Питер Уоррен Хиггс: Физиктің өмірі мен ғылыми еңбектері

Кіріспе

Британдық теориялық физик (1929–2024)

Питер Уэр Хиггс (29 мамыр 1929 – 8 сәуір 2024) – британдық теориялық физик, Эдинбург университетінің профессоры және субатомдық бөлшектердің массасы жөніндегі жұмысы үшін физика саласындағы Нобель сыйлығының лауреаты. 1964 жылы Хиггс Physical Review Letters (PRL) журналында жарияланған үш маңызды мақаланың бірін жеке автор ретінде жазған. Бұл мақаладағы электроәлсіз теориядағы спонтандық симметрияның бұзылуы, элементар бөлшектердің, атап айтқанда W және Z бозондарының массасының пайда болуын түсіндіруге болатыны көрсетілген. Бұл Хиггс механизмі жаңа бөлшек – Хиггс бозонының бар екенін болжады, оның табылуы физиканың маңызды міндеттерінің біріне айналды. 2012 жылы CERN Ұлы адрондық коллайдерде Хиггс бозонының табылғанын хабарлады. Осы еңбегі үшін Хиггс 2013 жылы Франсуа Энглертпен бірге Нобель физика сыйлығын алды.

Ерте өмір және білім

Хиггс Англияның Ньюкасл-апон-Тайн қаласының Эльсвик ауданында Томас Уэр Хиггс (1898–1962) және оның әйелі Гертруда Мод Когилл (1895–1969) отбасында дүниеге келді. Оның әкесі Би-Би-Си-де дыбыс инженері болып жұмыс істеді, ал Хиггс балалық шақтағы астмасы және әкесінің жұмысымен байланысты отбасының көшіп-қонып жүруі, сондай-ақ Екінші дүниежүзілік соғыс салдарынан бастапқы білім алудан қалып қойды және үйде оқытылды. Әкесі Бедфордқа көшкен кезде Хиггс анасымен Бристольде қалды және көбінесе сол жерде өсті. Ол 1941–1946 жылдары Бристольдегі Котам грамматикалық мектебінде оқыды, онда мектеп түлектерінің бірі, кванттық механика саласын қалыптастырушы Пол Дирактың еңбектерінен шабыттанды. Ол 1851 жылғы көрмеге арналған Корольдік комиссиядан 1851 жылғы зерттеу стипендиясын алып, Чарльз Коулсон мен Кристофер Лонгуэ Хиггинс басшылығымен молекулалық физика бойынша докторлық диссертациясын қорғады.

