Mecanismul Brout-Englert-Higgs

Mecanismul Brout-Englert-Higgs sau mecanismul Brout-Englert-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble ( mecanismul Higgs definit anterior anterior), propus pe o idee de Philip Anderson , este mecanismul teoretic care conferă masă bosonilor de ecartament slab W și Z ^[1] și, în sensul său cel mai general, și fermionilor , adică tuturor particulelor elementare masive (cu excepția neutrino-ului ).

Acesta poate fi considerat generat de un caz elementar condensare tahionică unui câmp scalar complex menționat câmpul Higgs (dintre care unul dintre cei este Particula Higgs ), care declanșează o ruptură spontană de simetrie .

Teoretizat în 1964, mecanismul Brout - Englert - Higgs a fost validat în 2012 prin detectarea experimentală a bosonului Higgs. Pentru descoperirea sa, Peter Higgs și François Englert au primit premiul Nobel pentru fizică în 2013.

Originea și dezvoltarea ideii

Cinci dintre cei șase câștigători ai Premiului Sakurai al Societății Americane de Fizică din 2010: Kibble, Guralnik, Hagen, Englert și Brout.

Ipoteza inovatoare a fost formulată de Peter Higgs la Universitatea din Edinburgh ^[2] , de Robert Brout și François Englert la Université Libre de Bruxelles ^[3] și de Gerald Guralnik , Carl Richard Hagen și Thomas Kibble la Imperial College ^[4] ^[5] și urma să dea masă unui boson vector (numit și boson gauge ) prin cuplarea cu un câmp scalar , numit ulterior câmpul Higgs. Importanța fundamentală a articolelor originale ale tuturor acestor autori pentru formularea mecanismului Brout - Englert - Higgs (numit inițial doar mecanismul Higgs la propunerea lui Gerardus 't Hooft în 1971) a fost recunoscută oficial în 2008, cu ocazia sărbătorirea a 50 de ani de la Physical Review Letters ^[6] .

Rezultatul a fost obținut în contextul unui model spontan de rupere a simetriei de tipul propus de Yōichirō Nambu ^[7] și alții pentru a explica interacțiunea puternică . Modele de acest fel au fost, de asemenea, inspirate de lucrări despre fizica materiei condensate , în special de Lev Davidovič Landau și Vitaly Ginzburg , și de propunerea lui Philip Anderson că superconductivitatea ar putea fi importantă în fizica relativistă; au fost anticipate și de cercetările anterioare ale fizicianului elvețian Ernst Stueckelberg încă din 1938. ^[8]

Simularea unui eveniment într-un accelerator de particule care ar trebui să genereze un boson Higgs

Mecanismul Brout - Englert - Higgs a fost încorporat în Modelul Standard , într-o descriere a forței slabe ca teorie a ecartamentului , independent de Steven Weinberg și Abdus Salam în 1967; în acest context, se referă în mod specific la presupunerea de masă a bosonilor vectoriali W și Z electro-slabi . Ideea generală a unui câmp scalar omniprezent responsabil pentru ruperea simetriei a fost de asemenea folosită pentru a justifica masa fermionilor (vezi mai jos și sub intrarea Câmpului Higgs ).

Modelul standard prezice o stare de excitație cuantică masivă a câmpului Higgs, numită bosonul Higgs, a cărui masă nu este prezisă de model și a cărei detectare experimentală este considerată principalul obiectiv al confirmării teoriei. Anunțul observării unei particule cu caracteristici compatibile cu bosonul Higgs a fost dat de oamenii de știință CERN la 4 iulie 2012 , în urma experimentelor efectuate cu acceleratorul LHC . ^[9]

Teorie

Pentru un exemplu de rupere spontană a simetriei, imaginați-vă un câmp scalar complex căruia îi corespunde valoarea în fiecare punct al spațiului

H(x,y,z)

{\ displaystyle H (x, y, z)}

H (x, y, z)

.

