Nobelprisen i fysikk - 2013 • Igor Ivanov • Vitenskapsnyheter om "Elementer" • Nobelpriser, Higgs boson, Fysikk

Nobelprisen i fysikk – 2013

Nobelprisen i fysikk 2013: Francois Engler (til venstre) og Peter Higgs (til høyre). Foto fra www.efabula.com

Nobelprisen i 2013 i fysikk ble tildelt to fysikere, belgiske François Englert og bror Peter Higgs (Peter Higgs) for "teoretisk oppdagelse av en mekanisme som hjelper oss å forstå opprinnelsen til massene av subatomære partikler og som nylig ble bekreftet ved oppdagelsen av Stor Hadron Collider av den Nye Forutsagte Partikkel. " Med andre ord, for det som nå nå kalles "Higgs-mekanismen." La oss understreke: ikke for oppdagelsen eller til og med for prediksjon av Higgs boson, men for selve mekanismen, ekkoet som Higgs boson er. Det var en av de mest forutsigbare nominasjonene i fysikk i år og samtidig – en kilde til mange tvister om prioritet og generelt om meningsfylten av å tildele Nobelprisen på dette emnet til bestemte personer.

Mye oppmerksomhet er allerede blitt utbetalt til Higgs-mekanismen på "Elements". I prosjektet om Large Hadron Collider er det sider som er dedikert til selve mekanismen og søket etter Higgs boson på collideren.I 2012, da oppdagelsen av Higgs boson ble annonsert på CERN, kom en detaljert artikkel på elementene med detaljer om studien. Den nåværende tilstanden til det vitenskapelige programmet for å studere egenskapene til Higgs boson, er reflektert i LHCs resultatside, og de siste nyhetene vises regelmessig på LHC-nyhetsfeeden i News-delen av Higgs boson. Endelig finnes det også i materialene til berømte fysikere som er publisert på Elements, for eksempel i forelesningen av Valery Rubakov.

Retelling alt dette igjen gir ikke mye mening; De mest grunnleggende tingene om Higgs-mekanismen er imidlertid oppsummert nedenfor i form av "spørsmål og svar" så kort som mulig. Men Nobelprisen er en god grunn til å fortelle historien om oppdagelsen av Higgs-mekanismen, om det vanskelige valget Nobelkomiteen står overfor, og samtidig rette inntrykket som en uerfaren leser kan ha når man møter dette emnet.

Et kort notat om Higgs boson

Er det sant at Higgs boson er ansvarlig for massen av alle partikler i universet?
Nei, ikke sant. Higgs boson gir ingenting til massen. Higgs-feltet gir masse, og bosonen bare mikroskopiske "ripples", en forstyrrelse av dette feltet.I tillegg er Higgs-feltet ikke ansvarlig for hele massen av alle partikler. Det gir masse til elektroner, muoner, noen andre tunge partikler. Massen av protoner og nøytroner oppstår nesten helt på grunn av en helt annen mekanisme. Så Higgs-feltet er ansvarlig for om lag 1% av massen av hele stoffet rundt oss. Svarte hull, uoppdaget mens partikler av mørkt materiale og muligens også nøytriner får deres masse også på bekostning av andre kilder.

Og hvor mange Higgs bosoner rundt oss?
Ikke i det hele tatt. Higgs bosons levetid er ubetydelig, og den oppløses etter fødselen, uten å ha tid til å samhandle med noe. Han kan ikke bli født i naturlige prosesser; De nødvendige forholdene eksisterer bare på Large Hadron Collider og i sjeldne astrofysiske prosesser med høye energier.

Hvorfor trenger Higgs boson fysikere dersom det ikke vises overalt?
Da vil han hjelpe til med å kjenne egenskapene og opprinnelsen til Higgs-feltet. En boson er ingenting, et felt er alt, men dette feltet kan ikke studeres på andre måter. Spørsmålet "Hvem trenger alt dette i det hele tatt?" ikke diskutert her, se for eksempel siden Hvorfor trenger jeg LHC?

Hvis Higgs boson allerede er åpen, hvorfor studere det videre?
Fysikere trenger ikke så mye å verifisere tilstedeværelsen av Higgs boson, hvordan måle dens egenskaper. Dette kan bare gjøres ved å organisere fødsel og forfall av Higgs boson mange ganger og etter statistisk databehandling. Dette krever flere års drift av collider og forsiktig behandling av resultatene. Intermediate forskningsresultater vises jevnlig.

