). دعونا نسمي هذا الجسيم الجديد N.

ليس لديها شحنة كهربائية، وهي غير مستقرة ويمكن أن تتحلل بطرق مختلفة. تم اكتشافه في مصادم الهادرونات الكبير CERN من خلال دراسة الاضمحلال إلى فوتونين، H → γγ، وإلى اثنين من أزواج إلكترون-بوزيترون و/أو ميون-أنتيمون، H → e + e - e + e - , H → e + e - μ + μ - , H → μ + μ - μ + μ-. النوع الثاني من العمليات يُكتب بالصيغة H → 4ℓ، حيث يشير ℓ إلى أحد الجسيمات e + أو e - أو μ + أو μ - (يُطلق عليها اسم اللبتونات). أبلغ كل من CMS وATLAS أيضًا عن بعض الأحداث الزائدة، والتي يمكن تفسيرها من خلال اضمحلال H → 2ℓ2ν، حيث ν عبارة عن نيوترينو. ومع ذلك، فإن هذا الفائض ليس له بعد أهمية إحصائية عالية.

بشكل عام، كل ما هو معروف الآن عن الجسيم الجديد يتوافق مع تفسيره على أنه بوزون هيغز، والذي تنبأت به أبسط نسخة من نظرية الجسيمات الأولية - النموذج القياسي. باستخدام النموذج القياسي، من الممكن حساب كل من احتمالية إنتاج بوزون هيغز في تصادمات البروتونات في مصادم الهادرونات الكبير واحتمالات اضمحلاله، وبالتالي التنبؤ بعدد الأحداث المتوقعة. تم تأكيد التوقعات جيدًا من خلال التجارب، ولكن بالطبع ضمن حدود الخطأ. لا تزال الأخطاء التجريبية كبيرة، ولا يزال هناك عدد قليل جدًا من القيم المقاسة. ومع ذلك، فمن الصعب الشك في أنه تم اكتشاف بوزون هيغز أو شيء مشابه جدًا له، لا سيما بالنظر إلى أن هذه الاضمحلالات يجب أن تكون نادرة جدًا: 2 من 1000 بوزون هيغز يتحلل إلى فوتونين، و1 من 10000 بوزون هيغز يتحلل إلى فوتونين. الاضمحلال إلى 4 ℓ .

في أكثر من نصف الحالات، يجب أن يتحلل بوزون هيغز إلى زوج ب-كوارك - ب-كوارك مضاد: H → bb̃. إن ولادة زوج bb̃ في تصادمات البروتون والبروتون (والبروتون المضاد للبروتون) هي ظاهرة متكررة للغاية حتى بدون وجود بوزون هيغز، ولم يكن من الممكن حتى الآن عزل الإشارة منه عن هذا "الضجيج" (يقول الفيزيائيون الخلفية) ) في التجارب في LHC. تم تحقيق ذلك جزئيًا في مصادم تيفاترون، وعلى الرغم من أن الأهمية الإحصائية هناك أقل بشكل ملحوظ، إلا أن هذه البيانات تتوافق أيضًا مع تنبؤات النموذج القياسي.

جميع الجسيمات الأولية لها دوران زاوي داخلي. يمكن أن يكون دوران الجسيم عددًا صحيحًا (بما في ذلك الصفر) أو نصف عدد صحيح بوحدات ثابت بلانك ћ. تسمى الجسيمات ذات الدوران الصحيح البوزونات، والجسيمات ذات الدوران نصف الصحيح تسمى الفرميونات. دوران الإلكترون هو 1/2، ودوران الفوتون هو 1. ومن تحليل منتجات اضمحلال جسيم جديد، يتبع أن دورانه متكامل، أي أنه بوزون. من الحفاظ على الزخم الزاوي في اضمحلال الجسيم إلى زوج من الفوتونات H → γγ يتبع: دوران كل فوتون عدد صحيح؛ يظل الزخم الزاوي الإجمالي للحالة النهائية (زوج من الفوتونات) سليمًا دائمًا. وهذا يعني أن الحالة الأولية سليمة أيضًا.

بالإضافة إلى ذلك، فهي لا تساوي الوحدة: لا يمكن لجسيم ذو دوران 1 أن يضمحل إلى فوتونين بدوران 1. ما يتبقى هو الدوران 0؛ 2 أو أكثر. على الرغم من أن دوران الجسيم الجديد لم يتم قياسه بعد، فمن غير المرجح للغاية أننا نتعامل مع جسيم ذو دوران 2 أو أكبر. من شبه المؤكد أن دوران H يساوي صفرًا، وكما سنرى، هذا هو بالضبط ما يجب أن يكون عليه بوزون هيغز.

في ختام وصف الخصائص المعروفة للجسيم الجديد، لنفترض أنه وفقًا لمعايير فيزياء العالم الصغير فإنه يعيش لفترة طويلة جدًا. بناءً على البيانات التجريبية، فإن التقدير الأقل لعمره يعطي TH > 10 -24 ثانية، وهو ما لا يتعارض مع توقعات النموذج القياسي: TH = 1.6·10 -22 ثانية. للمقارنة: عمر t-quark هو T t = 3·10 -25 ثانية. لاحظ أن القياس المباشر لعمر جسيم جديد في LHC ليس ممكنا.

لماذا بوزون آخر؟

في فيزياء الكم، يعمل كل جسيم أولي بمثابة كم لمجال معين، والعكس صحيح: كل مجال له جسيم كمي خاص به؛ المثال الأكثر شهرة هو المجال الكهرومغناطيسي وكمه، الفوتون. ولذلك يمكن إعادة صياغة السؤال المطروح في العنوان على النحو التالي:

لماذا هناك حاجة إلى حقل جديد وما هي خصائصه المتوقعة؟

الإجابة المختصرة هي أن تماثلات نظرية العالم الصغير - سواء كان النموذج القياسي أو بعض النظريات الأكثر تعقيدًا - تمنع الجسيمات الأولية من أن يكون لها كتلة، والمجال الجديد يكسر هذه التماثلات ويضمن وجود كتل الجسيمات. في النموذج القياسي - أبسط نسخة من النظرية (ولكن فيها فقط!) - يتم التنبؤ بجميع خصائص المجال الجديد، وبالتالي البوزون الجديد، باستثناء كتلته، بشكل لا لبس فيه، بناءً على اعتبارات التناظر مرة أخرى. . وكما قلنا، فإن البيانات التجريبية المتاحة تتوافق مع أبسط نسخة من النظرية، لكن هذه البيانات لا تزال نادرة جدًا، وهناك الكثير من العمل أمامنا لمعرفة بالضبط كيف يعمل القطاع الجديد من فيزياء الجسيمات الأولية.

دعونا نفكر على الأقل المخطط العامدور التناظر في فيزياء العالم الصغير.

التماثلات وقوانين الحفظ والمحظورات

من الخصائص المشتركة للنظريات الفيزيائية، سواء كانت ميكانيكا نيوتن، أو ميكانيكا النسبية الخاصة، أو ميكانيكا الكم، أو نظرية العالم الصغير، أن كل تناظر له قانون الحفظ الخاص به. على سبيل المثال، التماثل فيما يتعلق بالتحولات في الزمن (أي حقيقة أن قوانين الفيزياء هي نفسها في كل لحظة من الزمن) يتوافق مع قانون الحفاظ على الطاقة، والتماثل فيما يتعلق بالتحولات في الفضاء يتوافق مع القانون قانون الحفاظ على الزخم، والتماثل فيما يتعلق بالتناوب فيه (جميع الاتجاهات في الفضاء متساوية) - قانون الحفاظ على الزخم الزاوي. يمكن أيضًا تفسير قوانين الحفظ على أنها محظورات: فالتماثلات المذكورة تحظر التغيرات في الطاقة والزخم والزخم الزاوي لنظام مغلق أثناء تطوره.