Мансап және зерттеу

Докторлық дәрежесін аяқтағаннан кейін Хиггс Эдинбург университетінің аға ғылыми қызметкері болып тағайындалды (1954–56). Одан кейін Лондон Императорлық колледжінде және Лондон университетінде (онда ол математикадан уақытша оқытушы болды) түрлі лауазымдарда жұмыс істеді. 1960 жылы ол Эдинбург университетіне оралды, Тайт математикалық физика институтында оқытушы болып қызмет етті, бұл оған 1949 жылы студент кезінде Батыс таулы аймақтарына автостоппен саяхаттап ұнаған қалада қоныстануға мүмкіндік берді. 1974 жылы ол Эдинбург Корольдік қоғамының мүшесі (FRSE) болып сайланды және 1980 жылы теориялық физика бойынша жеке профессорлық қызметке көтерілді. 1996 жылы зейнетке шыққаннан кейін ол құрметті профессор атанды. Эдинбургте Хиггс алғаш рет массаға қызығушылық танытып, ғалам пайда болған кезде массасы жоқ бөлшектердің, бір секундтың бөлігінен кейін теориялық өріспен (Хиггс өрісі деп аталды) өзара әрекеттесу нәтижесінде массаға ие болды деген идеяны дамытты. Хиггс бұл өрістің кеңістікті толтырып, онымен әрекеттесетін барлық элементарлық субатомдық бөлшектерге масса беретінін болжады. Хиггс механизмі кварктар мен лептондарға масса беретін Хиггс өрісінің бар екенін постулаттайды; бұл протон мен нейтрон сияқты басқа субатомдық бөлшектердің массасының шамалы бөлігін ғана құрайды. Оларда кварктарды байланыстыратын глюондар бөлшектің көп бөлігін құрайды. Хиггстің жұмысының бастапқы негізі Чикаго университетінің жапондық теоретик және Нобель сыйлығының лауреаты Йоичиро Намбудан келді. Намбу конденсацияланған материядағы суперотказғыштықта байқалатын құбылысқа негізделген, бірақ массасыз бөлшектерді дұрыс болжамаған (Голдстоун теоремасы) спонтанды симметрия бұзу теориясын ұсынды. Ол теорияны дамыту кезінде «эврика сәті» болмағанын айтты. Ол Голдстоун теоремасындағы кемшілікті пайдаланатын қысқа мақала жазды (массасыз Голдстоун бөлшектері релятивистік теорияда жергілікті симметрия спонтанды түрде бұзылғанда міндетті түрде пайда болуы керек емес). Хиггс теориялық модельді (Хиггс механизмін) сипаттайтын екінші мақала жазды, бірақ мақала қабылданбады (Physics Letters журналының редакторлары оны «физикаға ешқандай тікелей қатысы жоқ» деп бағалады). Басқа физиктер – Роберт Браут, Франсуа Энглерт, Джеральд Гуральник, К. Р. Хаген және Том Киббл шамамен сол уақытта ұқсас қорытындыларға келді. Жарияланған нұсқасында Хиггс Браут пен Энглерттің еңбектерін сілтеме жасайды, ал үшінші мақала алдыңғы екеуін де келтіреді. Хиггс, Гуральник, Хаген, Киббл, Броут және Энглерттің осы бозонды ашу туралы жазған үш мақаласының әрқайсысы Physical Review Letters журналының 50 жылдығына арналған мерекелік шараларда маңызды еңбектер ретінде танылды. Осы белгілі мақалалардың әрқайсысы ұқсас тәсілдерді қолданғанмен, 1964 жылғы PRL симметрия бұзу мақалалары арасындағы үлестер мен айырмашылықтар ерекше атап өтуге лайық. Бұл механизмді 1962 жылы Филип Андерсон ұсынған, бірақ ол маңызды релятивистік модельді қамтыған жоқ. 2012 жылдың 4 шілдесінде CERN ATLAS және Compact Muon Solenoid (CMS) эксперименттері 126 гигаэлектронвольт (GeV) шамасындағы массалық аймақта Хиггс бозоны болуы мүмкін жаңа бөлшектің бар екендігіне күшті дәлелдер тапқанын хабарлады. Женевадағы семинарда сөйлеген сөзінде Хиггс: «Бұл менің өмірімде болған керемет құбылыс» деді. Айырықша жағдай, осы Хиггс бозонының болуын растау Physics Letters журналының редакторы Хиггстің мақаласын қабылдамаған орында жасалды.

After finishing his doctorate, Higgs was appointed a Senior Research Fellow at the University of Edinburgh (1954–56). He then held various posts at Imperial College London, and University College London (where he also became a temporary lecturer in mathematics). He returned to the University of Edinburgh in 1960 to take up the post of Lecturer at the Tait Institute of Mathematical Physics, allowing him to settle in the city he had enjoyed while hitchhiking to the Western Highlands as a student in 1949. He was promoted to Reader, became a Fellow of the Royal Society of Edinburgh (FRSE) in 1974 and was promoted to a personal chair of Theoretical Physics in 1980. On his retirement in 1996, he became an emeritus professor. At Edinburgh, Higgs first became interested in mass, developing the idea that particles – massless when the universe began – acquired mass a fraction of a second later as a result of interacting with a theoretical field (which became known as the Higgs field). Higgs postulated that this field permeates space, giving mass to all elementary subatomic particles that interact with it. The Higgs mechanism postulates the existence of the Higgs field which confers mass on quarks and leptons; this causes only a tiny portion of the masses of other subatomic particles, such as protons and neutrons. In these, gluons that bind quarks together confer most of the particle mass. The original basis of Higgs's work came from the Japanese born theorist and Nobel Prize laureate Yoichiro Nambu from the University of Chicago. Nambu had proposed a theory known as spontaneous symmetry breaking based on what was known to happen in superconductivity in condensed matter, which incorrectly predicted massless particles (the Goldstone's theorem). He stated that there was no "eureka moment" in the development of the theory. He wrote a short paper exploiting a loophole in Goldstone's theorem (massless Goldstone particles need not occur when local symmetry is spontaneously broken in a relativistic theory