Luați în considerare câmpul care oferă o energie potențială a formei

V(x,y,z)={\Big (}|H(x,y,z)|^{2}-v^{2}{\Big )}^{2}

{\ displaystyle V (x, y, z) = {\ Big (} | H (x, y, z) | ^ {2} -v ^ {2} {\ Big)} ^ {2}}

V (x, y, z) = {\ Big (} | H (x, y, z) | ^ {2} -v ^ {2} {\ Big)} ^ {2}

integrat pe spațiu. Nu este negativ și există o varietate continuă de minime de energie definite de

|H|^{2}=v^{2}.

{\ displaystyle | H | ^ {2} = v ^ {2}.}

| H | ^ {2} = v ^ {2}.

Aceasta înseamnă, în termeni mai puțin tehnici, că densitatea energiei potențiale, considerată ca o funcție a $H.$ ${\ displaystyle H}$ $H.$ , arată ca fundul unei sticle de vin spumant: un deal înconjurat de o vale circulară. Ne putem imagina valoarea câmpului complex ca un plan bidimensional, ca o diagramă Argand-Gauss , și potențialul ca înălțime deasupra acelui plan.

Ideea $H=0$ ${\ displaystyle H = 0}$ $H = 0$ este simetrică în raport cu simetria grupului abelian U (1) (și mai general în ceea ce privește simetria electrolabă SU (2) x U (1)), care schimbă faza complexă a $H.$ ${\ displaystyle H}$ $H.$ ca

H\rightarrow e^{i\theta }H

{\ displaystyle H \ rightarrow și ^ {i \ theta} H}

H \ rightarrow și ^ {{i \ theta}} H

care este nefavorabil din punct de vedere energetic și deci instabil. Pentru o valoare aleatorie de $\phi$ ${\ displaystyle \ phi}$ $\ phi$ s-ar putea spune că câmpul Higgs „coboară din movilă” și se așează într-o valoare stabilă

H=ve^{i\phi }

{\ displaystyle H = ve ^ {i \ phi}}

H = ve ^ {{i \ phi}}

respectiva valoare așteptată de vid (într-un cuvânt apare o condensare tahionică ). Aceasta determină o asimetrie în vid , în sensul că starea bazală nu este invariantă față de simetria U (1) care transformă valoarea $\phi$ ${\ displaystyle \ phi}$ $\ phi$ într-una diferită: are loc spargerea spontană a simetriei.

Acest model, conform teoremei lui Goldstone , presupune o particulă scalară fără masă care ar fi excitația cuantică de -a lungul direcției $\phi$ ${\ displaystyle \ phi}$ $\ phi$ , și care se numește bosonul Nambu-Goldstone . Nu există consum de energie potențială în mișcarea de-a lungul fundului văii circulare, astfel încât energia acestei particule este energie cinetică pură; ceea ce implică în teoria cuantică a câmpului că masa este zero. Particulele scalare de masă zero nu au fost încă demonstrate experimental.

În anii 1960 a existat problema gravă a aplicării teoriei Yang-Mills , cunoscută și sub denumirea de teoria gabaritului non-abelian , la interacțiunea electrolabă . De fapt, spre deosebire de fotonul din QED , bosonii vectoriali ai interacțiunii slabe ( bosonii W și Z ) sunt masivi, în timp ce teoria Yang-Mills prezice existența bosonilor fără masă. Mulțumită intuiției lui Higgs și a altor cercetători, prin cuplarea unei teorii a ecartamentului cu un model spontan de rupere a simetriei, problema este rezolvată într-un mod foarte elegant datorită bosonilor Goldstone . Acest lucru este posibil deoarece, datorită proprietății teoriei cuantice a câmpului , bosonii vectoriali fără masă și masivi au respectiv 2 și 3 grade de libertate în ceea ce privește polarizarea : bosonul scalar Goldstone (adică 1 grad de libertate) astfel ajunge să reprezinte gradul lipsă care este „dobândit” de bosonul fără masă al teoriei gabaritului. Deoarece Higgs este un câmp complex, ar fi implicați trei bosoni Goldstone, adică trei moduri fără masă $\phi$ ${\ displaystyle \ phi}$ $\ phi$ al bosonului Higgs, a cărui combinație cu bosonul gauge ar da, în cazul specific celor trei bosoni vectori slabi , o masă care depinde practic de valoarea de așteptare în vid a aceluiași câmp Higgs.

Extinzând interacțiunea câmpului Higgs cu rupere de simetrie la câmpuri fermionice , prin interacțiunea Yukawa , obținem termeni de masă în Lagrangieni care ne permit să introducem în teorie, dar nu cuantificăm, masele fermionilor.

În astrofizică

S-a propus ca mecanismul Brout - Englert-Higgs să poată fi aplicat și bosonului Higgs produs în anihilarea antimateriei , dând naștere la linii din spectrul razelor gamma la energii determinate de masele particulelor care interacționează, WIMP-urile . ^[10]

Curiozitate

Peter Higgs relatează că a avut intuiția „mecanismului” care îi poartă numele în timpul unei plimbări pe dealurile scoțiene din Cairngorm în jurul laboratorului său, unde s-a întors repede anunțând că are „ o idee grozavă ” („ o idee mare ”) ).

Notă

^ G. Bernardi, M. Carena și T. Junk: „Bosonii Higgs: teoria și căutările”, Recenzii ale grupului de date asupra particulelor: particule și concepte hipotetice, 2007, http://pdg.lbl.gov/2008/reviews/ higgs_s055.pdf
^ Peter W. Higgs, Simetriile rupte și masele de bosoni de ecartament , în Physical Review Letters , vol. 13, 1964, pp. 508-509, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.13.508 .
^ F. Englert și R. Brout, Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons , în Physical Review Letters , vol. 13, 1964, pp. 321-323, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.13.321 .
^ GS Guralnik, CR Hagen și TWB Kibble, Global Conservation Laws and Particles fără masă , în Physical Review Letters , vol. 13, 1964, pp. 585-587, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.13.585 .
^ Gerald S. Guralnik, The History of the Guralnik, Hagen and Kibble development of theory of spontaneous symmetry Breaking and Gauge Particles , în International Journal of Modern Physics , A24, 2009, pp. 2601-2627, DOI : 10.1142 / S0217751X09045431 .
^ Physical Review Letters - 50th Anniversary Milestone Papers
^ Y Nambu, Quasiparticles and Gauge Invariance in Theory of Superconductivity , în Physical Review , vol. 117, 1960, pp. 648-663, DOI : 10.1103 / PhysRev.117.648 .
^ Stueckelberg, Helvetica Physica Acta Vol. 11, 1938, p. 299, 312
^ (EN) Experimentele CERN observă particule în concordanță cu bosonul Higgs căutat de mult , pe press.web.cern.ch. Adus pe 4 iulie 2012 .
^ Propunere de M. Taoso în [1] .

Bibliografie

GS Guralnik, CR Hagen și TWB Kibble, Global Conservation Laws and Particles fără masă , în Physical Review Letters , vol. 13, 1964, p. 585, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.13.585 .
F Englert și R Brout, Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons , în Physical Review Letters , vol. 13, 1964, p. 321, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.13.321 .
Peter Higgs, Simetrii rupte, particule fără masă și câmpuri de măsurare , în Physics Letters , vol. 12, 1964, p. 132, DOI : 10.1016 / 0031-9163 (64) 91136-9 .
Peter Higgs, Simetriile sparte și masele bosonilor de ecartament , în Physical Review Letters , vol. 13, 1964, p. 508, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.13.508 .
Peter Higgs, Spontaneous Symmetry Breakdown without Massless Bosons , în Physical Review , vol. 145, 1966, p. 1156, DOI : 10.1103 / PhysRev.145.1156 .
Y Nambu; G Jona-Lasinio, Model dinamic al particulelor elementare bazat pe o analogie cu superconductivitatea , în I Phys. Rev. , vol. 122, 1961, pp. 345-358, DOI : 10.1103 / PhysRev.122.345 .
J Goldstone, A Salam și S Weinberg, Simetrie ruptă , în Physical Review , vol. 127, 1962, p. 965, DOI : 10.1103 / PhysRev.127.965 .
PW Anderson, Plasmons, Gauge Invariance și Mass , în Physical Review , vol. 130, 1963, p. 439, DOI : 10.1103 / PhysRev.130.439 .
A Klein și BW Lee, Defalcarea spontană a simetriei implică particule cu masă zero? , în Physical Review Letters , vol. 12, 1964, p. 266, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.12.266 .
W Gilbert, Simetrii rupte și particule fără masă , în Physical Review Letters , vol. 12, 1964, p. 713, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.12.713 .