والعكس صحيح: كل قانون حفظ له تماثله الخاص؛ هذا البيان دقيق تمامًا في نظرية الكم. السؤال الذي يطرح نفسه: ما هو التناظر الذي يتوافق مع قانون حفظ الشحنة الكهربائية؟ ومن الواضح أن تماثلات المكان والزمان التي ذكرناها للتو لا علاقة لها بالموضوع. ومع ذلك، بالإضافة إلى التماثلات الزمكانية الواضحة، هناك تماثلات "داخلية" غير واضحة. واحد منهم يؤدي إلى الحفاظ على الشحنة الكهربائية. من المهم بالنسبة لنا أن هذا التناظر الداخلي نفسه (الذي يُفهم فقط بالمعنى الموسع - يستخدم الفيزيائيون مصطلح "قياس الثبات") يفسر سبب عدم امتلاك الفوتون كتلة. ويرتبط نقص كتلة الفوتون ارتباطًا وثيقًا بحقيقة أن الضوء له نوعان فقط من الاستقطاب - اليسار واليمين.

لتوضيح العلاقة بين وجود نوعين فقط من استقطاب الضوء وغياب الكتلة في الفوتون، دعونا نبتعد للحظة عن الحديث عن التناظرات ونتذكر مرة أخرى أن الجسيمات الأولية تتميز بالدوران المغزلي أو نصف عدد صحيح أو عدد صحيح في وحدات ثابت بلانك ћ. الفرميونات الأولية (جسيمات تدور نصف عدد صحيح) لها دوران 1/2. هذه هي الإلكترون e، وإلكترون نيوترينو ν e، ونظائرها الثقيلة من الإلكترون - muon μ و tau lepton τ، ونيوترينواتها ν μ و ν τ، والكواركات من ستة أنواع u، d، c، s، t، b والجسيمات المضادة المقابلة لـ كل منهم (بوزيترون e + ، نيوترينو الإلكترون ν̃ e، الكوارك المضاد ũ، وما إلى ذلك). كواركات U وd خفيفة، وهي تشكل البروتون (تكوين الكوارك uud) والنيوترون (udd). أما الكواركات المتبقية (c, t, s, b) فهي أثقل؛ فهي جزء من جسيمات قصيرة العمر، على سبيل المثال، ميزونات K.

البوزونات، وهي جسيمات ذات دوران كامل، لا تشمل الفوتون فحسب، بل تشمل أيضًا نظائره البعيدة - الغلوونات (اللف المغزلي 1). الغلوونات هي المسؤولة عن التفاعلات بين الكواركات وربطها في البروتون والنيوترون والجسيمات المكونة الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، هناك ثلاثة جسيمات تدور 1 أخرى - مشحونة كهربائيًا W +، W - بوزونات و Z-boson محايدة، والتي سيتم مناقشتها أدناه. حسنًا، بوزون هيغز، كما ذكرنا سابقًا، يجب أن يكون دورانه صفرًا. لقد قمنا الآن بإدراج جميع الجسيمات الأولية الموجودة في النموذج القياسي.

يحتوي الجسيم الضخم من الدوران s (بوحدات ћ) على حالات 2s + 1 مع إسقاطات دوران مختلفة على محور معين (الدوران هو الزخم الزاوي الداخلي - متجه، وبالتالي فإن مفهوم إسقاطه على محور معين له المعنى المعتاد) . على سبيل المثال، يمكن توجيه دوران الإلكترون (s = 1/2) في إطار سكونه، على سبيل المثال، لأعلى (s 3 = +1/2) أو لأسفل (s 3 = -1/2). البوزون Z لديه كتلة غير صفرية ودورانه s = 1، لذلك لديه ثلاث حالات ذات توقعات مختلفة للدوران: s 3 = +1، 0 أو -1. الوضع مختلف تمامًا مع الجسيمات عديمة الكتلة. نظرًا لأنها تطير بسرعة الضوء، فمن المستحيل الانتقال إلى النظام المرجعي حيث يكون مثل هذا الجسيم في حالة سكون. ومع ذلك، يمكننا أن نتحدث عن حلزونيتها، أي إسقاط الدوران على اتجاه الحركة. لذلك، على الرغم من أن دوران الفوتون يساوي الوحدة، إلا أن هناك اثنين فقط من هذه الإسقاطات - في اتجاه الحركة وضدها. هذه هي الاستقطابات اليمنى واليسرى للضوء (الفوتونات). الحالة الثالثة مع إسقاط الدوران الصفري، والتي يجب أن تكون موجودة إذا كان للفوتون كتلة، محظورة بواسطة التناظر الداخلي العميق للديناميكا الكهربائية، وهو التناظر نفسه الذي يؤدي إلى الحفاظ على الشحنة الكهربائية. وبالتالي فإن هذا التناظر الداخلي يمنع وجود كتلة في الفوتون!

هل هناك شيء خاطيء

لكن ما يهمنا ليس الفوتونات، بل بوزونات W ± وZ. هذه الجسيمات، التي تم اكتشافها في عام 1983 في مصادم البروتون المضاد للبروتون Spp̃S في CERN والتي تنبأ بها المنظرون قبل فترة طويلة، لها كتلة كبيرة جدًا: تبلغ كتلة W ± boson 80 GeV (حوالي 80 مرة أثقل من البروتون)، و تبلغ كتلة Z boson 91 GeV. إن خصائص بوزونات W ± - و Z معروفة جيدًا ويرجع ذلك أساسًا إلى التجارب التي أجريت على مصادمات الإلكترون والبوزترون LEP (CERN) وSLC (SLAC، الولايات المتحدة الأمريكية) ومصادم البروتون المضاد للبروتون تيفاترون (فيرميلاب، الولايات المتحدة الأمريكية): دقة قياسات عدد من الكميات المتعلقة ببوزونات W ± - وZ أفضل من 0.1%. خصائصها، والجسيمات الأخرى أيضًا، موصوفة بشكل مثالي في النموذج القياسي. وينطبق هذا أيضًا على تفاعلات بوزونات W ± - و Z مع الإلكترونات والنيوترينوات والكواركات والجسيمات الأخرى. بالمناسبة، تسمى هذه التفاعلات ضعيفة. لقد تمت دراستها بالتفصيل. أحد الأمثلة المعروفة على ظهورها هو اضمحلال بيتا للميون والنيوترون والنوى.

كما ذكرنا سابقًا، يمكن أن يكون كل من بوزونات W ± - وZ في ثلاث حالات دوران، وليس في حالتين، مثل الفوتون. ومع ذلك، فإنها تتفاعل مع الفرميونات (النيوترينوات، والكواركات، والإلكترونات، وما إلى ذلك) من حيث المبدأ بنفس طريقة تفاعل الفوتونات. على سبيل المثال، يتفاعل الفوتون مع الشحنة الكهربائية للإلكترون والتيار الكهربائي الناتج عن الإلكترون المتحرك. وبنفس الطريقة، يتفاعل البوزون Z مع شحنة إلكترونية معينة والتيار الذي ينشأ عندما يتحرك الإلكترون، وهذه الشحنة والتيار فقط هي غير كهربائية بطبيعتها. حتى الميزة المهمة التي سيتم مناقشتها قريبًا، سيكون التشبيه مكتملًا إذا تم تخصيص شحنة Z للإلكترون بالإضافة إلى الشحنة الكهربائية. كل من الكواركات والنيوترينوات لها شحنات Z الخاصة بها.

يمتد التشابه مع الديناميكا الكهربائية إلى أبعد من ذلك. مثل نظرية الفوتون، تتمتع نظرية بوزونات W ± وZ بتماثل داخلي عميق، قريب من ذلك الذي يؤدي إلى قانون حفظ الشحنة الكهربائية. وبقياس كامل للفوتون، فهو يمنع بوزونات W ± - و Z من الحصول على استقطاب ثالث، وبالتالي كتلة. هذا هو المكان الذي ينشأ فيه عدم الاتساق: حظر التناظر على كتلة الجسيم المغزلي 1 يعمل مع الفوتون، لكنه لا يعمل مع W ± - وبوزونات Z!

بالإضافة إلى. التفاعلات الضعيفة بين الإلكترونات والنيوترينوات والكواركات والجسيمات الأخرى مع بوزونات W ± و Z تحدث كما لو أن هذه الفرميونات ليس لها كتلة! لا علاقة لعدد الاستقطابات بهذا الأمر: فكل من الفرميونات الضخمة وعديمة الكتلة لها استقطابان (اتجاهات الدوران). النقطة المهمة هي كيفية تفاعل الفرميونات مع بوزونات W ± وZ.

