Гаудж бозондарының массасын қалыптастыру механизмі

Кіріспе

Гаузерлік бозондардың массасын қалыптастыру механизмін түсіндіретін механизм. Бөлшектер физикасының Стандартты моделінде, Хиггс механизмі гаузерлік бозондардың "масса" қасиетінің генерация механизмін түсіндіру үшін маңызды. Хиггс механизмі болмаса, барлық бозондар (фермиондармен қатар екі класс бөлшектің бірі) массасыз болар еді, бірақ өлшеулер W+, W− және Z0 бозондарының шамамен 80 ГэВ/c2 шамасындағы салыстырмалы түрде үлкен массалары бар екенін көрсетеді. Хиггс өрісі осы мәселені шешеді. Механизмнің ең қарапайым сипаттамасы Стандартты модельге барлық кеңістікті толтыратын кванттық өріс (Хиггс өрісі) қосады. Өте жоғары температурадан төмен температурада, өріс өзара әрекеттесу кезінде спонтанды симметрия бұзуына себеп болады. Симметрияның бұзылуы Хиггс механизмін іске қосып, онымен өзара әрекеттесетін бозондарға масса береді. Стандартты модельде "Хиггс механизмі" термині W± және Z әлсіз гаузерлік бозондарының массасын электрәлсіз симметрияны бұзу арқылы пайда болуына қатысты. 2013 жылдың 14 наурызында ЦЕРН-дегі Ұлы адрондық коллайдері Хиггс бөлшегіне сәйкес нәтижелерді жариялады, бұл өріс немесе оған ұқсас өріс бар екенін көрсетіп, Хиггс механизмі табиғатта қалай жүзеге асатынын түсіндіреді. Хиггс механизмі гаузерлік симметрияның спонтанды симметриясын бұзуды қамтиды деген көзқарас техникалық тұрғыдан дұрыс емес, өйткені Элитзур теоремасы бойынша гаузерлік симметриялар спонтанды түрде бұзыла алмайды. Керісінше, Фрёлих–Моркио–Строкки механизмі Хиггс механизмін толыққанды түрде өлшегіш инварианттықпен қайта құрастырады, көбінесе бірдей нәтижелерге әкеледі. Механизмді 1962 жылы Филип Уоррен Андерсон ұсынды, бұл 1950 жылдардың соңындағы суперөткізгіштікте симметрия бұзу жөніндегі жұмыстарға және 1960 жылы Йоичиро Намбудың бөлшектер физикасындағы қолданысын талқылаған мақаласына негізделген. Массаның пайда болуын "бұзбай" өлшегіш теорияны түсіндіре алатын теория 1964 жылы үш тәуелсіз топ тарапынан дерлік бір уақытта жарияланды: Роберт Браут және Франсуа Энглерт; Питер Хиггс; және Джеральд Гуральник, К. Р. Хаген және Том Киббл. Сондықтан Хиггс механизмі сонымен қатар Браут–Энглерт–Хиггс механизмі немесе Энглерт–Браут–Хиггс–Гуральник–Хаген–Киббл механизмі, Андерсон–Хиггс механизмі, Андерсон–Хиггс–Киббл механизмі, Абдус Саламның Хиггс–Киббл механизмі және Питер Хиггстың ABEGHHK'tH механизмі (Андерсон, Браут, Энглерт, Гуральник, Хаген, Хиггс, Киббл және 't Хоофт үшін) деп аталады. 2013 жылдың 8 қазанында ЦЕРН-дегі Ұлы адрондық коллайдерде теориямен болжалған, ұзақ ізделіп келген Хиггс бозоны сияқты жаңа бөлшек табылды, содан кейін Питер Хиггс пен Франсуа Энглерт 2013 жылғы физика бойынша Нобель сыйлығына ие болды.