Elemente conexe

linkuri externe

( EN ) Meissner Effect and Mass as Macroscopic Effect of Entanglement , pe arxiv.org .
Tot ce ați dori să știți despre bosonul Higgs , pe Scienzepertutti.lnf.infn.it (arhivat din original la 20 martie 2013) .
Bosonul Higgs , pe Scienzepertutti.lnf.infn.it .
( RO ) Un model Higgs generalizat , pe arXiv.org .
( EN ) Legile globale privind conservarea și particulele fără masă , pe prola.aps.org .
(EN) O explicație populară „cvasi-politică” a bosonului Higgs , pe hep.ucl.ac.uk.
( EN ) În CERN Courier, Steven Weinberg reflectă asupra ruperii spontane a simetriei , pe cerncourier.com .
(EN) Steven Weinberg laudă echipele pentru teoria lui Higgs Boson pe pas.rochester.edu. Adus la 21 octombrie 2008 (arhivat din original la 16 aprilie 2008) .
( EN ) Scrisori de revizuire fizică - Lucrări de referință pentru aniversarea a 50 de ani (mergeți până în 1964)
[( EN ) https://www.imperial.ac.uk/newsandeventspggrp/imperialcollege/newssummary/news_13-6-2008-12-42-20?newsid=38514 Imperial College London on PRL 50th Anniversary Milestone Papers]
(EN) Physics World, prezentându-l pe micul Higgs , de pe physicsworld.com.

Controlul autorității	GND ( DE ) 4474162-5

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica

[PDG-1] G. Bernardi, M. Carena și T. Junk: „Bosonii Higgs: teoria și căutările”, Recenzii ale grupului de date asupra particulelor: particule și concepte hipotetice, 2007, http://pdg.lbl.gov/2008/reviews/ higgs_s055.pdf

[2] Peter W. Higgs, Simetriile rupte și masele de bosoni de ecartament , în Physical Review Letters , vol. 13, 1964, pp. 508-509, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.13.508 .

[3] F. Englert și R. Brout, Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons , în Physical Review Letters , vol. 13, 1964, pp. 321-323, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.13.321 .

[4] GS Guralnik, CR Hagen și TWB Kibble, Global Conservation Laws and Particles fără masă , în Physical Review Letters , vol. 13, 1964, pp. 585-587, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.13.585 .

[5] Gerald S. Guralnik, The History of the Guralnik, Hagen and Kibble development of theory of spontaneous symmetry Breaking and Gauge Particles , în International Journal of Modern Physics , A24, 2009, pp. 2601-2627, DOI : 10.1142 / S0217751X09045431 .

[6] Physical Review Letters - 50th Anniversary Milestone Papers

[7] Y Nambu, Quasiparticles and Gauge Invariance in Theory of Superconductivity , în Physical Review , vol. 117, 1960, pp. 648-663, DOI : 10.1103 / PhysRev.117.648 .

[8] Stueckelberg, Helvetica Physica Acta Vol. 11, 1938, p. 299, 312

[9] (EN) Experimentele CERN observă particule în concordanță cu bosonul Higgs căutat de mult , pe press.web.cern.ch. Adus pe 4 iulie 2012 .

[10] Propunere de M. Taoso în [1] .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]