لشرح جوهر المشكلة، دعونا أولاً نطفئ كتلة الإلكترون (من الناحية النظرية، هذا مسموح به) ونفكر في عالم وهمي تكون فيه كتلة الإلكترون صفراً. في مثل هذا العالم، يطير الإلكترون بسرعة الضوء ويمكن أن يكون له دوران موجه إما في اتجاه الحركة أو ضدها. أما بالنسبة للفوتون، فمن المنطقي في الحالة الأولى أن نتحدث عن إلكترون ذو استقطاب يمين، أو باختصار، عن إلكترون يميني، في الحالة الثانية - عن إلكترون أعسر.

وبما أننا نعرف جيدا كيف تعمل التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة (ويشارك فيها الإلكترون فقط)، فإننا قادرون تماما على وصف خصائص الإلكترون في عالمنا الخيالي. وهم هكذا.

أولاً، في هذا العالم، الإلكترون الأيمن والأيسر هما جسيمان مختلفان تمامًا: الإلكترون الأيمن لا يتحول أبدًا إلى إلكترون يسار، والعكس صحيح. وهذا محظور بموجب قانون حفظ الزخم الزاوي (في هذه الحالة، الدوران)، وتفاعلات الإلكترون مع الفوتون والبوزون Z لا تغير استقطابه. ثانيًا، الإلكترون الأيسر فقط هو الذي يختبر تفاعل الإلكترون مع بوزون W، والإلكترون الأيمن لا يشارك فيه على الإطلاق. الميزة الثالثة المهمة التي ذكرناها سابقًا في هذه الصورة هي أن شحنات Z للإلكترونات اليسرى واليمنى مختلفة، ويتفاعل الإلكترون الأيسر مع بوزون Z بقوة أكبر من البوزون الأيمن. الميون، تاو ليبتون، والكواركات لها خصائص مماثلة.

نؤكد أنه في عالم وهمي ذي فرميونات عديمة الكتلة، لا توجد مشكلة في حقيقة أن الإلكترونات اليسرى واليمنى تتفاعل مع بوزونات W وZ بشكل مختلف، وعلى وجه الخصوص، أن شحنات Z "الأيسر" و"الأيمن" مختلفة . في هذا العالم، الإلكترونات اليسرى واليمنى هي جزيئات مختلفة، وهذه هي نهاية الأمر: لا يفاجئنا، على سبيل المثال، أن الإلكترون والنيوترينو لهما شحنات كهربائية مختلفة: -1 و0.

وبضم كتلة الإلكترون، نصل على الفور إلى التناقض. الإلكترون السريع، الذي تقترب سرعته من سرعة الضوء، والذي يدور عكس اتجاه الحركة، يبدو تقريبًا مثل الإلكترون الأيسر من عالمنا الخيالي. ويجب أن تتفاعل بنفس الطريقة تقريبًا. وإذا كان تفاعله مرتبطًا بالشحنة Z، فإن قيمة شحنته Z تكون "أعسر"، مثل قيمة الإلكترون الأعسر القادم من العالم الخيالي. ومع ذلك، فإن سرعة الإلكترون الضخم لا تزال ثابتة سرعة أقلالضوء، ويمكنك دائمًا الانتقال إلى نظام مرجعي يتحرك بشكل أسرع. في نظام جديدسيتغير اتجاه حركة الإلكترون إلى الاتجاه المعاكس، لكن اتجاه الدوران سيبقى كما هو.

سيكون إسقاط السبين على اتجاه الحركة موجبًا الآن، وسيبدو مثل هذا الإلكترون وكأنه إلكترون يستخدم اليد اليمنى وليس اليسرى. وبناءً على ذلك، يجب أن تكون شحنتها Z هي نفس شحنة الإلكترون الأيمن من العالم الخيالي. لكن هذا لا يمكن أن يكون: لا ينبغي أن تعتمد قيمة الشحنة على النظام المرجعي. هناك تناقض. دعونا نؤكد أننا وصلنا إليها على افتراض أن الشحنة Z محفوظة؛ لا توجد طريقة أخرى للحديث عن أهميتها بالنسبة لجسيم معين.

يوضح هذا التناقض أن تماثلات النموذج القياسي (من أجل التحديد، سنتحدث عنها، على الرغم من أن كل ما قيل ينطبق على أي نسخة أخرى من النظرية) يجب أن تحظر وجود الكتل ليس فقط في W ± - و Z-bosons، ولكن أيضا في الفرميونات. لكن ما علاقة التناظر بالموضوع؟

على الرغم من أنها يجب أن تؤدي إلى الحفاظ على شحنة Z. من خلال قياس شحنة Z للإلكترون، يمكننا بالتأكيد معرفة ما إذا كان الإلكترون أعسر أم أيمن. وهذا ممكن فقط عندما تكون كتلة الإلكترون صفرًا.

وهكذا، في عالم تتحقق فيه جميع تماثلات النموذج القياسي بنفس الطريقة كما هو الحال في الديناميكا الكهربائية، ستكون كتلة جميع الجسيمات الأولية صفرًا. ولكن في العالم الحقيقي لديهم كتل، مما يعني أنه لا بد أن يحدث شيء ما مع تناظرات النموذج القياسي.

كسر التماثل

عند الحديث عن ارتباط التماثل بقوانين الحفظ والمحظورات، فقد فقدنا ظرفًا واحدًا. يكمن الأمر في حقيقة أن قوانين الحفظ ومحظورات التناظر لا تتحقق إلا عندما يكون التناظر موجودًا بشكل واضح. ومع ذلك، يمكن أيضًا كسر التماثلات. على سبيل المثال، في عينة متجانسة من الحديد في درجة حرارة الغرفة قد يكون هناك مجال مغناطيسي موجه في بعض الاتجاهات؛ العينة ثم المغناطيس. ولو كان هناك كائنات مجهرية تعيش بداخله، لاكتشفوا أن اتجاهات الفضاء ليست كلها متساوية. على إلكترون يطير عبر حقل مغناطيسي، تؤثر قوة لورنتز على جانب المجال المغناطيسي، لكن القوة لا تؤثر على الإلكترون الذي يتحرك على طوله. يتحرك الإلكترون على طول المجال المغناطيسي في خط مستقيم، عبر المجال في دائرة، وفي الحالة العامة، في دوامة. ولذلك، فإن المجال المغناطيسي داخل العينة يكسر التناظر بالنسبة للدورات في الفضاء. في هذا الصدد، قانون الحفاظ على الزخم الزاوي غير محقق داخل المغناطيس: عندما يتحرك الإلكترون في شكل حلزوني، يتغير إسقاط الزخم الزاوي على المحور العمودي على المجال المغناطيسي مع مرور الوقت.

نحن هنا نتعامل مع كسر التماثل التلقائي. في غياب تأثيرات خارجية(على سبيل المثال، المجال المغناطيسي للأرض) في عينات مختلفة من الحديد، يمكن توجيه المجال المغناطيسي في اتجاهات مختلفة، ولا يفضل أي من هذه الاتجاهات على الآخر. لا يزال التناظر الأصلي فيما يتعلق بالدوران موجودًا ويتجلى في حقيقة أن المجال المغناطيسي في العينة يمكن توجيهه إلى أي مكان. ولكن بمجرد نشوء المجال المغناطيسي، ظهر أيضًا الاتجاه المفضل، وانكسر التماثل داخل المغناطيس. وعلى مستوى أكثر رسمية، تكون المعادلات التي تحكم تفاعل ذرات الحديد مع بعضها البعض ومع المجال المغناطيسي متناظرة بالنسبة للدورات في الفضاء، ولكن حالة نظام هذه الذرات – عينة الحديد – غير متماثلة. هذه هي ظاهرة كسر التماثل التلقائي. لاحظ أننا نتحدث هنا عن الحالة الأكثر فائدة، والتي لديها أقل طاقة؛ هذه الحالة تسمى الأساسية. هذا هو المكان الذي ستنتهي فيه عينة الحديد في النهاية، حتى لو كانت غير ممغنطة في البداية.

لذلك، يحدث الكسر التلقائي لبعض التماثل عندما تكون معادلات النظرية متناظرة، ولكن الحالة الأساسية ليست كذلك. يتم استخدام كلمة "عفوية" في هذه الحالة نظرًا لحقيقة أن النظام نفسه، دون مشاركتنا، يختار حالة غير متماثلة، لأن هذه الحالة هي الأكثر ملاءمة من الناحية النشطة. يتضح من المثال أعلاه أنه إذا تم كسر التماثل تلقائيًا، فإن قوانين الحفظ والمحظورات الناشئة عنه لا تعمل؛ في مثالنا هذا يشير إلى الحفاظ على الزخم الزاوي. دعونا نؤكد أن التماثل الكامل للنظرية لا يمكن كسره إلا جزئيًا: في مثالنا، من التماثل الكامل فيما يتعلق بجميع الدورات في الفضاء، يظل التماثل فيما يتعلق بالدورات حول اتجاه المجال المغناطيسي واضحًا وغير منقطع.