Mechanism that explains the generation of mass for gauge bosons

In the Standard Model of particle physics, the Higgs mechanism is essential to explain the generation mechanism of the property "mass" for gauge bosons. Without the Higgs mechanism, all bosons (one of the two classes of particles, the other being fermions) would be considered massless, but measurements show that the W+, W−, and Z0 bosons actually have relatively large masses of around 80 GeV/c2. The Higgs field resolves this conundrum. The simplest description of the mechanism adds a quantum field (the Higgs field) which permeates all of space to the Standard Model. Below some extremely high temperature, the field causes spontaneous symmetry breaking during interactions. The breaking of symmetry triggers the Higgs mechanism, causing the bosons it interacts with to have mass. In the Standard Model, the phrase "Higgs mechanism" refers specifically to the generation of masses for the W±, and Z weak gauge bosons through electroweak symmetry breaking. The Large Hadron Collider at CERN announced results consistent with the Higgs particle on 14 March 2013, making it extremely likely that the field, or one like it, exists, and explaining how the Higgs mechanism takes place in nature. The view of the Higgs mechanism as involving spontaneous symmetry breaking of a gauge symmetry is technically incorrect since by Elitzur's theorem gauge symmetries can never be spontaneously broken. Rather, the Fröhlich–Morchio–Strocchi mechanism reformulates the Higgs mechanism in an entirely gauge invariant way, generally leading to the same results. The mechanism was proposed in 1962 by Philip Warren Anderson, following work in the late 1950s on symmetry breaking in superconductivity and a 1960 paper by Yoichiro Nambu that discussed its application within particle physics. A theory able to finally explain mass generation without "breaking" gauge theory was published almost simultaneously by three independent groups in 1964: by Robert Brout and François Englert; by Peter Higgs; and by Gerald Guralnik, C. R. Hagen, and Tom Kibble. The Higgs mechanism is therefore also called the Brout–Englert–Higgs mechanism, or Englert–Brout–Higgs–Guralnik–Hagen–Kibble mechanism, Anderson–Higgs mechanism, Anderson–Higgs–Kibble mechanism, Higgs–Kibble mechanism by Abdus Salam and ABEGHHK'tH mechanism (for Anderson, Brout, Englert, Guralnik, Hagen, Higgs, Kibble, and 't Hooft) by Peter Higgs. On 8 October 2013, following the discovery at CERN's Large Hadron Collider of a new particle that appeared to be the long sought Higgs boson predicted by the theory, it was announced that Peter Higgs and François Englert had been awarded the 2013 Nobel Prize in Physics.

Стандартты үлгі

Хиггс механизмін қазіргі заманғы бөлшектер физикасына Стивен Вайнберг пен Абдус Салам енгізді және ол Стандартты модельдің маңызды бөлігі болып табылады. Стандартты модельде электрәлсіз симметрия бұзылмаған, жеткілікті жоғары температурада барлық элементарлық бөлшектердің массасы жоқ. Критикалық температурада Хиггс өрісі вакуумдық күтілетін мәнді қалыптастырады; кейбір теориялар симметрия тахиондық конденсация арқылы спонтанды түрде бұзылады, ал W және Z бозондары масса алады (бұл "электрәлсіз симметрияның бұзылуы" немесе EWSB деп те аталады). Ғаламның тарихында, ыстық жарылыстан кейін шамамен 1 пикосекунд (10−12 с) өткенде, ғалам 159,5 ± 1,5 ГеВ температурада болған кезде осы оқиға болған деп саналады. Стандартты модельдегі лептондар мен кварктар сияқты фермиондар да Хиггс өрісімен өзара әрекеттесу нәтижесінде масса ала алады, бірақ бұл масса алу өлшегіш бозондардың масса алуынан өзгеше болады.

Хиггс өрісінің құрылымы

Стандартты модельде Хиггс өрісі SU(2) дублет (яғни, изоспин деп аталатын екі кешенді компоненті бар стандартты өрнек), бұл Лоренц түрлендірулері бойынша скаляр болып табылады. Оның электр заряды нөл; оның әлсіз изоспині және әлсіз изоспиннің үшінші компоненті −; ал оның әлсіз гиперзаряды (U(1) өлшем тобының заряды, кездейсоқ көбейту тұрақтысына дейін анықталады) 1-ге тең. U(1) айналу кезінде ол фазамен көбейтіледі, осылайша кешенді спинордың нақты және жолғары бөліктері бір-бірімен араласып, U(2) тобының стандартты екі компонентті кешенді өрнегін құрайды. Хиггс өрісі, оның потенциалымен сипатталатын (жинақталған, бейнеленген немесе тіпті модельдеу арқылы көрсетілген) өзара әрекеттесулер арқылы U(2) өлшем тобының төрт генераторының ("бағыттары") үшінің спонтанды түрде бұзылуын тудырады. Бұл көбінесе SU(2)L × U(1)Y деп жазылады (қатаң айтқанда, бұл тек инфинитезималды симметриялар деңгейінде ғана сәйкес келеді), себебі диагональдық фаза факторы басқа өрістерге де әсер етеді, әсіресе кварктарға. Оның төрт компонентінің үшеуі, егер олар өлшем өрістерімен байланыстырылмаса, әдетте Голдстоун бозондары ретінде көрінетін еді. Алайда, симметрия бұзылғаннан кейін, Хиггс өрісінің төрт еркіндік дәрежесінің осы үшеуі үш W және Z бозондарымен (, және ) араласып, тек осы әлсіз бозондардың құрамдас бөліктері ретінде ғана байқалады, олардың араласуы арқасында масса алады; тек бір ғана еркіндік дәрежесі жаңа скалярлық бөлшекке айналады: Хиггс бозоны. Голдстоун бозондарымен араласпайтын компоненттер массасыз фотондарды құрайды.