Higgs wrote a second paper describing a theoretical model (the Higgs mechanism), but the paper was rejected (the editors of Physics Letters judged it "of no obvious relevance to physics"). Other physicists, Robert Brout and François Englert and Gerald Guralnik, C. R. Hagen and Tom Kibble
had reached similar conclusions at about the same time. In the published version Higgs quotes Brout and Englert and the third paper quotes the previous ones. The three papers written on this boson discovery by Higgs, Guralnik, Hagen, Kibble, Brout, and Englert were each recognised as milestone papers by Physical Review Letters 50th anniversary celebration. While each of these famous papers took similar approaches, the contributions and differences between the 1964 PRL symmetry breaking papers are noteworthy. The mechanism had been proposed in 1962 by Philip Anderson although he did not include a crucial relativistic model. On 4 July 2012, CERN announced the ATLAS and Compact Muon Solenoid (CMS) experiments had seen strong indications for the presence of a new particle, which could be the Higgs boson, in the mass region around 126 gigaelectronvolts (GeV). Speaking at the seminar in Geneva, Higgs commented "It's really an incredible thing that it's happened in my lifetime." Ironically, this probable confirmation of the Higgs boson was made at the same place where the editor of Physics Letters rejected Higgs's paper.

Азаматтық марапаттар

Хиггс 2011 жылы Эдинбург сыйлығының иегері атанды. Ол 2007 жылы Эдинбург қалалық кеңесінің қалаға үлкен пайдасын тигізген және Эдинбургке ұлттық және халықаралық деңгейде танымалдық әкелген ерекше тұлғаны марапаттау үшін тағайындалған сыйлықты алған бесінші адам болды. Хиггске 2012 жылдың 24 ақпанында Эдинбургтің лорд-провосты Джордж Групб гравировкаланған сүйіспеншілік кубогын табыс етті. Бұл шарамен бірге оның қол іздері қалалық палаталардың ауласында ашылып, бұрынғы Эдинбург сыйлығының иегерлерінің іздерімен бірге Кейтнес тасына қашалып жазылды. 2013 жылдың шілде айында Хиггске Бристоль қаласының құрметті азаматы атағы берілді. Бристольдегі Дирак-Хиггс ғылыми орталығы да оның құрметіне аталды. 2014 жылдың сәуір айында ол Ньюкасл-апон-Тайн қаласының құрметті азаматы атанды. Ол сондай-ақ Ньюкасл Кейсайдте орнатылған мыс тақташамен құрметтелді, ол Ньюкасл Гейтсхед бастамасының «Жергілікті Батырлар» Даңқ аллеясының бір бөлігі болып табылады.

Теориялық физиканың Хиггс орталығы

2012 жылдың 6 шілдесінде Эдинбург университеті профессор Хиггстің есімімен аталған, теориялық физика саласындағы болашақ зерттеулерді қолдау мақсатындағы жаңа орталық ашылғанын жариялады. Хиггс теориялық физика орталығы әлемнің түкпір-түкпірінен келген ғалымдарды "әлем қалай жұмыс істейтінін тереңірек түсіну" үшін біріктіреді. Аталған орталық қазіргі уақытта университеттің физика және астрономия мектебі мен iGEM 2015 командасының (ClassAfiED) орналасқан жері – Джеймс Клерк Максвелл ғимаратында орналасқан. Сонымен қатар, университет Питер Хиггс есімімен теориялық физика кафедрасын құрды.

Физика саласындағы Нобель сыйлығы

2013 жылдың 8 қазанында Хиггс пен Франсуа Энглерт 2013 жылғы физика саласындағы Нобель сыйлығын "субатомдық бөлшектердің массасының пайда болуын түсінуге үлес қосатын механизмнің теориялық ашылуы үшін, және бұл механизм жақында CERN-нің Ұлы адрондық коллайдеріндегі ATLAS және CMS эксперименттері арқылы болжамдалған негізгі бөлшектің табылуымен расталды" деп хабарланды. Хиггс бұқаралық ақпарат құралдарының назарынан жалтару үшін үйден шыққан екенін айтты, сондықтан ол үйге қайтып келе жатқанда бұрынғы көршісі оған сыйлық берілгенін хабарлады, себебі оның ұялы телефоны болмаған.

Құрметті серіктер орденінің мүшесі

Хиггс 1999 жылы рыцарлық атақтан бас тартты, бірақ 2012 жылы Құрмет серіктері орденінің мүшелігін қабылдады. Кейін ол, орденді тек патшайымның жеке сыйы деп жаңылысқандықтан ғана қабылдағанын айтты. Сондай-ақ ол құрмет жүйесіне күмәнмен қарады және биліктегі үкіметтің осы жүйені «саяси мақсаттар үшін пайдаланатынына» сын көтерді. Орден ешқандай атақ немесе дәреже бермейді, бірақ орден иегерлері лауазымдық аббревиатураларды қолдануға құқылы. Сол сұхбатта ол, есімдерінен кейін не тұрғанын сұраған адамдарға «мен құрметті швейцариялықпын» деп жауап беретінін айтты. Ол 2014 жылдың 1 шілдесінде Холируд сарайында өткен салтанатты шарада патшайымнан орденді алды.