قد تطرح الكائنات المجهرية التي تعيش داخل المغناطيس على نفسها السؤال التالي: "في عالمنا، ليست كل الاتجاهات متساوية، والزخم الزاوي غير محفوظ، ولكن هل الفضاء غير متماثل حقًا فيما يتعلق بالدوران؟" بعد دراسة حركة الإلكترونات وبناء النظرية المقابلة لها (في هذه الحالة، الديناميكا الكهربائية)، سيفهمون أن الإجابة على هذا السؤال هي سلبية: معادلاتها متناظرة، لكن هذا التناظر ينكسر تلقائيًا بسبب "انتشار" المجال المغناطيسي. في كل مكان. ومن خلال تطوير النظرية بشكل أكبر، توقعوا أن المجال المسؤول عن الكسر التلقائي للتماثل يجب أن يكون له كوانتا خاصة به، فوتونات. وبعد أن قمنا ببناء مسرع صغير داخل المغناطيس، سنكون سعداء لرؤية أن هذه الكمات موجودة بالفعل - فهي تولد من خلال تصادمات الإلكترونات!

بشكل عام، الوضع في فيزياء الجسيمات مشابه للوضع الموصوف. ولكن هناك أيضا اختلافات مهمة. أولا، ليست هناك حاجة للحديث عن أي وسيلة مثل الشبكة البلورية من ذرات الحديد. في الطبيعة، الحالة ذات الطاقة الأقل هي الفراغ (بحكم التعريف!). هذا لا يعني أنه في الفراغ - الحالة الأساسية للطبيعة - لا يمكن أن تكون هناك مجالات "منتشرة" بشكل موحد، على غرار المجال المغناطيسي في مثالنا. على العكس من ذلك، فإن التناقضات التي تحدثنا عنها تشير إلى أن تماثلات النموذج القياسي (بتعبير أدق، جزء منها) يجب أن تنكسر تلقائيا، وهذا يفترض وجود نوع من المجال في الفراغ يضمن هذا الانتهاك. ثانيا، نحن لا نتحدث عن التماثلات الزمانية والمكانية، كما في مثالنا، ولكن عن التماثلات الداخلية. وعلى العكس من ذلك، لا ينبغي كسر التماثلات الزمانية والمكانية بسبب وجود مجال في الفراغ. من هذا يتبع استنتاج مهم: على عكس المجال المغناطيسي، لا ينبغي أن يسلط هذا المجال الضوء على أي اتجاه في الفضاء (على وجه التحديد، في الزمكان، لأننا نتعامل مع الفيزياء النسبية). الحقول التي تحتوي على هذه الخاصية تسمى العددية؛ إنها تتوافق مع جسيمات ذات دوران 0. لذلك، فإن المجال "المنتشر" في الفراغ والذي يؤدي إلى كسر التناظر يجب أن يكون غير معروف وجديد حتى الآن. في الواقع، فإن الحقول المعروفة التي ذكرناها صراحةً أو ضمنًا أعلاه - المجال الكهرومغناطيسي، ومجالات W ± - وبوزونات Z، والغلوونات - تتوافق مع جسيمات الدوران 1. وتسلط مثل هذه المجالات الضوء على الاتجاهات في الزمكان وتسمى المتجهات، ونحن بحاجة إلى عددية المجال. الحقول المقابلة للفرميونات (الدوران 1/2) ليست مناسبة أيضًا. ثالثًا، لا ينبغي للمجال الجديد أن يكسر تماثلات النموذج القياسي تمامًا، بل يجب أن يظل التماثل الداخلي للديناميكا الكهربائية دون انقطاع. أخيرًا، وهذا هو الأهم، تفاعل الحقل الجديد "المنتشر" في الفراغ مع بوزونات W ± و Z والإلكترونات والفرميونات الأخرى يجب أن يؤدي إلى ظهور كتل في هذه الجزيئات.

تم اقتراح آلية توليد كتل من جسيمات الدوران 1 (في الطبيعة هي W ± - وبوزونات Z) بسبب كسر التناظر التلقائي في سياق فيزياء الجسيمات الأولية من قبل منظري بروكسل فرانسوا إنجليرت وروبرت بروت في عام 1964 و وبعد ذلك بقليل قام عالم الفيزياء في إدنبره بيتر هيجز.

اعتمد الباحثون على فكرة كسر التناظر التلقائي (ولكن في نظريات بدون حقول متجهة، أي بدون دوران 1 جسيمات)، والتي تم تقديمها في 1960-1961 في أعمال ج.نامبو، الذي شارك مع ج.جونا - لاسينيو، في. جي. فاكس، وأ. آي. لاركين، جي. جولدستون (حصل يويتشيرو نامبو على جائزة نوبل لهذا العمل في عام 2008). على عكس المؤلفين السابقين، اعتبر إنجلر وبروت وهيجز نظرية (في ذلك الوقت تأملية) تتضمن كلا من العددية (اللف المغزلي 0) والمجال المتجه (اللف المغزلي 1). تتمتع هذه النظرية بتناظر داخلي، يشبه تمامًا تناظر الديناميكا الكهربائية، مما يؤدي إلى حفظ الشحنة الكهربائية وحظر كتلة الفوتون. ولكن على عكس الديناميكا الكهربائية، يتم كسر التناظر الداخلي تلقائيًا بواسطة حقل عددي منتظم موجود في الفراغ. كانت إحدى النتائج الرائعة التي توصل إليها إنجلر وبروت وهيجز هي إثبات حقيقة أن هذا الانتهاك للتناظر يستلزم تلقائيًا ظهور كتلة في جسيم مغزلي 1 - وهو كم المجال المتجه!

يؤدي التعميم المباشر إلى حد ما لآلية Engler-Brout-Higgs، المرتبطة بإدراجها في نظرية الفرميونات وتفاعلها مع حقل عددي يكسر التماثل، إلى ظهور كتلة في الفرميونات. كل شيء بدأ يقع في مكانه! يتم الحصول على النموذج القياسي كتعميم إضافي. إنه لا يحتوي الآن على حقل واحد، بل عدة مجالات متجهة - الفوتونات، W ± - والبوزونات Z (الغلوونات قصة منفصلة، ​​​​لا علاقة لها بآلية Engler-Brout-Higgs) وأنواع مختلفة من الفرميونات. الخطوة الأخيرة هي في الواقع غير تافهة تمامًا؛ حصل ستيفن واينبرغ وشيلدون جلاشو وعبد السلام على جائزة نوبل عام 1979 لصياغتهم نظرية كاملة للتفاعلات الضعيفة والكهرومغناطيسية.

دعونا نعود إلى عام 1964. لتحليل نظريتهما، استخدم إنجلر وبراوت منهجًا معقدًا إلى حد ما وفقًا لمعايير اليوم. ربما هذا هو السبب وراء عدم ملاحظتهم أنه، إلى جانب جسيم ضخم مغزلي 1، تتنبأ النظرية بوجود جسيم آخر - بوزون ذو دوران 0. لكن هيغز لاحظ، والآن يُطلق على هذا الجسيم الجديد غير المغزلي غالبًا اسم بوزون هيغز. . وكما أشرنا سابقًا، فإن هذا المصطلح ليس صحيحًا تمامًا: فقد كان إنجلر وبروت أول من اقترح استخدام المجال العددي لكسر التناظر التلقائي وتوليد كتل من جسيمات الدوران 1. دون الخوض في المزيد من المصطلحات، نؤكد على أن البوزون الجديد ذو الدوران الصفري يعمل بمثابة كم للمجال العددي الذي يكسر التناظر. وهذا هو تفرده.