Фермиондарға әсері

Өздігінен симметрияны бұзу енгізілгеніне қарамастан, массалық мүшелер хиральдық өлшегіш инварианттылығына кедергі келтіреді. Осы өрістер үшін массалық мүшелер әрқашан өлшегіш инвариантты "Хиггс" механизмімен алмастырылуы тиіс. Мүмкіндіктердің бірі – фермиондық өріс ψ және Хиггс өрісі φ арасындағы белгісіз жұптаулармен Юкава байланысының бір түрі (төменде қараңыз), симметрия бұзылғаннан кейін (нақтырақ айтқанда: Лагранж тығыздығын тиісті негізгі күйдің айналасында кеңейткеннен кейін) бастапқы массалық мүшелерге қайтадан әкеледі, бірақ енді (яғни Хиггс өрісін енгізу арқылы) өлшегіш инвариантты түрде жазылған. Фермиондық өріс ψ және Хиггс өрісі φ үшін Юкава өзара әрекеттесуінің Лагранж тығыздығы:

мұнда өлшегіш өріс A тек өлшегіш ковариантты туынды операторы арқылы ғана кіреді (яғни ол тек жанама түрде көрінеді). - Дирак матрицалары, ал - ψ үшін аталған Юкава жұптау параметрі. Бұқаралық генерация жоғарыда айтылған принцип бойынша жүзеге асырылады, атап айтқанда, шекті күтілетін мән болуынан. Бұл масса қасиетінің болуы үшін маңызды.

Өмірбаян

Өздігінен симметрияны бұзу релятивистік кванттық өріс теорияларына бозондарды енгізуге арналған негіз болды. Бірақ Голдстоун теоремасына сәйкес, бұл бозондар массасыз болуы тиіс. Голдстоун бозондары ретінде шамамен түсіндірілетін жалғыз байқалған бөлшектер пиондар еді, оларды Йоичиро Намбу хиральдық симметрияның бұзылуымен байланыстырды. Ұқсас мәселе Янг-Миллс теориясымен (абельдік емес калибрлік теория деп те аталады) туындайды, ол массасыз спин 1 калибрлік бозондарды болжайды. Массасыз, әлсіз өзара әрекеттесетін калибрлік бозондар ұзақ қашықтықтағы күштерге алып келеді, олар тек электромагнетизм және оған сәйкес массасыз фотон үшін ғана байқалады. Әлсіз күштің калибрлік теориясы тұрақты болуы үшін, массалы калибрлік бозондарды сипаттаудың жолын табу қажет еді.