Hvis Higgs-feltet gir masse til andre partikler, hva gir massen til Higgs boson?
Det er to svar: forenklet og ekte. Forenklet er dette: Higgs-feltet selv gir, fordi det samhandler med seg selv. Nåtiden er mye mer komplisert. Hvis vi begrenser oss til bare ett uttrykk, vil Higgs-feltet gi Higgs boson en urealistisk stor masse, og siden vi ikke ser slike mirakler i naturen, betyr det at noe anneti tillegg til den enkle Higgs-mekanismen, som forstyrrer massen av Higgs boson. Men hva det er, vet vi fortsatt ikke sikkert, selv om det er mange teorier her.

Siden Higgs-feltet gir masse til partikler, viser det seg, genererer det tyngdekraften?
Nei. Gravity er forbundet med kroppens fulle energi.Higgs-feltet kan konvertere en del av den totale energien til hvileenergi, det vil si til masse, men det påvirker ikke gravitasjonsinteraksjonen direkte. I moderne fysikk er det teorier der Higgs-feltet likevel på en bestemt måte har noe til felles med tyngdekraften, men dette er ikke i det hele tatt forbindelsen som vanligvis er ment i dette spørsmålet.

Hvem skal gi "nobel"?

I massebevisstheten ser en viktig oppdagelse i teoretisk fysikk, og enda mer, oppdagelsen som er preget av Nobelprisen, vanligvis ut som dette. Det var et vanskelig problem, ingen kunne løse det, uansett hvor hardt de prøvde, og så tok Genius opp saken og alene produserte en helt komplett teori. Akk, i det overveldende flertallet av tilfellene er situasjonen i moderne vitenskap ganske annerledes. Teoretisk fysikk er utviklet av mange tusen spesialisters felles innsats, og hver enkelt persons bidrag kan være ganske lite – selv om han har blitt en lenke som forbinder andres publikasjoner før og etter ham.

Videre skjer det at noen vanskelige spørsmål ikke gir fysikere en pause i lang tid, og i denne spennende atmosfæren kan liknende ideer komme opp i tankene på en gang til flere personer.Senere, fra årtierens perspektiv, kan hele teorien som er kommet frem, se veldig viktig ut, men i rettferdighet for å prioritere et enkelt "viktigste skritt" til en av fysikerne som deltar i etableringen, kan det være ekstremt vanskelig. Og noen ganger er kriteriet i en slik dødgang ikke hvem som var virkelig viktigere for å bygge teorien selv, men som i riktig øyeblikk og i riktig sammenheng uttalt det riktige ordet.

Nobelprisen i fysikk i 2013 er et godt eksempel på denne situasjonen. Prisen for "Higgs-mekanismen" ble tildelt to fysikere, Peter Higgs og François Engler, og kunne også blitt tildelt Robert Braut, medforfatter av Engler, hvis han levde nå. Imidlertid hadde mer enn et dusin teoretikere en hånd i å skape Higgs-mekanismen (se figur 2 nedenfor). Og selv om vi bare tar de artiklene fra 1964, der nøkkelfunksjonen til Higgs-mekanismen ble gjort og til en viss grad viste seg, er det her nødvendig å nevne artikler i tre grupper. Kronologisk sekvens av publikasjoner var som følger: Først Brout-Engler, deretter to Higgs-artikler, deretter en artikkel av Gerald Huralnick, Karl Hagen og Thomas Kibble.Det er ikke ved en tilfeldighet at alle seks mottok i 2010 den prestisjefylte Sakurai-prisen, som American Physical Society utdeler for fremragende bidrag til partikkelfysikk.

Det må sies at den delikate situasjonen med prioritet i oppdagelsen av denne mekanismen og med den konstante bruken av begrepet "Higgs" har vært kjent i lang tid. Hun ble gjentatte ganger diskutert under ulike omstendigheter og tjente spesielt som en påskudd for flere historiske skisser og minner fra alle deltakerne i denne historien for et halvt århundre siden. Et utvalg av disse materialene, se listen over lenker i slutten av artikkelen.