لا بد من التوضيح هنا. دعونا نكرر أنه إذا لم يكن هناك كسر تناظر تلقائي، فإن بوزونات W ± و Z ستكون عديمة الكتلة. كل من البوزونات الثلاثة W + , W - , Z سيكون له، مثل الفوتون، استقطابين. في المجمل، مع الأخذ في الاعتبار أن الجسيمات ذات الاستقطابات المختلفة غير متساوية، سيكون لدينا 2 × 3 = 6 أنواع من بوزونات W ± - وZ. في النموذج القياسي، تكون بوزونات W ± وZ ضخمة، ولكل منها ثلاث حالات دوران، أي ثلاثة استقطابات، بإجمالي 3 × 3 = 9 أنواع من الجسيمات - كميات حقول W ± وZ. والسؤال الذي يطرح نفسه، من أين جاءت الأنواع الثلاثة "الإضافية"؟ الحقيقة هي أن النموذج القياسي لا يحتاج إلى حقل عددي واحد، بل أربعة حقول إنجلر-بروت-هيجز. وكم واحد منهم هو بوزون هيغز. وتتحول الكمات الثلاثة الأخرى، نتيجة لكسر التناظر التلقائي، إلى الكمات الثلاثة "الإضافية" الموجودة في البوزونات W ± - و Z الضخمة. لقد تم العثور عليها منذ زمن طويل، لأنه من المعروف أن بوزونات W ± - وZ لها كتلة: حالات الدوران الثلاث "الإضافية" لبوزونات W + - وW - وZ هي ما هي عليه.

بالمناسبة، تتوافق هذه العملية الحسابية مع حقيقة أن حقول إنجلر-بروت-هيجز الأربعة جميعها عددية، وكماتها لها دوران صفري. البوزونات W ± - والبوزونات Z عديمة الكتلة سيكون لها إسقاطات تدور في اتجاه الحركة تساوي -1 و+1. بالنسبة لبوزونات W ± - وZ الضخمة، تأخذ هذه الإسقاطات القيم -1 و0 و+1، أي أن الكمات "الإضافية" لها إسقاط صفر. إن حقول Engler-Brout-Higgs الثلاثة التي يتم الحصول منها على هذه الكمات "الإضافية" لها أيضًا إسقاط دوراني صفري على اتجاه الحركة وذلك ببساطة لأن متجه الدوران الخاص بها هو صفر. كل شيء يتناسب مع بعضه البعض.

لذا، فإن بوزون هيغز هو كم واحد من الحقول العددية إنجلر-بروت-هيجز الأربعة في النموذج القياسي. يتم أكل الثلاثة الآخرين بواسطة (مصطلح علمي!) W ± - وبوزونات Z، ويتحولون إلى حالاتهم الدورانية الثالثة المفقودة.

هل البوزون الجديد ضروري حقًا؟

الأمر الأكثر إدهاشًا في هذه القصة هو أننا نفهم اليوم: أن آلية إنجلر-بروت-هيجز ليست بأي حال من الأحوال الآلية الوحيدة الممكنة لكسر التناظر في فيزياء العالم الصغير وتوليد كتل من الجسيمات الأولية، وقد لا يكون بوزون هيجز كذلك. يخرج. على سبيل المثال، في فيزياء المادة المكثفة (السوائل والمواد الصلبة) هناك العديد من الأمثلة على كسر التناظر التلقائي ومجموعة متنوعة من الآليات لهذا الكسر. وفي معظم الحالات لا يوجد فيها شيء مثل بوزون هيغز.

أقرب نظير للحالة الصلبة لكسر التماثل التلقائي للنموذج القياسي في الفراغ هو الكسر التلقائي للتماثل الداخلي للديناميكا الكهربائية في سمك الموصل الفائق. إنه يؤدي إلى حقيقة أن الفوتون في الموصل الفائق له كتلة بمعنى معين (مثل W ± - والبوزونات Z في الفراغ). يتجلى هذا في تأثير مايسنر - طرد المجال المغناطيسي من الموصل الفائق. الفوتون "لا يريد" أن يخترق داخل الموصل الفائق، حيث يصبح ضخمًا: إنه "صعب" بالنسبة له هناك، ومن غير المواتي طاقيًا أن يكون هناك (تذكر: E = mс 2). المجال المغناطيسي، الذي يمكن اعتباره تقليديًا إلى حد ما مجموعة من الفوتونات، له نفس الخاصية: فهو لا يخترق الموصل الفائق. هذا هو تأثير مايسنر.

إن نظرية غينزبورغ-لانداو الفعالة للموصلية الفائقة تشبه إلى حد كبير نظرية إنجلر-بروت-هيغز (بتعبير أدق، على العكس من ذلك: نظرية غينزبورغ-لانداو أقدم بـ 14 عامًا). كما أنه يحتوي على حقل عددي، والذي "ينتشر" بشكل موحد في جميع أنحاء الموصل الفائق ويؤدي إلى كسر التماثل التلقائي. ومع ذلك، فليس من قبيل الصدفة أن تسمى نظرية غينزبورغ لانداو فعالة: فهي تلتقط، بالمعنى المجازي، الجانب الخارجي للظاهرة، ولكنها غير كافية على الإطلاق لفهم الأسباب المجهرية الأساسية لظهور الموصلية الفائقة. في الواقع، لا يوجد مجال عددي في الموصل الفائق؛ فهو يحتوي على إلكترونات وشبكة بلورية، وترجع الموصلية الفائقة إلى خصائص خاصةالحالة الأساسية لنظام الإلكترونات الناشئة بسبب التفاعل بينها (انظر "العلم والحياة" رقم 2، 2004، المادة "." - إد.).

هل يمكن أن تحدث صورة مماثلة أيضًا في العالم المصغر؟ هل سيتبين أنه لا يوجد مجال عددي أساسي "منتشر" في الفراغ، وأن كسر التناظر التلقائي يحدث لأسباب مختلفة تمامًا؟ إذا كنا نفكر من الناحية النظرية البحتة ولم ننتبه إلى الحقائق التجريبية، فإن الإجابة على هذا السؤال هي بالإيجاب. وخير مثال على ذلك هو ما يسمى بنموذج تكنيكولور، الذي اقترحه في عام 1979 ستيفن واينبرغ الذي سبق ذكره و- بشكل مستقل - ليونارد سسكيند.

فهو لا يحتوي على حقول عددية أساسية ولا بوزون هيغز، ولكن بدلاً من ذلك هناك العديد من الجسيمات الأولية الجديدة التي تشبه الكواركات في خصائصها. يؤدي التفاعل بينهما إلى كسر تلقائي للتماثل وتوليد كتل من البوزونات W ± - و Z. مع كتل الفرميونات المعروفة، على سبيل المثال الإلكترون، يكون الوضع أسوأ، ولكن يمكن حل هذه المشكلة أيضًا عن طريق تعقيد النظرية.

قد يطرح القارئ اليقظ السؤال التالي: "ماذا عن حجج الفصل السابق، التي تقول إن المجال القياسي هو الذي يجب أن يكسر التماثل؟" الثغرة هنا هي أن هذا المجال العددي يمكن أن يكون مركبًا، بمعنى أن الجسيمات الكمية المقابلة ليست أولية، ولكنها تتكون من جسيمات أولية أخرى "حقيقية".

دعونا نتذكر في هذا الصدد علاقة عدم اليقين في ميكانيكا الكم لهايزنبرغ Δ× × Δ ≥ ћ، حيث Δ π و Δ هما عدم اليقين في الإحداثيات والزخم، على التوالي. أحد مظاهره هو أن بنية الأجسام المركبة ذات الحجم الداخلي المميز Δx تظهر فقط في العمليات التي تتضمن جسيمات ذات عزم دوران عالي بما فيه الكفاية، وبالتالي ذات طاقات عالية بما فيه الكفاية. ومن المناسب هنا أن نتذكر رذرفورد الذي قصف الذرات في ذلك الوقت بإلكترونات ذات طاقات عالية واكتشف بذلك أن الذرات تتكون من نوى وإلكترونات. عند النظر إلى الذرات من خلال المجهر، حتى باستخدام البصريات الأكثر تقدمًا (أي باستخدام الضوء - الفوتونات منخفضة الطاقة)، ​​من المستحيل اكتشاف أن الذرات عبارة عن جسيمات نقطية مركبة وليست أولية: لا توجد دقة كافية.

لذلك، عند الطاقات المنخفضة، يبدو الجسيم المركب وكأنه جسيم أولي. ل وصف فعاليمكن اعتبار مثل هذه الجسيمات ذات الطاقات المنخفضة كماتًا في بعض المجالات. إذا كان الدوران المغزلي لجسيم مركب يساوي صفرًا، فإن هذا المجال يكون عددًا.