Жеке өмірі мен саяси көзқарасы

1963 жылы Хиггс Эдинбургтегі лингвистика пәнінің американдық оқытушысы және Ядролық қаруды жою науқанының (CND) белсендісі Джоди Уильямсонға үйленді. 1965 жылдың тамызында олардың тұңғыш ұлы дүниеге келді. Хиггстің екі ұлы болды: компьютерлік ғалым Кристофер және джаз музыканты Джонни. Хиггс Лондон мен кейіннен Эдинбургте CND-нің белсендісі болды, бірақ топ ядролық қаруға қарсы күрестен ядролық энергияға қарсы күреске көшкенде, ұйымнан шықты. Ол Greenpeace мүшесі болды, бірақ ұйым генетикалық түрлендірілген организмдерге қарсы шыққанда, одан да бас тартты. Хиггс Эдинбург университетінің профессорлар қауымдастығының бөлімшесінде белсенділік танытып, физика факультетінің басқаруына қызметкерлердің қатысуын арттыруға ұмтылды. Ол Ричард Докинстің дінге сенбейтіндерге қатысты "фундаменталистік" көзқарас ұстанатынын айтты. Хиггс "Құдай бөлшегі" деген лақапқа наразылық білдірді. Ол бұл термин "дінге сенетін адамдарды ренжітуі мүмкін" деп есептелгені туралы хабарларға қарамастан, мұның рас емес екенін айтты және Құдай бөлшегінің Торада, Құранда және буддалық кітаптарда болжалданғаны туралы хаттарға өкініш білдірді. 2013 жылы Decca Aitkenhead-ке берген сұхбатында Хиггс былай деді: text=I'm not a believer. Кейбір адамдар ғылым мен дінтануды шатастырады. Олар CERN-де болған оқиғаның Құдайдың бар екенін дәлелдейтінін айтады. Испаниядағы шіркеу де осы есімді өздерінің пікірін дәлелдеу үшін пайдаланды. [Бұл] бұрмаланған ойлауды күшейтеді, бұрыннан бұрмаланған ойлаудағы адамдардың санасында. Егер олар жеті күнде жаратылыс туралы оқиғаға сенетін болса, олардың ақылы бар ма? Алайда, бұл атау Ледерманның баспасының ұсынысымен берілген; Ледерман бастапқыда оны "ішін шығарып тастағым келетін бөлшек" деп атағысы келген. Хиггс 2024 жылдың 8 сәуірінде Эдинбургтегі үйінде қысқа аурудан кейін 94 жасында қайтыс болды.

Higgs married Jody Williamson, an American lecturer in linguistics at Edinburgh and a fellow activist with the Campaign for Nuclear Disarmament (CND), in 1963. Their first son was born in August 1965. Higgs had two sons: Christopher, a computer scientist, and Jonny, a jazz musician. Higgs was an activist in the CND while in London and later in Edinburgh, but resigned his membership when the group extended its remit from campaigning against nuclear weapons to campaigning against nuclear power too. He was a Greenpeace member until the group opposed genetically modified organisms. Higgs was actively involved in the Edinburgh University branch of the Association of University Teachers, through which he agitated for greater staff involvement in the management of the physics department. He described Richard Dawkins as having adopted a "fundamentalist" view of non atheists. Higgs expressed displeasure with the nickname the "God particle". Although it has been reported that he believed the term "might offend people who are religious", Higgs stated that this is not the case, lamenting the letters he has received which claim the God particle was predicted in the Torah, the Qur'an and Buddhist scriptures. In a 2013 interview with Decca Aitkenhead, Higgs was quoted as saying:

text=I'm not a believer. Some people get confused between the science and the theology. They claim that what happened at Cern proves the existence of God. The church in Spain has also been guilty of using that name as evidence for what they want to prove. [It] reinforces confused thinking in the heads of people who are already thinking in a confused way. If they believe that story about creation in seven days, are they being intelligent?|author=|title=The Guardian|source=6 December 2013

The nickname for the Higgs boson is usually attributed to Leon M. Lederman, the author of the book The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? but the name is the result of the suggestion of Lederman's publisher; Lederman had originally intended to refer to it as the "goddamn particle". Higgs died after a short illness at home in Edinburgh on 8 April 2024, at the age of 94.