Kort løpet av historien til Higgs-mekanismen

Fig. 2. "Ufullstendig Higgstoria": En skjematisk fremstilling av bidrag fra ulike teoretiske fysikere til det som nå kalles "Higgs-mekanismen"; piler Det viser virkningen som noen teorier hadde på andre. Beige blokk i sentrum av ordningen – Fire artikler fra 1964, som vanligvis refereres til i den vitenskapelige litteraturen ved omtale av Higgs-mekanismen. Ordningen av Matt Strasler

På fig. Figur 2 viser et diagram laget av fremtredende fysiker Matt Strassler om hvordan Higgs-mekanismen krystalliserte i verk av dusinvis av teoretikere i 1950- og 1960-tallet.Det faktum at denne ordningen kalles "veldig ufullstendig" er ikke i det hele tatt en vits, det var virkelig urealistisk å ta hensyn til alle de som til en viss grad hadde en hånd i det. Den sentrale, uthevede blokken inneholder de fire nevnte artiklene; det er tydelig sett at disse arbeidene er avhengige av ulike forgjengers arbeid. Vi vil prøve å kortfattet beskrive, ikke gå inn for tekniske detaljer, hvem gjorde hva og hvem som påvirket hvem.

Ved slutten av 1950-tallet ble en dristig hypotese formulert: Sterke og svake vekselvirkninger kan også beskrives som måleinteraksjoner, som vellykket kvantelektrodynamikk (se hele historien om utviklingen av elementær partikkelfysikk på en side). I slike teorier oppstår samspillet mellom partikler uavhengig som følge av teoriens symmetri med hensyn til noen transformasjoner, og det fysiske kraftfelt oppnås ved utveksling av bærerpartikler. Sant, i motsetning til elektromagnetisme, bør disse feltene være uvanlige å beskrive sterke eller svake samspill. Teorien om slik interaksjon ble bygd av ZH. Young og R. Mills i 1954 og stoler på den rike "interne" symmetrien av partikler.

Alt ville være flott hvis det ikke var for en viktig detalj.Hvis denne symmetrien i vår verden var, ville bærerpartiklene av svake vekselvirkninger være masseløse. Men vi ser ikke slike partikler. Derfor, hvis denne symmetrien har noe å gjøre med vår verden, så bør den bli spontant ødelagt. Grovt, selv om likningene er symmetriske, er deres løsninger, som beskriver vår verden, ikke.

Hvordan bygge en teori med spontan symmetribryting, vet fysikere. I kondensert materiefysikk var dette kjent i lang tid, og Nambu brukte disse ideene til elementære partikler i 1960. Vi må anta eksistensen av en ny type skalarfelt, som har en uvanlig egenskap: i lavest energistatus er dette feltet ikke i det hele tatt fraværende, men fyller hele universet med en kontinuerlig homogen bakgrunn (illustrasjoner av Higgs-mekanismen vil bidra til å forstå dette bildet). Eksempler på et slikt felt var allerede kjent i noen ikke-relativistiske områder av fysikk (for eksempel superfluiditet og superledningsevne), men det var ikke veldig klart å ordne dette i ekte relativistiske teorier om elementære partikler.

I tillegg oppstår et nytt angrep: når symmetri er spontant brutt, så opptrer masseløse partikler allerede på skalarfeltet.Denne uttalelsen ble kalt "Goldstone-teoremet" og i den endelige formen ble det strengt bevist i 1962. Konklusjonen fra dette fulgte ganske stiv: dersom dette er så, er forskjellige interessante forsøk på å knytte egenskapene til elementære partikler med det spontane brudd på en slags intern symmetri, fruktfrie. Tross alt vil masseløse skalare partikler uunngåelig oppstå, men vi vet absolutt at de ikke eksisterer i naturen.

Således er det så langt mulig å legge til side alle egenskapene til ekte partikler og virkelige samspill og oppveie et veldig spesifikt, men heller teoretisk spørsmål: er det likevel å omgå Goldstone-setningen? Er det mulig å bryte symmetrien, men unngå utseendet på masseløse bosoner?

I årene 1962-1963 ble verk først fremstilt av Schwinger og deretter av Anderson, der konkrete eksempler er gitt på hvordan denne teorem kan omgå. Og i sin artikkel formulerte Anderson direkte en nøkkelobservasjon som setter ting på plass:

Masseløse bosoner vises, men de blir straks sammenklemt med de masseløse partikkelbærerne av interaksjon; På grunn av denne entanglement blir masseløse skalare partikler selv observerbare, men bærerpartikkelen blir massiv.