تم تحقيق موقف مماثل، على سبيل المثال، في فيزياء π-mesons، وهي جسيمات ذات دوران 0. حتى منتصف الستينيات، لم يكن معروفًا أنها تتكون من الكواركات والكواركات المضادة (تركيبة الكواركات لـ π + -، π -) - و π 0 -mesons - وهي ud̃ وdũ ومزيج من uũ وdd̃ على التوالي).

ثم تم وصف الميزونات π بواسطة الحقول العددية الأولية. نحن نعلم الآن أن هذه الجسيمات مركبة، لكن نظرية المجال "القديمة" للميزونات π تظل صالحة، نظرًا لأخذ العمليات ذات الطاقات المنخفضة في الاعتبار. فقط عند طاقات من 1 جيجا إلكترون فولت وما فوق، تبدأ بنية الكواركات في الظهور، وتتوقف النظرية عن العمل. مقياس الطاقة 1 GeV لم يظهر هنا بالصدفة: هذا هو مقياس التفاعلات القوية التي تربط الكواركات في ميزونات وبروتونات ونيوترونات وما إلى ذلك، وهذا هو مقياس كتل الجسيمات المتفاعلة بقوة، على سبيل المثال بروتون. لاحظ أن الميزونات π نفسها تقف منفصلة: لسبب لن نتحدث عنه هنا، فهي تمتلك كتلًا أصغر بكثير: m π± = 140 MeV، m π0 = 135 MeV.

لذا، فإن الحقول العددية المسؤولة عن كسر التناظر التلقائي يمكن، من حيث المبدأ، أن تكون مركبة. هذا هو بالضبط الوضع الذي يقترحه نموذج تكنيكولور. في هذه الحالة، فإن ثلاث كوانتا غير مغزلية، والتي تلتهمها بوزونات W ± - و Z وتصبح حالاتها المغزلية المفقودة، لها تشابه وثيق مع الميزونات π + - و π - - و π 0 -. فقط مقياس الطاقة المقابل لم يعد 1 GeV، بل عدة TeV. في مثل هذه الصورة، من المتوقع وجود العديد من الجسيمات المكونة الجديدة - نظائرها من البروتون والنيوترون وما إلى ذلك. - بكتل تصل إلى عدة TeV. على العكس من ذلك، فإن بوزون هيغز الخفيف نسبياً غائب فيها. ميزة أخرى للنموذج هي أن بوزونات W ± و Z فيه عبارة عن جسيمات مركبة جزئيًا، حيث، كما قلنا، بعض مكوناتها تشبه الميزونات π. يجب أن يتجلى هذا في تفاعلات بوزونات W ± و Z.

كان الظرف الأخير هو الذي أدى إلى رفض النموذج الفني (على الأقل في صيغته الأصلية) قبل وقت طويل من اكتشاف البوزون الجديد: القياسات الدقيقة لخصائص بوزونات W ± وZ في LEP وSLC لا تتفق مع توقعات النموذج.

لقد سحقت الحقائق التجريبية العنيدة هذه النظرية الجميلة، ووضع اكتشاف بوزون هيغز حدًا لها. ومع ذلك، بالنسبة لي، كما هو الحال بالنسبة لعدد من المنظرين الآخرين، فإن فكرة الحقول العددية المركبة أكثر جاذبية من نظرية إنجلر-بروت-هيغز ذات الحقول العددية الأولية. بالطبع، بعد اكتشاف بوزون جديد في CERN، وجدت فكرة التركيب نفسها في موقف أكثر صعوبة من ذي قبل: إذا كان هذا الجسيم مركبًا، فيجب أن يقلد بوزون هيغز الأولي بنجاح. ومع ذلك، دعونا ننتظر ونرى ما هي التجارب التي ستُجرى في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) والتي ستظهر، في المقام الأول، قياسات أكثر دقة لخصائص البوزون الجديد.

تم الاكتشاف. ماذا بعد؟

دعونا نعود، كفرضية عملية، إلى النسخة البسيطة من النظرية - النموذج القياسي الذي يحتوي على بوزون هيغز الأولي. نظرًا لأن مجال Engler-Brout-Higgs في هذه النظرية هو الذي يعطي الكتل لجميع الجسيمات الأولية، فإن تفاعل كل من هذه الجسيمات مع بوزون هيغز ثابت بشكل صارم. كلما زادت كتلة الجسيم، كان التفاعل أقوى؛ كلما كان التفاعل أقوى، زاد احتمال اضمحلال بوزون هيغز إلى زوج من الجسيمات من نوع معين. اضمحلال بوزون هيغز إلى أزواج من الجسيمات الحقيقية tt̃ , ZZ و W+W- محظور بموجب قانون الحفاظ على الطاقة. يتطلب ذلك أن يكون مجموع كتل نواتج الاضمحلال أقل من كتلة الجسيم المتحلل (مرة أخرى، تذكر E = mc 2)، وبالنسبة لنا، تذكر، m n ≈ 125 GeV، m t = 173 GeV، m z = 91 GeV وmw = 80 GeV. ثاني أكبر كتلة هي الكوارك b حيث m b = 4 GeV، ولهذا السبب، كما قلنا، يتحلل بوزون هيغز بسهولة إلى زوج bb̃. ومن المثير للاهتمام أيضًا اضمحلال بوزون هيغز إلى زوج من اللبتونات الثقيلة نوعًا ما H → τ + τ - (m τ = 1.8 GeV)، والذي يحدث باحتمال 6٪. يجب أن يحدث الانحلال H → μ + μ - (m μ = 106 MeV) باحتمال أصغر، لكنه لا يزال غير متلاشي بنسبة 0.02%. بالإضافة إلى الانحلال الذي تمت مناقشته أعلاه، H → γγ؛ H → 4ℓ و H → 2ℓ2ν، نلاحظ الانحلال H → Zγ، الذي يجب أن يكون احتماله 0.15٪. كل هذه الاحتمالات يمكن قياسها في مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، وأي انحراف عن هذه التوقعات سيعني فشلنا فرضية العمل- النموذج القياسي خاطئ. وعلى العكس من ذلك، فإن الاتفاق مع تنبؤات النموذج القياسي سيقنعنا أكثر فأكثر بصلاحيته.

ويمكن قول الشيء نفسه عن إنشاء بوزون هيغز في اصطدامات البروتونات. يمكن إنتاج بوزون هيغز بمفرده من تفاعل اثنين من الغلوونات، مع زوج من الكواركات الضوئية عالية الطاقة، مع بوزون W أو Z واحد، أو أخيرًا مع زوج tt̃. يمكن اكتشاف وتحديد الجسيمات المنتجة مع بوزون هيغز، لذلك يمكن دراسة آليات الإنتاج المختلفة بشكل منفصل في LHC. وبالتالي، فمن الممكن استخراج معلومات حول تفاعل بوزون هيغز مع W ± - وبوزونات Z وكوارك t.

وأخيرًا، فإن إحدى الخصائص المهمة لبوزون هيغز هي تفاعله مع نفسه. يجب أن يظهر في العملية Н* → НН، حيث Н* عبارة عن جسيم افتراضي. كما تم التنبؤ بخصائص هذا التفاعل بوضوح بواسطة النموذج القياسي. ومع ذلك، فإن دراستها هي مسألة المستقبل البعيد.

لذلك، لدى LHC برنامجًا مكثفًا لدراسة تفاعلات البوزون الجديد. ونتيجة لتطبيقه، سيصبح من الواضح إلى حد ما ما إذا كان النموذج القياسي يصف الطبيعة أم أننا نتعامل مع نظرية أخرى أكثر تعقيدًا (وربما أبسط). ويرتبط المزيد من التقدم بزيادة كبيرة في دقة القياس؛ سوف يتطلب الأمر بناء مسرع إلكترون-بوزيترون جديد - مصادم e + e - ذو طاقة قياسية لهذا النوع من الآلات. وربما تنتظرنا الكثير من المفاجآت على هذا الطريق.