Ашылу

Бұзылу габаритінің симметриясы массасыз бөлшектерге әкелмейтінін 1961 жылы Джулиан Швингер байқаған, бірақ ол массивті бөлшектердің пайда болатынын көрсетпеген. Бұл Филип Уоррен Андерсонның 1962 жылғы мақаласында жасалды. Механизмді сол кездегі кеңестік студенттер Александр Мигдаль мен Александр Поляков та ұсынған. Алайда, олардың мақаласын JETP редакциясы кешіктірді және ол 1966 жылы жарияланды. Бұл механизм Йоичиро Намбу бұрын ашқан құбылыстарға өте ұқсас, ол суперөткізгіштіктегі кванттық өрістердің «вакуумдық құрылымына» қатысты. Бұған дейін Эрнст Стюкельберг зерттеген, «Стьюкельберг механизмі» деп аталатын ұқсас, бірақ ерекше әсер (қазіргі уақытта Хиггс өрісі деп танылғанның аффиндік іске асырылуын қамтиды) болған. Бұл физиктер гаузерлік теорияны симметрия тобын спонтанды түрде бұзатын қосымша өріспен біріктіргенде гаузерлік бозондардың нөлден өзгеше массаға ие болатынын анықтады. Бұл үлкен мәндерге қарамастан (төменде қараңыз), әлсіз күштің гаузерлік теориясымен сипаттауға мүмкіндік береді, ол Стивен Вайнберг пен Абдус Салам тарапынан 1967 жылы тәуелсіз түрде әзірленді. Хиггстің модельді ұсынған түпнұсқа мақаласы Physics Letters журналымен қабылданбады. Мақаланы Physical Review Letters журналына қайта жібермес бұрын қайта қарағанда, ол соңына бір сөйлем қосты, онда бұл бір немесе бірнеше жаңа, массивті скалярлық бозондардың бар екендігін көрсетеді, олар симметрия тобының толық өкілдіктерін құрамайды; олар – Хиггс бозондары. Браут пен Энглерттің, Хиггстің және Гуральник, Хаген мен Кибблдің үш мақаласы 2008 жылы Physical Review Letters журналымен «белгілі хаттар» ретінде танылды. Осы мақалалардың әрқайсысы ұқсас тәсілдерді қолданғанмен, 1964 жылғы PRL симметрияны бұзу мақалалары арасындағы үлес және айырмашылықтар ерекше. Физиктердің барлығы осы жұмысы үшін 2010 жылы теориялық бөлшектер физикасы бойынша Дж. Дж. Сакурай сыйлығымен марапатталды. Бенджамин В. Ли көбінесе «Хиггс сияқты» механизмді алғаш атаған адам ретінде танылады, бірақ бұл алғаш рет қашан болды деген пікірталас бар. Хиггс атауы алғаш рет 1972 жылы басылымда пайда болды, ол кезде Герардус 'т Хоофт пен Мартинус Дж. Г. Велтман оны Нобель сыйлығын алған мақалаларында «Хиггс–Киббл механизмі» деп атады.

That breaking gauge symmetries did not lead to massless particles was observed in 1961 by Julian Schwinger, but he did not demonstrate massive particles would eventuate. This was done in Philip Warren Anderson's 1962 paper the mechanism was also proposed by Alexander Migdal and Alexander Polyakov, at that time Soviet undergraduate students. However, their paper was delayed by the editorial office of JETP, and was published late, in 1966. The mechanism is closely analogous to phenomena previously discovered by Yoichiro Nambu involving the "vacuum structure" of quantum fields in superconductivity. A similar but distinct effect (involving an affine realization of what is now recognized as the Higgs field), known as the Stueckelberg mechanism, had previously been studied by Ernst Stueckelberg. These physicists discovered that when a gauge theory is combined with an additional field that spontaneously breaks the symmetry group, the gauge bosons can consistently acquire a nonzero mass. In spite of the large values involved (see below) this permits a gauge theory description of the weak force, which was independently developed by Steven Weinberg and Abdus Salam in 1967. Higgs's original article presenting the model was rejected by Physics Letters. When revising the article before resubmitting it to Physical Review Letters, he added a sentence at the end, mentioning that it implies the existence of one or more new, massive scalar bosons, which do not form complete representations of the symmetry group; these are the Higgs bosons. The three papers by Brout and Englert; Higgs; and Guralnik, Hagen, and Kibble were each recognized as "milestone letters" by Physical Review Letters in 2008. While each of these seminal papers took similar approaches, the contributions and differences among the 1964 PRL symmetry breaking papers are noteworthy. All six physicists were jointly awarded the 2010 J. J. Sakurai Prize for Theoretical Particle Physics for this work. Benjamin W. Lee is often credited with first naming the "Higgs like" mechanism, although there is debate around when this first occurred. One of the first times the Higgs name appeared in print was in 1972 when Gerardus 't Hooft and Martinus J. G. Veltman referred to it as the "Higgs–Kibble mechanism" in their Nobel winning paper.

Теорияның суперөткізгіштіктегі шығу тегі туралы қарапайым түсіндірме

Хиггс механизмі суперөткізгіштіктегі байқауларды түсіндіруге бағытталған теориялардың нәтижесінде туындады. Суперөткізгіш сыртқы магниттік өрістердің енуіне жол бермейді (Майснер эффектісі). Бұл ерекше байқау электромагниттік өрістің осы құбылыс кезінде қысқа қашықтықта болатынын көрсетеді. 1950 жылдары мұны түсіндіру үшін, алдымен фермиондар үшін (Гинцбург-Ландау теориясы, 1950), содан кейін бозондар үшін (БКС теориясы, 1957) сәтті теориялар пайда болды. Бұл теорияларда суперөткізгіштік зарядталған конденсаттан туындайды деп есептеледі. Бастапқыда конденсаттың мәні ерекше бағытқа ие емес. Бұл оның скаляр екенін білдіреді, бірақ оның фазасы өлшемдік негіздегі өріс теорияларында өлшемді анықтауға мүмкіндік береді. Мұны істеу үшін өріс зарядталған болуы керек. Зарядталған скалярлық өріс кешенді болуы керек (немесе басқаша айтқанда, оның кем дегенде екі компоненті және оларды бір-біріне айналдыра алатын симметриясы болуы керек). Наive калибрлік теориясында конденсаттың калибрлік түрленуі әдетте фазаны айналдырады. Дегенмен, осы жағдайларда ол фазаның ерекше таңдауын белгілейді. Бірақ, өлшемді конденсаттың барлық жерде бірдей фазаға ие болуы үшін орнату электромагниттік өріске қосымша мүше енгізеді. Бұл қосымша мүше электромагниттік өрістің қысқа қашықтықта болуына себеп болады. Голдстоун теоремасы да мұндай теорияларда маңызды рөл атқарады. Техникалық тұрғыдан алғанда, конденсат симметрияны бұзғанда, конденсатқа симметрия генераторының әсерінен қол жеткізілген күйдің энергиясы бұрынғыдан өзгеше болмайды. Бұл кейбір тербелістер энергияның өзгеруін тудырмайтынын білдіреді. Энергиясы өзгермейтін тербелістер тербеліске байланысты туындаған қоздырылымдардың (бөлшектердің) массасыз екенін көрсетеді. Бұл теорияға бөлшек физикасында назар аударғаннан кейін, ұқсастықтар анық болды. Көбінесе ұзақ қашықтықтағы электромагниттік өрістің қысқа қашықтықтағыға айналуы, өлшемдік инвариантты теорияда әлсіз күш бозондары үшін қажетті әсер болды (өйткені ұзақ қашықтықтағы күш массасыз өлшемдік бозондарға ие, ал қысқа қашықтықтағы күш массалы өлшемдік бозондарды білдіреді, бұл өзара әрекеттесудің нәтижесінде өрістің өлшемдік бозондары массаға ие болғанын немесе оған баламалы әсерді көрсетеді). Мұны істеу үшін қажетті өрістің ерекшеліктері де анықталды – ол кем дегенде екі компоненті бар зарядталған скалярлық өріс болуы керек және оларды бір-біріне айналдыра алатын симметрияны қолдау үшін кешенді болуы керек.

The proposed Higgs mechanism arose as a result of theories proposed to explain observations in superconductivity. A superconductor does not allow penetration by external magnetic fields (the Meissner effect). This strange observation implies that the electromagnetic field somehow becomes short ranged during this phenomenon. Successful theories arose to explain this during the 1950s, first for fermions (Ginzburg–Landau theory, 1950), and then for bosons (BCS theory, 1957). In these theories, superconductivity is interpreted as arising from a charged condensate. Initially, the condensate value does not have any preferred direction. This implies it is scalar, but its phase is capable of defining a gauge, in gauge based field theories. To do this, the field must be charged. A charged scalar field must also be complex (or described another way, it contains at least two components, and a symmetry capable of rotating each into the other(s)). In naïve gauge theory, a gauge transformation of a condensate usually rotates the phase. However, in these circumstances, it instead fixes a preferred choice of phase. However it turns out that fixing the choice of gauge so that the condensate has the same phase everywhere, also causes the electromagnetic field to gain an extra term. This extra term causes the electromagnetic field to become short range. Goldstone's theorem also plays a role in such theories. The connection is technically, when a condensate breaks a symmetry, then the state reached by acting with a symmetry generator on the condensate has the same energy as before. This means that some kinds of oscillation will not involve change of energy. Oscillations with unchanged energy imply that excitations (particles) associated with the oscillation are massless. Once attention was drawn to this theory within particle physics, the parallels were clear. A change of the usually long range electromagnetic field to become short ranged, within a gauge invariant theory, was exactly the needed effect sought for the weak force bosons (because a long range force has massless gauge bosons, and a short ranged force implies massive gauge bosons, suggesting that a result of this interaction is that the field's gauge bosons acquired mass, or a similar and equivalent effect). The features of a field required to do this was also quite well defined it would have to be a charged scalar field, with at least two components, and complex in order to support a symmetry able to rotate these into each other.

Мысалдар

Хиггс механизмі зарядталған өріс вакуумдық күтілім мәніне ие болғанда пайда болады. Релятивистік емес жағдайда бұл – суперөткізгіш, формальдырақ айтқанда, зарядталған Бозе-Эйнштейн конденсатының Ландау моделі. Релятивистік конденсатта конденсат – релятивистік түрленуге инвариантты скалярлық өріс.