Denne ideen – "en masselær skalarpartikkel + masseløs bærer = massiv bærer" – ligger i hjertet av Higgs-mekanismen. Det er derfor Anderson ville bli ansett som forfatteren av denne ideen hvis det ikke var for en subtilitet: Andersons eksempel var relatert til ikke-relativistisk teori. Han håpet at det kunne bli implementert for relativistiske teorier, men hvor nøyaktig han ikke demonstrerte.

1964

De etterfølgende hendelsene i 1964 så mer ut som en utveksling av "åpne bokstaver" ikke mer enn en side i størrelse enn som fullverdige vitenskapelige artikler (og det var ikke ved en tilfeldighet at de ble publisert i tidsskrifter Fysisk gjennomgangstavler og Fysikk Letters). I mars-utgaven av PRL: Klein og Lee påpekes det igjen at beviset på Goldstone-setningen er avhengig av komplett relativistisk kovarians ved å formulere teorien, og atorien ikke kan bevises uten den. Kanskje dette er et smutthull? Tre måneder senere, opplever Hilbert: Selvfølgelig er dette et smutthull, men det vil bare hjelpe til ikke-relativistiske teorier. Og vi bygger teorier om samspillet mellom elementære partikler på en relativistisk invariant måte, så alas, men det vil ikke fungere.

I september 1964 oppstod Higgs-mot-innsigelsen på denne merknaden.Dette er sant, sier han, men la oss ikke glemme at måle teorier har sine egne viktige egenskaper som ikke tillater en så stiv formulering. Så det er også mulig å konstruere teorien, slik at både symmetrien er ødelagt og de masseløse partiklene svikter. I oktober-utgaven av PRL-magasinet ga Higgs et konkret eksempel (om enn i klassisk, snarere enn kvantteori), og i mellom tilfeller skrev i ren tekst at i tillegg til alt det også oppstod en ny, massiv spinnløs partikkel.

Parallelt med denne korrespondansen i august-utgaven av PRL – det vil si før den første artikkelen av Higgs – oppstod en tre-siders artikkel av Broute og Engler viet til det samme problemet. De reagerte ikke på noen spesifikke innvendinger, men bare laget et eksempel på den nødvendige teorien, og allerede i Yang-Mills-teorien. Siden dette arbeidet virket nesten samtidig med Higgs første artikkel, er det ingen kryssreferanse i dem, men den andre artikkelen fra Higgs nevner det allerede.

I november 1964 ble en artikkel av Guralnik, Hagen og Kibble publisert i PRL om det samme problemet. De visste ikke om publikasjoner fra Higgs og Braut-Engler til siste øyeblikk og mottok tidsskrifter med sine arbeider, bare å forberede sin artikkel for sending.Etter dette måtte de supplere teksten til sin artikkel med nye kommentarer, men generelt så de situasjonen som følger: Det som ikke var fullt utarbeidet av Braut-Engler og Higgs, har et komplett utseende.

Legg merke til at Higgs boson har et ubetydelig sted i denne historien. All kontrovers er utført rundt muligheten for riktig konstruksjon. teori, søker etter en bypass av Goldstone-setningen, dødelig farlig for interessante anvendelser av Yang-Mills-teorien. Videre, da det gjaldt bestemte applikasjoner, prøvde de fleste å bruke den nye metoden for å forklare massene av hadroner, og ikke de hypotetiske partikkelbærerne av svake samspill! Så fra det synspunktet å løse dette problemet, utgjør ikke den nye bosonen, som for første gang kun er nevnt i Higgs, noe nytt prestasjoner og var vanligvis ikke knyttet til teorier om svake samspill. Imidlertid, flere tiår senere, var dette direkte omtale av et irrelevant faktum som ble forvandlet i masseperspektivet til "prediksjonen til Higgs bosonet" som et bestemt viktig element i hele epikken.

Siden disse verkene var rent tekniske, så var det selvsagt ikke slutt på historien.Andre artikler fulgt, noen ganger relatert til dem, noen ganger ikke. For eksempel, i 1966, ganske ung da Alexander Migdal og Alexander Polyakov publiserte en artikkel i JETP med de samme resultatene som ble oppnådd på en annen måte. Migdal sier i sine memoarer at de forsøkte å publisere denne artikkelen i to år, men i begynnelsen ønsket ingen å ta det på alvor (se også Alexander Polyakovs memoarer og materialene som følger med Nobelprisen). Og generelt er spørsmålet om hva et brudd på målesymmetri generelt, blitt diskutert i mange år (se for eksempel Elitzurs 1975-setning). Imidlertid legger vi vekt på: med unntak av individuelle arbeider var det i lang tid lagt vekt på selve teorien, og ikke på Higgs boson.