بدلاً من الاستنتاج: بحثاً عن "فيزياء جديدة"

من وجهة النظر "التقنية"، يعتبر النموذج القياسي متسقًا داخليًا. أي أنه من الممكن في إطارها - على الأقل من حيث المبدأ، وكقاعدة عامة - حساب أي كمية فيزيائية (بالطبع، تتعلق بالظواهر التي يُقصد وصفها)، ولن تحتوي النتيجة على عدم اليقين. ومع ذلك، فإن العديد من المنظرين، وإن لم يكن جميعهم، يعتبرون الوضع في النموذج القياسي، بعبارة ملطفة، غير مرضٍ تمامًا. وهذا يرجع في المقام الأول إلى حجم الطاقة الخاص بها.

كما هو واضح مما سبق، فإن مقياس الطاقة للنموذج القياسي هو في حدود M cm = 100 GeV (نحن لا نتحدث هنا عن تفاعلات قوية بمقياس 1 GeV، كل شيء أبسط معها). هذا هو المقياس الكتلي لبوزونات W ± وZ وبوزون هيغز. هل هو كثير أم قليل؟ من وجهة نظر تجريبية - إلى حد كبير، ولكن من وجهة نظر نظرية...

في الفيزياء هناك مقياس آخر للطاقة. ويرتبط بالجاذبية ويساوي كتلة بلانك M pl = 10 19 GeV. عند الطاقات المنخفضة، تكون تفاعلات الجاذبية بين الجسيمات ضئيلة، ولكنها تزداد مع زيادة الطاقة، وعند طاقات من رتبة M pl، تصبح الجاذبية قوية. الطاقات الأعلى من M pl هي منطقة الجاذبية الكمومية، مهما كانت. من المهم بالنسبة لنا أن الجاذبية ربما تكون التفاعل الأساسي وأن مقياس الجاذبية M pl هو مقياس الطاقة الأساسي. لماذا إذًا مقياس النموذج القياسي Mcm = 100 GeV بعيدًا عن Mpl = 1019 GeV؟

المشكلة التي تم تحديدها لها جانب آخر أكثر دقة. ويرتبط بخصائص الفراغ المادي. في نظرية الكم، يتم تنظيم الفراغ - الحالة الأساسية للطبيعة - بطريقة غير تافهة للغاية. يتم إنشاء وتدمير الجسيمات الافتراضية باستمرار؛ بمعنى آخر، تتشكل تقلبات المجال وتختفي. لا يمكننا ملاحظة هذه العمليات بشكل مباشر، لكنها تؤثر على الخصائص التي يمكن ملاحظتها للجسيمات الأولية والذرات وما إلى ذلك. على سبيل المثال، يؤدي تفاعل الإلكترون الموجود في الذرة مع الإلكترونات والفوتونات الافتراضية إلى ظاهرة ملحوظة في الأطياف الذرية - تحول لامب. مثال آخر: تصحيح العزم المغناطيسي للإلكترون أو الميون (العزم المغناطيسي الشاذ) يرجع أيضًا إلى التفاعل مع الجسيمات الافتراضية. لقد تم حساب وقياس هذه التأثيرات وما شابهها (في هذه الحالات بدقة مذهلة!) حتى نتمكن من التأكد من أن لدينا الصورة الصحيحة للفراغ المادي.

في هذه الصورة، تتلقى جميع المعاملات المتضمنة في النظرية تصحيحات، تسمى التصحيحات الإشعاعية، بسبب التفاعل مع الجسيمات الافتراضية. في الديناميكا الكهربائية الكمومية فهي صغيرة، ولكن في قطاع إنجلر-بروت-هيجز فهي ضخمة. هذه هي خصوصية الحقول العددية الأولية التي يتكون منها هذا القطاع؛ الحقول الأخرى لا تملك هذه الخاصية. التأثير الرئيسي هنا هو أن التصحيحات الإشعاعية تميل إلى "سحب" مقياس الطاقة للنموذج القياسي M سم نحو مقياس الجاذبية M pl. إذا بقينا داخل النموذج القياسي، فإن المخرج الوحيد هو اختيار المعلمات الأولية للنظرية بحيث تؤدي، جنبًا إلى جنب مع التصحيحات الإشعاعية، إلى القيمة الصحيحة M سم ومع ذلك، اتضح أن دقة المطابقة يجب أن تكون قريبة من M cm 2 /M pl 2 = 10 -34! هذا هو الجانب الثاني من مشكلة مقياس الطاقة في النموذج القياسي: يبدو من غير المعقول أن يحدث مثل هذا التوافق في الطبيعة.

يعتقد العديد من المنظرين (رغم أننا نكرر، ليس كلهم) أن هذه المشكلة تشير بوضوح إلى الحاجة إلى تجاوز النموذج القياسي. في الواقع، إذا توقف النموذج القياسي عن العمل أو توسع بشكل كبير على مقياس الطاقة لـ "الفيزياء الجديدة - NF" M nf، فإن الدقة المطلوبة لتركيب المعلمات ستكون، تقريبًا، M 2 cm / M 2 nf، ولكن في الواقع إنه أقل بحوالي أمرين. إذا افترضنا أنه لا يوجد ضبط دقيق للمعلمات في الطبيعة، فيجب أن يقع مقياس "الفيزياء الجديدة" في منطقة 1-2 تيرا إلكترون فولت، أي بالضبط في المنطقة التي يمكن الوصول إليها للبحث في مصادم الهادرونات الكبير!

كيف يمكن أن تكون "الفيزياء الجديدة"؟ لا توجد وحدة بين المنظرين حول هذه المسألة. أحد الاحتمالات هو الطبيعة المركبة للحقول العددية التي توفر كسر التناظر التلقائي الذي تمت مناقشته بالفعل. هناك احتمال آخر شائع أيضًا (حتى الآن؟) وهو التناظر الفائق، والذي سنقول عنه فقط أنه يتنبأ بحديقة حيوانات كاملة من الجسيمات الجديدة ذات الكتل في نطاق مئات GeV - عدة TeV. تتم أيضًا مناقشة خيارات غريبة جدًا، مثل الأبعاد الإضافية للفضاء (على سبيل المثال، ما يسمى بنظرية M - انظر "العلم والحياة" العدد 2، 3، 1997، مقالة "الأوتار الفائقة: في الطريق إلى النظرية" من كل شيء." - إد.).

ورغم كل الجهود، لم ترد حتى الآن أي مؤشرات تجريبية عن "فيزياء جديدة". وهذا، في الواقع، بدأ بالفعل يثير القلق: هل نفهم كل شيء بشكل صحيح؟ لكن من المحتمل أننا لم نصل بعد إلى "فيزياء جديدة" من حيث الطاقة وكمية البيانات المجمعة، وأن الاكتشافات الثورية الجديدة سترتبط بها. يتم وضع الآمال الرئيسية هنا مرة أخرى على مصادم الهادرونات الكبير، والذي سيبدأ العمل بكامل طاقته البالغة 13-14 تيرا إلكترون فولت خلال عام ونصف وسيجمع البيانات بسرعة. متابعة الأخبار!

آلات القياس والاكتشاف الدقيقة

تتطلب فيزياء الجسيمات، التي تدرس أصغر الأشياء في الطبيعة، مرافق بحثية عملاقة حيث تتسارع هذه الجسيمات، وتتصادم، وتتفكك. أقوى منهم المصادمات.

مصادمهو مسرع ذو حزم جسيمية متصادمة، حيث تصطدم الجسيمات وجهاً لوجه، على سبيل المثال، الإلكترونات والبوزيترونات في مصادمات e + e. حتى الآن، تم إنشاء مصادمات بروتون-بروتون مضاد، بروتون-بروتون، إلكترون-بروتون، مصادمات النواة-النواة (أو الأيونات الثقيلة). الاحتمالات الأخرى، على سبيل المثال، μ + μ - - المصادم، لا تزال قيد المناقشة. المصادمات الرئيسية في فيزياء الجسيمات هي بروتون-بروتون مضاد، بروتون-بروتون، وإلكترون-بوزيترون.

مصادم الهادرونات الكبير (LHC)- بروتون-بروتون، يعمل على تسريع شعاعين من البروتونات أحدهما نحو الآخر (يمكن أن يعمل أيضًا كمصادم للأيونات الثقيلة). تبلغ الطاقة التصميمية للبروتونات في كل حزمة 7 TeV، وبالتالي فإن طاقة الاصطدام الإجمالية تبلغ 14 TeV. في عام 2011، تم تشغيل المصادم بنصف هذه الطاقة، وفي عام 2012، بكامل طاقته البالغة 8 تيرا إلكترون فولت. مصادم الهادرونات الكبير عبارة عن حلقة طولها 27 كيلومترًا يتم فيها تسريع البروتونات بواسطة المجالات الكهربائية ويتم احتواؤها بواسطة الحقول الناتجة عن المغناطيس فائق التوصيل. تحدث اصطدامات البروتون في أربعة مواقع حيث توجد أجهزة كشف لتسجيل الجسيمات الناتجة عن الاصطدامات. تم تصميم ATLAS وCMS لأبحاث فيزياء الجسيمات عالية الطاقة؛ LHC-b مخصص لدراسة الجسيمات التي تحتوي على كواركات b، وALICE مخصص لدراسة مادة كوارك-غلوون الساخنة والكثيفة.

Spp̃S- مصادم البروتون والبروتون المضاد في CERN. يبلغ طول الحلقة 6.9 كم، والحد الأقصى لطاقة الاصطدام هو 630 جيجا إلكترون فولت. عمل من 1981 إلى 1990.

LEP- مصادم إلكترون-بوزيترون حلقي بطاقة تصادم قصوى تبلغ 209 جيجا إلكترون فولت، يقع في نفس نفق مصادم الهدرونات الكبير. عمل من 1989 إلى 2000.

SLC— مصادم الإلكترون-بوزيترون الخطي في SLAC، الولايات المتحدة الأمريكية. طاقة الاصطدام 91 جيجا إلكترون فولت (كتلة البوزون Z). عمل من 1989 إلى 1998.

تيفاترون هو مصادم حلقي للبروتونات والبروتونات المضادة في فيرميلاب بالولايات المتحدة الأمريكية. يبلغ طول الحلقة 6 كم، والحد الأقصى لطاقة الاصطدام هو 2 TeV. عمل من 1987 إلى 2011.

عند مقارنة مصادمات البروتون-البروتون والبروتون-البروتون المضاد مع مصادمات الإلكترون-بوزيترون، عليك أن تضع في اعتبارك أن البروتون عبارة عن جسيم مركب؛ فهو يحتوي على كواركات وجلونات. يحمل كل من هذه الكواركات والجلونات جزءًا صغيرًا فقط من طاقة البروتون. لذلك، في مصادم الهادرونات الكبير، على سبيل المثال، تكون طاقة الاصطدام الأولي (بين كواركين، أو بين غلوونين، أو كوارك مع غلوون) أقل بشكل ملحوظ من الطاقة الإجمالية للبروتونات المتصادمة (14 تيرا إلكترون فولت عند معلمات التصميم). . ولهذا السبب، فإن نطاق الطاقة المتاح للدراسة عليه يصل "فقط" إلى 2-4 تيرا إلكترون فولت، اعتمادًا على العملية قيد الدراسة. لا تمتلك مصادمات الإلكترون-البوزيترون مثل هذه الميزة: فالإلكترون عبارة عن جسيم أولي عديم البنية.

تتمثل ميزة مصادمات بروتون-بروتون (والبروتون-مضاد البروتون) في أنه، حتى مع أخذ هذه الميزة في الاعتبار، فإنه من الأسهل تقنيًا تحقيق طاقات تصادم عالية معها مقارنةً بمصادمات الإلكترون-بوزيترون. هناك أيضا ناقص. بسبب البنية المركبة للبروتون، ولأن الكواركات والغلوونات تتفاعل مع بعضها البعض بقوة أكبر بكثير من الإلكترونات والبوزيترونات، فإن العديد من الأحداث التي تحدث في اصطدامات البروتونات ليست مثيرة للاهتمام من وجهة نظر البحث عن بوزون هيغز أو الجسيمات والظواهر الجديدة الأخرى. تبدو الأحداث المثيرة للاهتمام أكثر "قذارة" في اصطدامات البروتونات، إذ تولد فيها العديد من الجسيمات "الغريبة" وغير المثيرة للاهتمام. كل هذا يخلق "ضوضاء" يصعب عزل إشارة مفيدة عنها في مصادمات الإلكترون والبوزيترون. وبناء على ذلك، فإن دقة القياس أقل. وبسبب كل هذا، تسمى مصادمات بروتون-بروتون (والبروتون-مضاد البروتون) بآلات الاكتشاف، وتسمى مصادمات الإلكترون-بوزيترون بآلات القياس الدقيقة.

الانحراف المعياري(الانحراف المعياري) σ x - خاصية الانحرافات العشوائية للقيمة المقاسة عن القيمة المتوسطة. احتمال أن تختلف القيمة المقاسة لـ X بشكل عشوائي بمقدار 5σ x عن القيمة الحقيقية هو 0.00006% فقط. وهذا هو السبب في أن انحراف الإشارة عن الخلفية بمقدار 5σ في فيزياء الجسيمات يعتبر كافيًا للتعرف على الإشارة على أنها صحيحة.

حبيباتالمدرجة في النموذج القياسي، باستثناء البروتون والإلكترون والنيوترينو وجسيماتها المضادة، فهي غير مستقرة: فهي تتحلل إلى جسيمات أخرى. ومع ذلك، فإن اثنين من الأنواع الثلاثة للنيوترينوات يجب أن يكونا أيضًا غير مستقرين، لكن عمرهما طويل للغاية. في فيزياء العالم الصغير هناك مبدأ: كل ما يمكن أن يحدث يحدث بالفعل. ولذلك، فإن استقرار الجسيم يرتبط بنوع من قانون الحفظ. يُمنع الإلكترون والبوزيترون من الاضمحلال بموجب قانون حفظ الشحنة. أخف النيوترينو (دوره 1/2) لا يضمحل بسبب الحفاظ على الزخم الزاوي. إن اضمحلال البروتون محظور بموجب قانون حفظ "شحنة" أخرى، والتي تسمى رقم الباريون (عدد باريون البروتون، حسب التعريف، هو 1، وعدد الجسيمات الأخف هو صفر).

هناك تناظر داخلي آخر مرتبط برقم الباريون. هل هو دقيق أم تقريبي، هل البروتون مستقر أم أنه محدود، على الرغم من أنه شديد لحظة عظيمةالحياة موضوع لمناقشة منفصلة.

جسيمات دون الذرية- أحد أنواع الجسيمات الأولية. في الحالة الحرة، لا يتم ملاحظتها، ولكنها ترتبط دائمًا ببعضها البعض وتشكل جزيئات مركبة - الهادرونات. الاستثناء الوحيد هو t-quark، فهو يضمحل قبل أن يتاح له الوقت للاندماج مع الكواركات الأخرى أو الكواركات المضادة لتكوين هادرون. تشمل الهادرونات البروتون والنيوترون والميزونات π والميزونات K وما إلى ذلك.

الكوارك b هو واحد من ستة أنواع من الكواركات، وهو الثاني من حيث الكتلة بعد الكوارك t.

الميون هو نظير ثقيل غير مستقر للإلكترون بكتلة m μ = 106 MeV. عمر الميون T μ = 2·10 -6 ثانية طويل بما يكفي ليطير عبر الكاشف بأكمله دون أن يتحلل.

الجسيمات الافتراضيةيختلف عن الحقيقي في أنه بالنسبة للجسيم الحقيقي فإن العلاقة النسبية المعتادة بين الطاقة والزخم E 2 = p 2 s 2 + m 2 s 4 تكون راضية، ولكن بالنسبة للجسيم الافتراضي فهي غير راضية. وهذا ممكن بسبب العلاقة الميكانيكية الكمومية ΔE·Δt ~ ħ بين عدم اليقين في الطاقة ΔE ومدة العملية Δt. لذلك، فإن الجسيم الافتراضي يضمحل على الفور تقريبًا أو يفنى مع جسيم آخر (عمره Δt قصير جدًا)، في حين أن الجسيم الحقيقي يعيش لفترة أطول بشكل ملحوظ أو يكون مستقرًا بشكل عام.

تحول مستوى الخروف- انحراف طفيف في البنية الدقيقة لمستويات ذرة الهيدروجين والذرات الشبيهة بالهيدروجين تحت تأثير انبعاث وامتصاص الفوتونات الافتراضية أو خلق وفناء أزواج الإلكترون والبوزترون الافتراضية. تم اكتشاف هذا التأثير في عام 1947 من قبل الفيزيائيين الأمريكيين دبليو لامب وآر رذرفورد.