Bosonens rolle som praktisk for eksperimentell observasjon "Ekko" av mekanismen ble virkelig realisert bare på 70-tallet. På omtrent samme tid stakk det praktiske og korte, men ikke rettferdige epithetet "Higgs", så vel som selve mekanismen. Etter at teorien om electroweak-interaksjoner ble bygget, som blant annet var basert påDenne mekanismen, etter at det ble vist at denne teorien er renormaliserbar (det vil si selvkonsistent og egnet for beregninger), oppsto en utbredt interesse blant fysikere i egenskaper og i søket etter Higgs boson.

Teoretikere begynte å beregne prosessene for fødsel og forfall av bosonen, og eksperimentene begynte å lete etter det på alle collider. Akk, de fant ingen spor, men det forstyrret ikke noen mye, siden bosons masse forblir ukjent. Bosonen var ikke synlig på de gigantiske colliderne LEP ved CERN og Tevatronen på Fermilab, men på den annen side begynte den å "føle" indirekte i totaliteten av de akkumulerte av tidsdataene om verifikasjonen av standardmodellen. På den tiden overbeviste det overveldende flertallet av fysikere seg selv at bosonen tilsynelatende eksisterer, noe som betyr at Higgs-mekanismen er ekte, men det var mangel på en endelig berøring – den direkte funn av Higgs boson i forsøket. Det ble gjort på LHC i 2012, og dermed, etter et halvt århundre (!) Etter en teoretisk funn bekreftet den til slutt gyldigheten av Higgs-mekanismen for å bryte elektrosvaksymmetrien.

Vel, for en matbit, for å bedre føle hvem som deltok i teorien, prøv å telle hvor mange av folketNavnene som er oppført i denne nyheten er nobelpristagere (hint: ikke bare fysikkvinnere!).

referanser:

Standard fire artikler, som vanligvis er knyttet til utviklingen av Higgs-mekanismen:
1) F. Englert og R. Brout. Broken Symmetry and Messenger Vector Mesons // Phys. Rev. Lett. 13, 321-323 (1964).
2) P. W. Higgs. Brutte symmetrier, masseløse partikler og målefelt // Phys. Lett. 12, 132-133 (1964).
3) P. W. Higgs. Broken Symmetries and Masses of Gauge Bosons // Phys. Rev. Lett. 13, 508-509 (1964).
4) G.S. Guralnik, C.R. Hagen, og T. W. B. Kibble. Global Conservation Laws og Massless Particles // Phys. Rev. Lett. 13, 585-587 (1964); En mer detaljert versjon av dette arbeidet i presentasjonen av Gerald Guralnik ble publisert i 1965 og nylig lagt ut i arkivet av e-trykk.

Historien om utviklingen av teorien i presentasjonen av sine direkte deltakere:
1) R. Braut, F. Engler. Spontan symmetri Breaking in Gauge Theories: en historisk undersøkelse (1998).
Intervju med Philip Anderson (1999).
2) T. Kibble, Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble-mekanismen (historie).
3) G. S. Guralnik. Historien om utviklingen av ideen med tekniske detaljer og sammenligning av artikler fra flere grupper, se også Begynnelsen til spontan symmetri, bryte i partikkelfysikk, historiske kommentarer og bilder. .
4) P. Higgs. Forhistorien til Higgs boson og My Life As A Boson – en kort beskrivelse av utviklingen.

Se også:
1) Kunngjøringen av prisen og en detaljert beskrivelse av situasjonen på den offisielle nettsiden til Nobelprisen.
2) The Twist and Turns of Hi (gg) -historien er en blogginnlegg av Matt Strassler med et forsøk på å gi en detaljert, korrekt og tilgjengelig forklaring av stedet og rollen til de tre artiklene i hele teoriutviklingen.
3) J. Bernstein. Et spørsmål om masse // Am. J. Phys. 79, 25 (2011).
4) L.Alvarez-Gaume, J. Ellis. Øyne på en premiepartikkel // Naturfysikk 7, 2-3 (2011).
5) J. Ellis, M. K. Gaillard, D. V. Nanopoulos. Den fenomenologiske profilen til Higgs boson, den historiske historien om hvordan Higgs boson fra en rent teoretisk partikkel ble til et objekt av eksperimentell forskning.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Legg att eit svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: