Partikel Tuhan adalah elemen penghubung alam semesta.

Apa yang terjadi Higgs boson? Tidak diragukan lagi, sebagian besar dari Anda pernah mendengar tentang partikel ini, yang entah bagaimana ditemukan dan memberikan sesuatu kepada para ilmuwan.

Namun, berapa banyak orang yang memahami masalah ini? Mari kita coba menjelaskan hal ini kepada Anda sesederhana dan sejelas mungkin.

Kata pengantar

Apa yang terjadi di mikrokosmos sangat sulit dipahami oleh pikiran manusia. Anda tahu apa itu elektron, bukan? Sebagian besar dari Anda, di sekolah, membayangkannya sebagai bola kecil yang berputar mengelilingi inti. Proton dan neutron? Ini juga bola, kan?

Mereka yang pernah mencoba memahami sedikit tentang mekanika kuantum membayangkan partikel elementer sebagai awan. Ketika seseorang melihat teks “setiap partikel elementer juga merupakan gelombang”, maka gambaran gelombang di laut atau di permukaan danau tempat pelemparan batu langsung muncul di kepala mereka.

Jika seseorang diberitahu bahwa suatu partikel adalah suatu peristiwa dalam suatu medan tertentu, maka suatu interval dari suatu ingatan atau suatu peristiwa di masa depan langsung terbayang, dan medan tersebut “berdengung” di kepalanya, seperti bilik transformator.

Faktanya adalah kata-kata seperti partikel, gelombang dan medan berada pada tingkat mikro tidak mencerminkan kenyataan dengan tepat dan membayangkannya dengan membandingkannya dengan fenomena alam biasa adalah tidak benar. Oleh karena itu, cobalah untuk menyaring gambar visual apa pun, karena akan salah dan mengganggu pemahaman.

Kita perlu menerima kenyataan itu partikel pada prinsipnya bukanlah sesuatu yang dapat “disentuh”, tapi karena kita adalah manusia dan pengetahuan taktil tentang dunia adalah ciri khas kita, kita harus melawan naluri kita sendiri untuk memahami masalahnya.

Elektron, foton atau Higgs boson bukan merupakan partikel dan gelombang. Mereka umumnya merupakan sesuatu yang perantara dan tidak ada kata yang cocok untuk ini (tidak perlu). Umat ​​​​manusia tahu cara bekerja dengan mereka, kita tahu cara melakukan perhitungan, tetapi menemukan kata yang bisa menggambarkan gambaran mental... ini bermasalah. Faktanya adalah benda-benda ini, yang merupakan partikel elementer, ada di dunia yang kita kenal mustahil untuk dibandingkan dengan apa pun. Ini adalah dunia yang sangat berbeda. dunia mikro.

Apa yang Anda cari dan temukan di Large Hadron Collider (LHC)?

Ada teori yang diterima secara umum tentang bagaimana dunia bekerja dalam skala terkecil dan itu disebut - Model Standar. Menurut model ini, di dunia kita ada beberapa jenis materi yang sangat berbeda yang secara teratur berinteraksi satu sama lain.

Saat memikirkan tentang interaksi, akan sangat mudah untuk menggunakan parameter seperti massa, kecepatan dan percepatan, yang memungkinkan kita menyebut partikel elementer sebagai “partikel pembawa”. Total ada 12 varietas dalam model ini.

11 dari 12 partikel Model Standar telah diamati sebelumnya. Partikel ke-12 adalah boson yang berhubungan dengan medan Higgs, memberi massa pada banyak partikel lain, sehingga membatasi kecepatan geraknya. Medan Higgs tidak berinteraksi sama sekali dengan beberapa partikel. Misalnya, ia tidak berpengaruh pada foton dan massanya nol.

Secara teoretis Higgs boson telah diprediksi pada tahun 1964, tapi di sini membuktikan keberadaannya bersifat eksperimental baru bisa melakukannya pada tahun 2012. Bertahun-tahun mereka tanpa lelah mencari boson!

Sebelum mulai bekerja TANGKI, di Organisasi Penelitian Nuklir Eropa (CERN) tadi penumbuk elektron-positron, berada di Illinois Tevatron, namun kapasitas ini tidak cukup untuk melakukan eksperimen yang diperlukan. Meski begitu, percobaan tersebut masih membuahkan hasil tertentu.

Higgs boson- partikel berat dan sangat sulit dideteksi. Inti dari percobaan ini sangat sederhana, tetapi implementasi dengan interpretasi hasil selanjutnya adalah nyata masalah.

Jadi mereka mengambilnya dua proton dan berakselerasi hingga mendekati kecepatan cahaya. Pada suatu saat mereka dihadapkan langsung. Proton “terkejut” dengan dampak seperti itu mulai hancur menjadi partikel sekunder. Selama proses ini mereka mencoba mendeteksi Higgs boson.

Yang memperumit percobaan ini adalah kenyataan bahwa keberadaan boson hanya dapat dipastikan secara tidak langsung. Periode keberadaan Higgs boson sangat kecil, begitu pula jarak antara titik asal dan titik lenyapnya. Tidak mungkin mengukur periode waktu dan jarak ini, tapi! Higgs boson tidak hilang tanpa jejak dan keberadaannya dalam jangka pendek dibuktikan dengan “produk dekomposisi”.

Ibarat mencari jarum di tumpukan jerami. Tidak, di tumpukan jerami yang besar. Tidak, dalam ribuan tumpukan jerami yang besar! Faktanya adalah Higgs boson meluruh dengan probabilitas berbeda menjadi kombinasi partikel yang berbeda. Misalnya, ini bisa berupa quark-antiquark, W-boson, atau partikel tau secara umum.

Dalam beberapa kasus, peluruhan sulit dibedakan dengan peluruhan partikel lain, dalam kasus lain tidak ada waktu untuk mencatat apa yang terjadi sama sekali. Seperti diketahui, detektor paling baik menangkap transformasi Higgs boson menjadi 4 lepton(partikel fundamental), tetapi kemungkinan terjadinya kejadian tersebut hanya 0,013%.

Detektor ATLAS dan CMS mulai digunakan

Enam bulan percobaan TANGKI dan jutaan tabrakan dalam satu detik memberikan hasil yang diinginkan. Para ilmuwan telah mencatat 4 lepton yang sama (sebanyak lima kali lipat).

Detektor raksasa memungkinkan untuk merekam hal ini ATLAS Dan CMS, yang terungkap partikel dengan energi 125GeV(satuan pengukuran dalam fisika kuantum). Indikator inilah yang sesuai dengan prediksi teoritis Higgs boson.

Bagian dari sesuatu yang lebih besar

Bagaimana jika ada kesalahan? Ya, peneliti juga menanyakan pertanyaan ini. Oleh karena itu, untuk mengkonfirmasi penemuan tersebut, banyak sekali percobaan berulang yang dilakukan.

"Partikel Tuhan", atau Higgs boson dalam terminologi ilmiah

Seseorang terus-menerus mencari. Dia tidak pernah puas dengan pengetahuan yang dangkal, tetapi terus-menerus memulai perjalanan ke dunia baru, ke dunia yang jauh dan tidak diketahui. Menurut Aristoteles, “Semua manusia pada dasarnya berjuang untuk mendapatkan pengetahuan.”

Gereja menganggap manusia sebagai gambaran Tuhan, dan sebagaimana Tuhan tidak terbatas dan tidak terbatas, keinginan manusia untuk menemukan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan yang paling mendesak juga tidak dapat diukur: “Siapakah saya? Dari mana asalku? Saya mau kemana? Oleh karena itu ilmu pengetahuan dianggap sebagai anugerah besar dari Tuhan kepada umat manusia, hasil pengembangan kemampuan yang melekat pada diri manusia oleh Tuhan. Tuhan memberi manusia karunia kreatif yang diilhami, menganugerahinya kemampuan berpikir, keinginan untuk mencipta, kemampuan menemukan yang tidak diketahui dan menerapkan pengetahuan baru untuk meningkatkan kehidupannya.

Pada tahun 1954, Organisasi Penelitian Nuklir Eropa, disingkat CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), didirikan. Pada tahun 1981, setelah bertahun-tahun melakukan pekerjaan persiapan, percobaan pertama pada tumbukan hadron dilakukan pada akselerator SPS - supersinkronisasi proton - di pusat CERN, yang terletak di perbatasan Perancis-Swiss. Tujuan dari eksperimen ini adalah untuk mencoba mengajukan teori berbasis ilmiah tentang sifat dunia material dan apa yang terjadi pada saat-saat pertama kehidupan Alam Semesta segera setelah asal usulnya.

Selama percobaan, para ilmuwan bertabrakan dengan partikel material kecil (disebut partikel elementer) satu sama lain dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Dengan memilih partikel yang tepat dan kecepatan pergerakannya, dimungkinkan untuk menciptakan kondisi yang kira-kira mereproduksi kondisi yang ada pada awal mula alam semesta. Jadi, dengan mempelajari konsekuensi tumbukan partikel dan membenarkan atau menyangkal teori yang ada berdasarkan hasil eksperimen, para ilmuwan mencoba menciptakan kembali halaman pertama sejarah Alam Semesta kita.

Selain itu, para ilmuwan menciptakan kondisi di laboratorium di mana partikel elementer yang paling langka dapat berfungsi. Partikel-partikel semacam itu mungkin ada pada tahap-tahap tertentu dalam perkembangan Alam Semesta dan berperan dalam pembentukan dunia material modern. Contoh partikel tersebut adalah partikel Higgs (juga disebut Higgs boson).

Menurut teori Profesor Peter Higgs, yang pertama kali diterbitkan pada tahun 1964, partikel elementer memperoleh massa melalui interaksi dengan partikel elementer khusus yang disebut Higgs boson. Karena mempunyai massa, partikel-partikel dapat berkumpul bersama membentuk materi seperti yang kita kenal sekarang. Penemuan eksperimental partikel elementer baru ini seharusnya mengkonfirmasi kebenaran teori Peter Higgs. Dengan demikian, untuk pertama kalinya, menjadi mungkin untuk memahami bagaimana partikel-partikel elementer memperoleh massa dan terhubung satu sama lain dalam berbagai cara untuk membentuk dunia modern. Para ilmuwan menyebut partikel Higgs yang dicari sebagai “partikel terkutuk” karena “tidak pernah dapat dideteksi”.

Pada tahun 1993, fisikawan peraih Nobel Leon Max Lederman, dalam sebuah buku yang ditulis bersama Profesor Dick Teresi dengan subjudul Jika Alam Semesta adalah Jawabannya, Apa Pertanyaannya?, memberi Higgs boson julukan "Partikel Tuhan" karena editor buku tersebut menolak untuk menerbitkannya. itu dengan judul “partikel terkutuk.” Belakangan, Lederman, menjelaskan pilihan “istilah” ini, mengatakan bahwa, pertama, nama “partikel terkutuk” memang terdengar terlalu vulgar dan tidak dapat digunakan, dan kedua, partikel ini sebenarnya bisa disebut “ partikel Tuhan. ,” dengan mempertimbangkan peran sentral dan utama dalam teori penciptaan materi, serta dalam menjelaskan pertanyaan-pertanyaan yang tampaknya tidak dapat dipahami akhir-akhir ini.

Pada pagi hari Rabu tanggal 4 Juli 2012, pusat penelitian CERN mengumumkan dari Jenewa bahwa percobaan untuk mendeteksi “partikel Higgs” hampir selesai, karena sebuah partikel yang menyerupai boson Higgs telah ditemukan. Partikel ini hanya hidup seperseribu dari sepersejuta miliar detik! Dan meskipun bukti konklusif belum disajikan bahwa partikel yang ditemukan adalah Higgs boson yang banyak dicari, sebagian besar komunitas ilmiah telah menerima hipotesis ini. Beberapa saat kemudian, Peter Higgs sendiri yang sudah berusia 83 tahun dengan semangat mengumumkan dari CERN bahwa ia tidak berani berharap penemuan ini akan terjadi semasa hidupnya, sekaligus menyuruh keluarganya untuk menyimpan sampanye di lemari es. untuk saat ini, karena para ilmuwan masih mempunyai pekerjaan yang signifikan dan panjang. Bukan tanpa alasan banyak ilmuwan mengklaim bahwa “Higgs boson membuka jalan bagi pemahaman sekitar empat persen alam semesta.”

Namun, istilah “partikel Tuhan” dan terlebih lagi istilah “partikel Tuhan” tidak dapat dianggap berhasil. Bahkan Peter Higgs sendiri secara terbuka mengakui istilah tersebut sebagai “sok” dan menekankan bahwa penggunaan istilah yang tidak tepat akan menyebabkan kebencian yang dapat dibenarkan dan membingungkan orang. Fisikawan memilih untuk tidak menggunakan istilah ini sama sekali, karena percaya bahwa istilah ini pada dasarnya salah dan mengarah pada interpretasi yang salah tentang arti sebenarnya dari penelitian mereka.

Banyak fisikawan percaya bahwa partikel elementer ini tidak lain hanyalah bagian dari ciptaan Tuhan, seperti semua benda lain di sekitar kita. Dan semua fisikawan dengan suara bulat - baik yang beriman maupun yang tidak beriman - mengakui bahwa Higgs boson adalah bagian dari alam, dan bukan Tuhan, dan tidak memiliki hak lebih besar untuk diakui sebagai Tuhan daripada, misalnya, matahari atau batu. Sungguh, betapa naifnya untuk percaya bahwa Gereja “takut” akan penemuan “partikel Higgs”! Takut akan adanya “bentrokan” antara sains dan agama adalah hal yang naif. Louis Pasteur berkata: “Kurangnya pengetahuan menjauhkan Anda dari Tuhan, tetapi ilmu pengetahuan sejati membawa Anda kepada-Nya.” Gereja memberkati ilmu pengetahuan, asalkan ilmu itu menghormati manusia dan tidak merusak kepribadiannya. Kitab Suci mengatakan bahwa “Tuhan menciptakan ilmu kedokteran dan ilmu pengetahuan lainnya.” Para Bapa Gereja yang agung dan banyak orang kudus Ortodoks mengajar di universitas-universitas. Karya Basil Agung "Percakapan Enam Hari", yang berisi interpretasi dan komentar pada bab pertama Kitab Kejadian, menjadi sumber inspirasi bagi banyak generasi astronom, ahli geologi, dokter, dan ilmuwan lainnya. Ajaran Santo Gregorius dari Nyssa tentang penciptaan dunia, diciptakan pada abad ke-4. setelah R.H., dianggap sebagai pertanda teori big bang (“Big-Bang”), yang dipahami sebagai gelombang energi Tuhan. Serial ini bisa dilanjutkan tanpa henti. Sains mencoba memberikan penjelasannya sendiri tentang proses penciptaan dan struktur dunia, meskipun banyak perwakilannya menganggap formulasi ini sangat berbahaya! Teologi Ortodoks, sesuai dengan panggilan sejatinya, dalam ajarannya menekankan pada Dia yang menciptakan dunia dan manusia. Sebagaimana telah dikemukakan dengan tepat, sains menjawab pertanyaan “bagaimana”, teologi menjawab pertanyaan “Siapa”!

Metropolitan Hierotheus dari Nafpaktos dengan tepat mencatat: “Ilmu pengetahuan membuat banyak penemuan yang dirancang untuk membawa manfaat dan bukan merugikan manusia, sementara teologi Ortodoks memberikan jawaban atas pencarian spiritual manusia dan membantu mereka menemukan cinta tanpa pamrih kepada Tuhan dan sesamanya di zaman tersebut. ketika hal itu diproklamirkan tidak hanya sebagai “kematian Tuhan”, tetapi juga “kematian sesama manusia”. Pada akhirnya, tidak peduli berapa banyak penemuan yang dibuat oleh ilmu pengetahuan, seseorang selalu merasakan kebutuhan akan Tuhan yang berpribadi, akan cinta yang tidak mementingkan diri sendiri, akan kedamaian dan kebebasan batin, akan kepenuhan spiritual; apa itu kehidupan kekal, dll.” Gereja mengajarkan bahwa Tuhan menciptakan dunia karena cinta, bahwa cinta Ilahi itu penuh sukacita dan kreatif. Tuhan bukanlah sebuah ide abstrak dan bukan materi, Tuhan adalah suatu Pribadi, Tuhan adalah Kasih. Dengan bantuan Logos - Sabda Ilahi, yang merupakan energi-Nya yang tidak diciptakan, Tuhan menciptakan seluruh ciptaan. “Tidak ada yang memaksa Tuhan untuk menciptakan dunia. Kekuatan pendorong di balik penciptaan Tuhan adalah kasih-Nya. Daripada mengatakan bahwa Alam Semesta diciptakan oleh-Nya dari ketiadaan, kita perlu mengatakan bahwa alam semesta diciptakan oleh-Nya dari diri-Nya sendiri, yaitu karena cinta. Penciptaan dunia bukan merupakan tindakan kehendak bebas-Nya, melainkan tindakan kasih bebas-Nya” (Metropolitan Callistus Ware, “The Orthodoks Way”). Untungnya bagi kita, Tuhan bukanlah seorang insinyur, mekanik, atau pembangun. Tuhan, pertama-tama, adalah Bapa. Itulah sebabnya dunia ini merupakan kelebihan kasih Tuhan, dan itulah sebabnya Tuhan peduli terhadap dunia. Manusia adalah mahkota ciptaan, dan Tuhan memanggilnya dalam kerinduannya yang penuh sukacita dan syukur kepada Penciptanya untuk memimpin semua ciptaan bersamanya menuju kesempurnaan yang tak terbatas. Dari semua penjelasan di atas, kesimpulan alamiah menunjukkan bahwa cinta adalah “partikel dasar” Tuhan yang sebenarnya. Segala sesuatu - dan yang paling penting, kehidupan kita - memperoleh makna dan makna yang mendalam hanya ketika mereka berinteraksi dengan “partikel” yang luar biasa ini, satu-satunya manifestasi dari esensi Tuhan, yang memberi makna pada pengetahuan manusia dan pada saat yang sama melampaui batas-batasnya. Sebab, menurut kata-kata sederhana dari Penginjil Yohanes, “Tuhan adalah kasih!”

Semua orang ingat hype seputar penemuan Higgs boson pada tahun 2012. Semua orang pasti ingat, tapi masih banyak yang belum paham betul liburan seperti apa itu? Kami memutuskan untuk mencari tahu, mencerahkan diri sendiri, dan pada saat yang sama berbicara tentang apa itu Higgs boson dengan kata-kata sederhana!

Model Standar dan Higgs boson

Mari kita mulai dari awal. Partikel dibagi menjadi boson Dan fermion. Boson adalah partikel dengan putaran bilangan bulat. Fermion - dengan setengah bilangan bulat.

Higgs boson adalah partikel elementer yang diprediksi secara teoritis pada tahun 1964. Boson dasar yang timbul karena mekanisme pemutusan simetri elektrolemah secara spontan.

Sudah jelas? Tidak bagus. Untuk membuatnya lebih jelas, kita perlu membicarakannya Model standar.

Model standar– salah satu model modern utama untuk menggambarkan dunia. Ini menggambarkan interaksi partikel elementer. Seperti kita ketahui, ada 4 interaksi mendasar di dunia: gravitasi, kuat, lemah, dan elektromagnetik. Kami tidak langsung mempertimbangkan gravitasi, karena sifatnya berbeda dan tidak termasuk dalam model. Namun interaksi kuat, lemah, dan elektromagnetik dijelaskan dalam kerangka model standar. Selain itu, menurut teori ini, materi terdiri dari 12 partikel elementer fundamental - fermion. Boson Mereka juga merupakan pembawa interaksi. Anda dapat melamar langsung di website kami.

Jadi, dari semua partikel yang diprediksi dalam model standar, satu-satunya yang tidak terdeteksi secara eksperimental adalah partikel tersebut Higgs boson. Menurut Model Standar, boson ini, sebagai kuantum medan Higgs, bertanggung jawab atas fakta bahwa partikel elementer memiliki massa. Bayangkan partikelnya adalah bola bilyar yang diletakkan di atas taplak meja. Dalam hal ini, kain tersebut adalah medan Higgs, yang menyediakan massa partikel.

Bagaimana Higgs boson dicari?

Pertanyaan kapan Higgs boson ditemukan tidak dapat dijawab secara tepat. Bagaimanapun, secara teoritis diprediksi pada tahun 1964, dan keberadaannya dikonfirmasi secara eksperimental hanya pada tahun 2012. Dan selama ini mereka mencari boson yang sulit ditangkap! Mereka mencari lama dan keras. Sebelum LHC, akselerator lain dioperasikan di CERN, yaitu penumbuk elektron-positron. Ada juga Tevatron di Illinois, tetapi kapasitasnya tidak cukup untuk menyelesaikan tugas tersebut, meskipun percobaan tentu saja membuahkan hasil tertentu.

Faktanya adalah Higgs boson adalah partikel yang berat dan sangat sulit untuk dideteksi. Inti dari eksperimen ini sederhana, implementasi dan interpretasi hasilnya rumit. Dua proton diambil dengan kecepatan mendekati cahaya dan bertabrakan secara langsung. Proton, yang terdiri dari quark dan antiquark, hancur akibat tumbukan yang begitu kuat dan banyak partikel sekunder muncul. Di antara merekalah Higgs boson dicari.

Masalahnya, keberadaan boson ini hanya bisa dipastikan secara tidak langsung. Periode keberadaan Higgs boson sangatlah kecil, begitu pula jarak antara titik hilangnya dan kemunculannya. Tidak mungkin mengukur waktu dan jarak secara langsung. Namun Higgs tidak hilang tanpa jejak, dan dapat dihitung dengan “produk peluruhan”.

Meskipun pencarian seperti itu sangat mirip dengan mencari jarum di tumpukan jerami. Dan bahkan tidak hanya di satu tumpukan jerami, tapi di seluruh ladang jerami. Faktanya adalah Higgs boson meluruh dengan probabilitas berbeda menjadi “kumpulan” partikel yang berbeda. Ini bisa berupa pasangan quark-antiquark, boson W, atau lepton paling masif, partikel tau. Dalam beberapa kasus, peluruhan ini sangat sulit dibedakan dari peluruhan partikel lain, tidak hanya peluruhan Higgs. Di negara lain, hal ini tidak dapat direkam secara andal oleh detektor. Meskipun detektor LHC adalah alat ukur paling akurat dan kuat yang dibuat oleh manusia, namun tidak dapat mengukur semuanya. Transformasi Higgs menjadi empat lepton paling baik dideteksi dengan detektor. Namun kemungkinan terjadinya peristiwa ini sangat kecil - hanya 0,013%.

Namun, selama enam bulan percobaan, ketika ratusan juta tumbukan proton terjadi dalam satu detik di dalam penumbuk, sebanyak 5 kasus empat lepton teridentifikasi. Selain itu, mereka direkam pada dua detektor raksasa yang berbeda: ATLAS dan CMS. Menurut perhitungan independen menggunakan data dari satu detektor dan detektor lainnya, massa partikel kira-kira 125 GeV, yang sesuai dengan prediksi teoretis untuk Higgs boson.

Untuk memastikan secara lengkap dan akurat bahwa partikel yang terdeteksi adalah Higgs boson, lebih banyak eksperimen harus dilakukan. Dan terlepas dari kenyataan bahwa Higgs boson kini telah ditemukan, eksperimen dalam beberapa kasus berbeda dari teori Model standar, diyakini banyak ilmuwan, kemungkinan besar merupakan bagian dari teori yang lebih maju yang belum ditemukan.

Penemuan Higgs boson jelas merupakan salah satu penemuan besar di abad ke-21. Penemuannya merupakan langkah besar dalam memahami struktur dunia. Jika bukan karena dia, semua partikel tidak akan bermassa, seperti foton, dan tidak akan ada apa pun yang terdiri dari alam semesta material kita. Higgs boson adalah langkah menuju pemahaman cara kerja alam semesta. Higgs boson bahkan disebut sebagai partikel dewa atau partikel terkutuk. Namun, para ilmuwan sendiri lebih suka menyebutnya sebagai botol sampanye boson. Bagaimanapun, peristiwa seperti penemuan Higgs boson bisa dirayakan selama bertahun-tahun.

Teman-teman, hari ini kita mengejutkan dengan Higgs boson. Dan jika Anda sudah lelah memikirkan rutinitas yang tak ada habisnya atau tugas belajar yang membebani, beralihlah ke . Seperti biasa, kami akan membantu Anda menyelesaikan masalah apa pun dengan cepat dan efisien.

Akademisi Valery Rubakov, Institut Penelitian Nuklir RAS dan Universitas Negeri Moskow.

Pada tanggal Empat Juli 2012, sebuah peristiwa yang sangat penting bagi fisika terjadi: pada sebuah seminar di CERN (Pusat Penelitian Nuklir Eropa), penemuan partikel baru diumumkan, yang, sebagaimana dinyatakan dengan cermat oleh penulis penemuan tersebut, sesuai dengan dalam sifat-sifatnya terhadap boson dasar yang diprediksi secara teoritis dari Model Standar partikel fisika dasar. Biasanya disebut Higgs boson, meskipun nama ini tidak sepenuhnya memadai. Bagaimanapun, kita berbicara tentang penemuan salah satu objek utama fisika fundamental, yang tidak memiliki analogi di antara partikel-partikel elementer yang diketahui dan menempati tempat unik dalam gambaran fisik dunia (lihat “Ilmu Pengetahuan dan Kehidupan” No. 1, 1996, artikel “Boson Higgs diperlukan!").

Detektor LHC-B dirancang untuk mempelajari sifat-sifat meson B - hadron yang mengandung b quark. Partikel-partikel ini cepat hancur, memiliki waktu untuk terbang menjauh dari berkas partikel hanya sepersekian milimeter. Foto: Maximilien Brice, CERN.

Partikel dasar Model Standar. Hampir semuanya memiliki antipartikelnya sendiri, yang ditandai dengan simbol dengan tanda gelombang di atasnya.

Interaksi dalam mikrokosmos. Interaksi elektromagnetik terjadi karena emisi dan penyerapan foton (a). Interaksi lemah memiliki sifat serupa: disebabkan oleh emisi, penyerapan, atau peluruhan boson Z (b) atau boson W (c).

Higgs boson H (spin 0) meluruh menjadi dua foton (spin 1), yang putarannya antiparalel dan berjumlah 0.

Ketika foton dipancarkan atau boson Z dipancarkan oleh elektron cepat, proyeksi putarannya ke arah gerak tidak berubah. Panah melingkar menunjukkan rotasi internal elektron.

Dalam medan magnet seragam, elektron bergerak dalam garis lurus sepanjang medan dan dalam spiral ke arah lain.

Sebuah foton dengan panjang gelombang yang panjang dan, oleh karena itu, energi yang rendah tidak mampu menyelesaikan struktur π meson - pasangan quark-antiquark.

Partikel-partikel yang dipercepat hingga mencapai energi yang sangat besar dalam tabrakan Large Hadron Collider, menghasilkan banyak partikel sekunder - produk reaksi. Di antara mereka, Higgs boson ditemukan, yang telah diharapkan oleh para fisikawan selama hampir setengah abad.

Fisikawan Inggris Peter W. Higgs membuktikan pada awal tahun 1960-an bahwa dalam Model Standar partikel elementer pasti ada boson lain - medan kuantum yang menciptakan massa dalam materi.

Apa yang terjadi pada seminar dan sebelumnya

Pengumuman seminar tersebut dibuat pada akhir bulan Juni, dan segera menjadi jelas bahwa ini akan menjadi hal yang luar biasa. Faktanya adalah indikasi pertama keberadaan boson baru diperoleh pada bulan Desember 2011 dalam percobaan ATLAS dan CMS yang dilakukan di Large Hadron Collider (LHC) di CERN. Selain itu, sesaat sebelum seminar, muncul pesan bahwa data percobaan di penumbuk proton-antiproton Tevatron (Fermilab, USA) juga menunjukkan adanya boson baru. Semua ini belum cukup untuk membicarakan sebuah penemuan. Namun sejak bulan Desember, jumlah data yang dikumpulkan di LHC meningkat dua kali lipat dan metode pemrosesannya menjadi lebih maju. Hasilnya sangat mengesankan: dalam setiap percobaan ATLAS dan CMS secara terpisah, signifikansi statistik dari sinyal mencapai nilai yang dianggap sebagai tingkat penemuan dalam fisika partikel (lima standar deviasi).

Seminar dilaksanakan dalam suasana meriah. Selain para peneliti yang bekerja di CERN dan mahasiswa yang belajar di sana dalam program musim panas, tempat ini juga “dikunjungi” melalui Internet oleh para peserta konferensi terbesar tentang fisika energi tinggi, yang dibuka di Melbourne pada hari yang sama. Seminar ini disiarkan melalui Internet ke pusat-pusat penelitian dan universitas di seluruh dunia, termasuk, tentu saja, Rusia. Setelah penampilan mengesankan dari para pemimpin kolaborasi CMS - Joe Incandela dan ATLAS - Fabiola Gianotti, Direktur Jenderal CERN Rolf Heuer menyimpulkan: “Saya pikir kita memilikinya!” (“Saya rasa kita sudah menguasainya!”).

Jadi apa yang “ada di tangan kita” dan mengapa para ahli teori memunculkannya?

Apa itu partikel baru?

Versi minimal teori mikrokosmos disebut Model Standar. Ini mencakup semua partikel elementer yang diketahui (kami mencantumkannya di bawah) dan semua interaksi yang diketahui di antara partikel-partikel tersebut. Interaksi gravitasi berbeda: interaksi ini tidak bergantung pada jenis partikel elementer, namun dijelaskan oleh teori relativitas umum Einstein. Higgs boson tetap menjadi satu-satunya elemen Model Standar yang belum ditemukan hingga saat ini.

Kami menyebut Model Standar minimal karena tidak ada partikel elementer lain di dalamnya. Secara khusus, ia memiliki satu, dan hanya satu, Higgs boson, dan merupakan partikel elementer, bukan komposit (kemungkinan lain akan dibahas di bawah). Sebagian besar aspek Model Standar - kecuali sektor baru tempat Higgs boson berada - telah diuji dalam berbagai eksperimen, dan tugas utama dalam program kerja LHC adalah mencari tahu apakah versi minimal teori tersebut benar-benar ada. diimplementasikan di alam dan seberapa lengkap hal itu menggambarkan dunia mikro.

Selama pelaksanaan program ini, sebuah partikel baru ditemukan, cukup berat menurut standar fisika dunia mikro. Dalam bidang ilmu ini massa diukur dalam satuan energi, mengingat hubungan E = mс 2 antara massa dan energi diam. Satuan energi adalah elektronvolt (eV) - energi yang diperoleh elektron setelah melewati beda potensial 1 volt, dan turunannya - MeV (juta, 10 6 eV), GeV (miliar, 10 9 eV), TeV (triliun, 10 12 eV) . Massa elektron dalam satuan ini adalah 0,5 MeV, proton kira-kira 1 GeV, dan partikel elementer terberat yang diketahui, t-quark, adalah 173 GeV. Jadi massa partikel baru tersebut adalah 125-126 GeV (ketidakpastian berhubungan dengan kesalahan pengukuran). Sebut saja partikel baru ini N.

Ia tidak memiliki muatan listrik, tidak stabil dan dapat membusuk dengan berbagai cara. Ia ditemukan di CERN Large Hadron Collider dengan mempelajari peluruhan menjadi dua foton, H → γγ, dan menjadi dua pasangan elektron-positron dan/atau muon-antimuon, H → e + e - e + e - , H → e + e - μ + μ - , H → μ + μ - μ + μ-. Jenis proses kedua ditulis sebagai H → 4ℓ, di mana ℓ menunjukkan salah satu partikel e +, e -, μ + atau μ - (disebut lepton). CMS dan ATLAS juga melaporkan beberapa peristiwa berlebih, yang dapat dijelaskan dengan peluruhan H → 2ℓ2ν, dengan ν adalah neutrino. Namun kelebihan ini belum memiliki signifikansi statistik yang tinggi.

Secara umum, segala sesuatu yang sekarang diketahui tentang partikel baru konsisten dengan interpretasinya sebagai Higgs boson, yang diprediksi oleh versi paling sederhana dari teori partikel elementer - Model Standar. Dengan menggunakan Model Standar, kita dapat menghitung probabilitas produksi Higgs boson dalam tumbukan proton-proton di Large Hadron Collider dan probabilitas peluruhannya, dan dengan demikian memprediksi jumlah kejadian yang diharapkan. Prediksi tersebut dikonfirmasi dengan baik oleh eksperimen, tetapi, tentu saja, masih dalam batas kesalahan. Kesalahan eksperimen masih besar, dan nilai terukurnya masih sangat sedikit. Namun demikian, sulit untuk meragukan bahwa Higgs boson atau sejenisnyalah yang telah ditemukan, terutama mengingat peluruhan ini sangat jarang terjadi: 2 dari 1000 Higgs boson meluruh menjadi dua foton, dan 1 dari 10.000 meluruh menjadi 4ℓ .

Di lebih dari separuh kasus, Higgs boson akan meluruh menjadi pasangan b-quark - b-antiquark: H → bb̃. Kelahiran pasangan bb̃ dalam tumbukan proton-proton (dan proton-antiproton) adalah fenomena yang sangat sering terjadi bahkan tanpa adanya Higgs boson, dan sinyal dari pasangan tersebut belum dapat diisolasi dari “kebisingan” ini (fisikawan mengatakan latar belakang ) dalam percobaan di LHC. Hal ini sebagian dicapai pada penumbuk Tevatron, dan meskipun signifikansi statistiknya jauh lebih rendah, data ini juga konsisten dengan prediksi Model Standar.

Semua partikel elementer mempunyai putaran – momentum sudut internal. Putaran suatu partikel dapat berupa bilangan bulat (termasuk nol) atau setengah bilangan bulat dalam satuan konstanta Planck ћ. Partikel dengan putaran bilangan bulat disebut boson, dan partikel dengan putaran setengah bilangan bulat disebut fermion. Putaran elektron adalah 1/2, putaran foton adalah 1. Dari analisis hasil peluruhan suatu partikel baru, dapat disimpulkan bahwa putarannya merupakan integral, yaitu boson. Dari kekekalan momentum sudut pada peluruhan suatu partikel menjadi sepasang foton H → γγ sebagai berikut: putaran setiap foton adalah bilangan bulat; Momentum sudut total keadaan akhir (pasangan foton) selalu tetap utuh. Artinya keadaan awalnya juga utuh.

Selain itu, ini tidak sama dengan kesatuan: sebuah partikel dengan spin 1 tidak dapat meluruh menjadi dua foton dengan spin 1. Yang tersisa adalah spin 0; 2 atau lebih. Meskipun putaran partikel baru belum diukur, sangat kecil kemungkinannya kita berhadapan dengan partikel dengan putaran 2 atau lebih besar. Hampir dapat dipastikan bahwa putaran H adalah nol, dan seperti yang akan kita lihat, inilah yang seharusnya terjadi pada Higgs boson.

Sebagai penutup uraian tentang sifat-sifat yang diketahui dari sebuah partikel baru, katakanlah menurut standar fisika dunia mikro, ia dapat bertahan cukup lama. Berdasarkan data eksperimen, perkiraan masa pakainya yang lebih rendah menghasilkan ТH > 10 -24 detik, yang tidak bertentangan dengan prediksi Model Standar: ТH = 1,6·10 -22 detik. Sebagai perbandingan: umur t-quark adalah T t = 3·10 -25 s. Perhatikan bahwa pengukuran langsung umur partikel baru di LHC hampir tidak mungkin dilakukan.

Mengapa boson lain?

Dalam fisika kuantum, setiap partikel elementer berfungsi sebagai kuantum suatu bidang tertentu, dan sebaliknya: setiap bidang memiliki partikel kuantumnya sendiri; contoh paling terkenal adalah medan elektromagnetik dan kuantumnya, foton. Oleh karena itu, pertanyaan yang diajukan pada judul tersebut dapat dirumuskan kembali sebagai berikut:

Mengapa diperlukan bidang baru dan apa saja sifat yang diharapkan dari bidang tersebut?

Jawaban singkatnya adalah kesimetrian teori dunia mikro - baik itu Model Standar atau teori yang lebih kompleks - melarang partikel elementer memiliki massa, dan medan baru mematahkan kesimetrian ini dan memastikan keberadaan massa partikel. Dalam Model Standar - versi teori yang paling sederhana (tetapi hanya di dalamnya!) - semua properti medan baru dan, karenanya, boson baru, kecuali massanya, diprediksi secara jelas, sekali lagi berdasarkan pertimbangan simetri . Seperti yang kami katakan, data eksperimen yang tersedia konsisten dengan versi teori yang paling sederhana, namun data ini masih cukup langka, dan masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan untuk mengetahui dengan tepat cara kerja sektor baru fisika partikel elementer.

Mari kita pertimbangkan, setidaknya secara umum, peran simetri dalam fisika dunia mikro.

Simetri, hukum dan larangan konservasi

Sifat umum teori fisika, baik mekanika Newton, mekanika relativitas khusus, mekanika kuantum, atau teori dunia mikro, adalah bahwa setiap simetri mempunyai hukum kekekalannya sendiri. Misalnya, simetri terhadap pergeseran waktu (yaitu, fakta bahwa hukum fisika selalu sama pada setiap momen waktu) sesuai dengan hukum kekekalan energi, simetri terhadap pergeseran ruang sesuai dengan hukum. tentang kekekalan momentum, dan simetri terhadap rotasi di dalamnya (semua arah dalam ruang adalah sama) — hukum kekekalan momentum sudut. Hukum kekekalan juga dapat diartikan sebagai larangan: kesimetrian yang tercantum melarang perubahan energi, momentum, dan momentum sudut suatu sistem tertutup selama evolusinya.

Dan sebaliknya: setiap hukum kekekalan mempunyai simetrinya masing-masing; Pernyataan ini benar-benar akurat dalam teori kuantum. Timbul pertanyaan: simetri apa yang sesuai dengan hukum kekekalan muatan listrik? Jelas bahwa kesimetrian ruang dan waktu yang baru saja kami sebutkan tidak ada hubungannya dengan itu. Namun demikian, selain kesimetrian ruang-waktu yang jelas, ada juga kesimetrian “internal” yang tidak jelas. Salah satunya mengarah pada kekekalan muatan listrik. Penting bagi kita bahwa simetri internal yang sama (hanya dipahami dalam arti luas - fisikawan menggunakan istilah “invariansi pengukur”) menjelaskan mengapa foton tidak memiliki massa. Kurangnya massa foton, pada gilirannya, berkaitan erat dengan fakta bahwa cahaya hanya memiliki dua jenis polarisasi - kiri dan kanan.

Untuk memperjelas hubungan antara keberadaan hanya dua jenis polarisasi cahaya dan tidak adanya massa dalam foton, mari kita menyimpang sejenak dari pembicaraan tentang kesimetrian dan sekali lagi mengingat bahwa partikel elementer dicirikan oleh putaran, setengah bilangan bulat, atau bilangan bulat. dalam satuan konstanta Planck ћ. Fermion dasar (partikel putaran setengah bilangan bulat) memiliki putaran 1/2. Ini adalah elektron e, elektron neutrino ν e, analog berat dari elektron - muon μ dan tau lepton τ, neutrinonya ν μ dan ν τ, quark dari enam jenis u, d, c, s, t, b dan antipartikel yang sesuai dengan semuanya (positron e + , elektron antineutrino ν̃ e, antiquark ũ, dll.). Quark U dan d bersifat ringan, dan menyusun proton (komposisi quark uud) dan neutron (udd). Quark yang tersisa (c, t, s, b) lebih berat; mereka adalah bagian dari partikel berumur pendek, misalnya K-meson.

Boson, partikel putaran utuh, tidak hanya mencakup foton, tetapi juga analog jauhnya - gluon (putaran 1). Gluon bertanggung jawab atas interaksi antara quark dan mengikatnya menjadi proton, neutron, dan partikel penyusun lainnya. Selain itu, ada tiga partikel spin-1 lagi - W + bermuatan listrik, W - boson dan Z-boson netral, yang akan dibahas di bawah. Nah, Higgs boson, sebagaimana telah disebutkan, seharusnya tidak berputar. Sekarang kita telah membuat daftar semua partikel elementer yang ditemukan dalam Model Standar.

Partikel masif spin s (dalam satuan ћ) memiliki keadaan 2s + 1 dengan proyeksi spin berbeda pada sumbu tertentu (spin adalah momentum sudut internal - vektor, sehingga konsep proyeksinya ke sumbu tertentu memiliki arti biasa) . Misalnya spin elektron (s = 1/2) dalam kerangka diamnya dapat diarahkan, misalnya ke atas (s 3 = +1/2) atau ke bawah (s 3 = -1/2). Boson Z mempunyai massa bukan nol dan putaran s = 1, sehingga ia mempunyai tiga keadaan dengan proyeksi putaran yang berbeda: s 3 = +1, 0 atau -1. Situasinya sangat berbeda dengan partikel tak bermassa. Karena mereka terbang dengan kecepatan cahaya, mustahil untuk berpindah ke sistem referensi di mana partikel tersebut diam. Namun demikian, kita dapat membicarakan helisitasnya—proyeksi putaran ke arah pergerakan. Jadi, meskipun putaran foton sama dengan satu, hanya ada dua proyeksi seperti itu - searah dan berlawanan dengan gerak. Ini adalah polarisasi cahaya kanan dan kiri (foton). Keadaan ketiga dengan proyeksi putaran nol, yang harus ada jika foton mempunyai massa, dilarang oleh simetri internal elektrodinamika yang dalam, simetri yang mengarah pada kekekalan muatan listrik. Jadi, simetri internal ini melarang keberadaan massa di foton!

Ada yang salah

Namun, yang menarik bagi kami bukanlah foton, melainkan W ± - dan Z-boson. Partikel-partikel ini, ditemukan pada tahun 1983 di penumbuk proton-antiproton Spp̃S di CERN dan diprediksi jauh sebelumnya oleh para ahli teori, memiliki massa yang cukup besar: W ± boson memiliki massa 80 GeV (sekitar 80 kali lebih berat dari proton), dan Z boson memiliki massa 91 GeV. Sifat-sifat boson W ± - dan Z terkenal terutama karena eksperimen pada penumbuk elektron-positron LEP (CERN) dan SLC (SLAC, USA) dan penumbuk proton-antiproton Tevatron (Fermilab, USA): keakuratan pengukuran sejumlah besaran yang terkait dengan boson W ± - dan Z, lebih baik dari 0,1%. Sifat-sifatnya, dan juga partikel lainnya, dijelaskan dengan sempurna oleh Model Standar. Hal ini juga berlaku untuk interaksi boson W ± - dan Z dengan elektron, neutrino, quark, dan partikel lainnya. Interaksi seperti itu disebut lemah. Mereka telah dipelajari secara rinci; Salah satu contoh manifestasinya yang sudah lama diketahui adalah peluruhan beta muon, neutron, dan inti atom.

Seperti yang telah disebutkan, masing-masing boson W ± dan Z dapat berada dalam tiga keadaan putaran, dan bukan dalam dua keadaan, seperti foton. Namun, mereka berinteraksi dengan fermion (neutrino, quark, elektron, dll.) pada prinsipnya dengan cara yang sama seperti foton. Misalnya, foton berinteraksi dengan muatan listrik elektron dan arus listrik yang dihasilkan oleh elektron yang bergerak. Dengan cara yang sama, Z-boson berinteraksi dengan muatan elektron dan arus tertentu yang timbul ketika elektron bergerak, hanya saja muatan dan arus ini bersifat non-listrik. Sampai pada ciri penting yang akan dibahas segera, analoginya akan lengkap jika, selain muatan listrik, elektron juga diberi muatan Z. Baik quark maupun neutrino memiliki muatan Z masing-masing.

Analogi dengan elektrodinamika meluas lebih jauh lagi. Seperti teori foton, teori boson W ± dan Z memiliki simetri internal yang dalam, mendekati hukum kekekalan muatan listrik. Dalam analogi lengkap dengan foton, ia melarang boson W ± - dan Z memiliki polarisasi ketiga, dan karenanya bermassa. Di sinilah ketidakkonsistenan muncul: larangan simetri pada massa partikel spin-1 berlaku untuk foton, tetapi tidak berlaku untuk W ± - dan Z-boson!

Lebih-lebih lagi. Interaksi lemah elektron, neutrino, quark, dan partikel lain dengan boson W ± - dan Z terjadi seolah-olah fermion ini tidak memiliki massa! Jumlah polarisasi tidak ada hubungannya dengan hal ini: fermion masif dan tak bermassa memiliki dua polarisasi (arah putaran). Intinya adalah bagaimana tepatnya fermion berinteraksi dengan boson W ± dan Z.

Untuk menjelaskan inti masalahnya, pertama-tama mari kita matikan massa elektron (secara teori hal ini diperbolehkan) dan pertimbangkan dunia imajiner di mana massa elektron adalah nol. Di dunia seperti itu, sebuah elektron terbang dengan kecepatan cahaya dan dapat memiliki putaran yang diarahkan ke arah gerakan atau melawannya. Adapun foton, dalam kasus pertama masuk akal untuk berbicara tentang elektron dengan polarisasi kanan, atau, singkatnya, tentang elektron yang bertangan kanan, dalam kasus kedua - tentang elektron yang bertangan kiri.

Karena kita mengetahui dengan baik cara kerja interaksi elektromagnetik dan interaksi lemah (dan hanya elektron yang berpartisipasi di dalamnya), kita cukup mampu menggambarkan sifat-sifat elektron di dunia imajiner kita. Dan mereka memang seperti itu.

Pertama, di dunia ini, elektron kanan dan kiri adalah dua partikel yang sangat berbeda: elektron kanan tidak pernah berubah menjadi elektron kiri dan sebaliknya. Hal ini dilarang oleh hukum kekekalan momentum sudut (dalam hal ini, spin), dan interaksi elektron dengan foton dan boson Z tidak mengubah polarisasinya. Kedua, hanya elektron kiri yang mengalami interaksi elektron dengan boson W, dan elektron kanan tidak ikut serta sama sekali. Ciri penting ketiga yang kami sebutkan sebelumnya dalam gambar ini adalah muatan Z elektron kiri dan kanan berbeda, dan elektron kiri berinteraksi dengan boson Z lebih kuat daripada elektron kanan. Muon, tau lepton, dan quark memiliki sifat serupa.

Kami menekankan bahwa dalam dunia imajiner dengan fermion tak bermassa, tidak ada masalah dengan fakta bahwa elektron kiri dan kanan berinteraksi dengan boson W dan Z secara berbeda dan, khususnya, muatan Z “kiri” dan “kanan” berbeda. . Di dunia ini, elektron kiri dan kanan adalah partikel yang berbeda, dan itulah akhirnya: tidak mengejutkan kita, misalnya, bahwa elektron dan neutrino memiliki muatan listrik yang berbeda: -1 dan 0.

Dengan memasukkan massa elektron, kita langsung sampai pada kontradiksi. Sebuah elektron cepat, yang kecepatannya mendekati kecepatan cahaya, dan putarannya berlawanan dengan arah gerak, tampak hampir sama dengan elektron kiri dari dunia imajiner kita. Dan itu harus berinteraksi dengan cara yang hampir sama. Jika interaksinya dikaitkan dengan muatan Z, maka nilai muatan Z-nya adalah “kidal”, sama dengan nilai elektron kidal dari dunia imajiner. Namun, kecepatan elektron masif masih lebih kecil dari kecepatan cahaya, dan Anda selalu dapat beralih ke sistem referensi yang bergerak lebih cepat lagi. Pada sistem baru, arah gerak elektron akan dibalik, namun arah putarannya akan tetap sama.

Proyeksi putaran ke arah gerak sekarang akan menjadi positif, dan elektron tersebut akan terlihat seperti elektron yang bertangan kanan, bukan yang bertangan kiri. Oleh karena itu, muatan Z-nya harus sama dengan muatan elektron kanan dari dunia imajiner. Namun hal ini tidak mungkin terjadi: nilai muatan tidak boleh bergantung pada sistem acuan. Ada kontradiksi. Kami menekankan bahwa kami sampai pada asumsi bahwa muatan Z kekal; Tidak ada cara lain untuk membicarakan signifikansinya bagi partikel tertentu.

Kontradiksi ini menunjukkan bahwa kesimetrian Model Standar (untuk kepastiannya, kita akan membicarakannya, meskipun semua hal di atas berlaku untuk versi teori lainnya) harus melarang keberadaan massa tidak hanya di boson W ± - dan Z, tetapi juga juga pada fermion. Tapi apa hubungannya simetri dengan itu?

Terlepas dari kenyataan bahwa mereka harus mengarah pada pelestarian muatan Z. Dengan mengukur muatan Z sebuah elektron, kita dapat mengetahui secara pasti apakah elektron tersebut bertangan kiri atau bertangan kanan. Dan ini hanya mungkin terjadi jika massa elektronnya nol.

Jadi, di dunia di mana semua kesimetrian Model Standar akan diwujudkan dengan cara yang sama seperti dalam elektrodinamika, semua partikel elementer akan memiliki massa nol. Namun di dunia nyata mereka memiliki massa, yang berarti sesuatu harus terjadi dengan kesimetrian Model Standar.

Pecahnya simetri

Berbicara tentang hubungan simetri dengan undang-undang dan larangan konservasi, kita kehilangan satu keadaan. Hal ini terletak pada kenyataan bahwa undang-undang kekekalan dan larangan simetri dipenuhi hanya jika simetri secara eksplisit ada. Namun, kesimetrian juga bisa dipatahkan. Misalnya, dalam sampel besi homogen pada suhu kamar mungkin terdapat medan magnet yang diarahkan ke beberapa arah; sampel tersebut kemudian menjadi magnet. Jika ada makhluk mikroskopis yang hidup di dalamnya, mereka akan menemukan bahwa tidak semua arah ruang sama. Sebuah elektron yang terbang melintasi medan magnet dipengaruhi oleh gaya Lorentz dari medan magnet, tetapi elektron yang terbang sepanjang medan magnet tersebut tidak terpengaruh oleh gaya tersebut. Sebuah elektron bergerak sepanjang medan magnet dalam garis lurus, melintasi medan dalam lingkaran, dan, secara umum, dalam spiral. Oleh karena itu, medan magnet di dalam sampel merusak simetri sehubungan dengan rotasi dalam ruang. Dalam hal ini, hukum kekekalan momentum sudut tidak terpenuhi di dalam magnet: ketika sebuah elektron bergerak dalam spiral, proyeksi momentum sudut ke sumbu tegak lurus medan magnet berubah seiring waktu.

Di sini kita berhadapan dengan pemutusan simetri spontan. Dengan tidak adanya pengaruh eksternal (misalnya, medan magnet bumi), pada sampel besi yang berbeda, medan magnet dapat diarahkan ke arah yang berbeda, dan tidak satu pun dari arah ini yang lebih disukai daripada yang lain. Simetri asli sehubungan dengan rotasi masih ada dan diwujudkan dalam kenyataan bahwa medan magnet dalam sampel dapat diarahkan ke mana saja. Namun begitu medan magnet muncul, arah yang diinginkan juga muncul, dan simetri di dalam magnet pun rusak. Pada tingkat yang lebih formal, persamaan yang mengatur interaksi atom-atom besi satu sama lain dan dengan medan magnet bersifat simetris terhadap rotasi dalam ruang, namun keadaan sistem atom-atom ini—sampel besi—adalah asimetris. Ini adalah fenomena putusnya simetri secara spontan. Perhatikan bahwa di sini kita berbicara tentang keadaan yang paling menguntungkan, yang memiliki energi paling sedikit; Keadaan ini disebut dasar. Di sinilah sampel besi pada akhirnya akan berakhir, meskipun pada awalnya tidak memiliki magnet.

Jadi, pemutusan spontan beberapa simetri terjadi ketika persamaan teorinya simetris, namun keadaan dasarnya tidak. Kata "spontan" digunakan dalam hal ini karena fakta bahwa sistem itu sendiri, tanpa partisipasi kita, memilih keadaan asimetris, karena keadaan inilah yang paling menguntungkan secara enerjik. Dari contoh di atas jelaslah bahwa jika simetri rusak secara spontan, maka hukum kekekalan dan larangan yang timbul darinya tidak berlaku; dalam contoh kita ini mengacu pada kekekalan momentum sudut. Kami menekankan bahwa kesimetrian lengkap dari teori ini hanya dapat dipatahkan sebagian: dalam contoh kita, dari kesimetrian lengkap terhadap semua rotasi dalam ruang, kesimetrian terhadap rotasi di sekitar arah medan magnet tetap jelas dan tidak terputus.

Makhluk mikroskopis yang hidup di dalam magnet mungkin bertanya pada diri sendiri: “Di dunia kita, tidak semua arah sama, momentum sudut tidak kekal, namun apakah ruang benar-benar asimetris terhadap rotasi?” Setelah mempelajari pergerakan elektron dan membangun teori yang sesuai (dalam hal ini, elektrodinamika), mereka akan memahami bahwa jawaban atas pertanyaan ini adalah negatif: persamaannya simetris, tetapi simetri ini secara spontan rusak karena “penyebaran” medan magnet. di mana pun. Dengan mengembangkan teori ini lebih lanjut, mereka memperkirakan bahwa medan yang bertanggung jawab atas putusnya simetri secara spontan pasti mempunyai kuanta sendiri, yaitu foton. Dan, dengan membangun akselerator kecil di dalam magnet, kita akan senang melihat kuanta ini benar-benar ada - mereka lahir dari tumbukan elektron!

Secara umum, situasi dalam fisika partikel mirip dengan yang dijelaskan. Namun ada juga perbedaan penting. Pertama, tidak perlu membicarakan media apa pun seperti kisi kristal atom besi. Di alam, keadaan dengan energi terendah adalah ruang hampa (menurut definisi!). Ini tidak berarti bahwa dalam ruang hampa - keadaan dasar alam - tidak mungkin terdapat medan “tersebar” secara seragam, mirip dengan medan magnet dalam contoh kita. Sebaliknya, inkonsistensi yang kita bicarakan menunjukkan bahwa kesimetrian Model Standar (lebih tepatnya, sebagian darinya) harus dipatahkan secara spontan, dan ini mengasumsikan bahwa ada semacam bidang dalam kekosongan yang menjamin pelanggaran ini. Kedua, kita tidak berbicara tentang kesimetrian ruang-waktu, seperti dalam contoh kita, namun tentang kesimetrian internal. Sebaliknya, simetri ruang-waktu tidak boleh rusak karena adanya medan dalam ruang hampa. Kesimpulan penting berikut ini: tidak seperti medan magnet, medan ini tidak boleh menyoroti arah mana pun dalam ruang (lebih tepatnya, dalam ruang-waktu, karena kita berhadapan dengan fisika relativistik). Bidang dengan properti ini disebut skalar; mereka berhubungan dengan partikel spin 0. Oleh karena itu, medan yang “tersebar” dalam ruang hampa dan menyebabkan putusnya simetri pastilah belum diketahui dan masih baru sampai saat ini. Memang, bidang yang diketahui yang kami sebutkan secara eksplisit atau implisit di atas - medan elektromagnetik, bidang W ± - dan Z-boson, gluon - berhubungan dengan partikel spin 1. Bidang seperti itu menyoroti arah dalam ruang-waktu dan disebut vektor, dan kita membutuhkan skalar lapangan. Bidang yang berhubungan dengan fermion (putaran 1/2) juga tidak cocok. Ketiga, bidang baru ini tidak boleh sepenuhnya merusak simetri Model Standar; simetri internal elektrodinamika harus tetap tidak terputus. Terakhir, dan ini yang paling penting, interaksi medan baru, yang “tersebar” dalam ruang hampa, dengan boson W ± - dan Z, elektron, dan fermion lainnya akan mengarah pada munculnya massa dalam partikel-partikel ini.

Mekanisme pembentukan massa partikel spin-1 (di alam adalah boson W ± - dan Z) karena pemutusan simetri spontan diusulkan dalam konteks fisika partikel elementer oleh ahli teori Brussel Francois Englert dan Robert Brout pada tahun 1964 dan beberapa saat kemudian oleh fisikawan Edinburgh Peter Higgs.

Para peneliti mengandalkan gagasan pemutusan simetri spontan (tetapi dalam teori tanpa medan vektor, yaitu tanpa partikel spin 1), yang diperkenalkan pada tahun 1960-1961 dalam karya J. Nambu, yang bersama dengan J. Jona -Lasinio, V. G. Vaks dan A. I. Larkin, J. Goldstone (Yoichiro Nambu menerima Hadiah Nobel untuk karya ini pada tahun 2008). Berbeda dengan penulis sebelumnya, Engler, Brout, dan Higgs menganggap teori (pada saat itu bersifat spekulatif) di mana terdapat skalar (spin 0) dan medan vektor (spin 1). Teori ini mempunyai simetri internal, sangat mirip dengan simetri elektrodinamika, yang mengarah pada kekekalan muatan listrik dan larangan massa foton. Namun tidak seperti elektrodinamika, simetri internal secara spontan dipecah oleh medan skalar seragam yang ada dalam ruang hampa. Hasil luar biasa dari Engler, Brout, dan Higgs adalah demonstrasi fakta bahwa pelanggaran simetri ini secara otomatis menyebabkan munculnya massa dalam partikel spin 1 - sebuah kuantum medan vektor!

Generalisasi yang cukup jelas dari mekanisme Engler-Brout-Higgs, terkait dengan dimasukkannya teori fermion dan interaksinya dengan medan skalar pemecah simetri, mengarah pada munculnya massa dalam fermion. Semuanya mulai berjalan pada tempatnya! Model Standar diperoleh sebagai generalisasi lebih lanjut. Sekarang tidak hanya berisi satu, tetapi beberapa bidang vektor - foton, W ± - dan boson Z (gluon adalah cerita terpisah, mereka tidak ada hubungannya dengan mekanisme Engler-Brout-Higgs) dan berbagai jenis fermion. Langkah terakhir sebenarnya tidak sepele; Steven Weinberg, Sheldon Glashow dan Abdus Salam menerima Hadiah Nobel pada tahun 1979 karena merumuskan teori lengkap tentang interaksi lemah dan elektromagnetik.

Mari kita kembali ke tahun 1964. Untuk menganalisis teori mereka, Engler dan Brout menggunakan pendekatan yang agak rumit menurut standar saat ini. Mungkin inilah sebabnya mereka tidak menyadari bahwa, bersama dengan partikel masif spin-1, teori tersebut memperkirakan keberadaan partikel lain - boson dengan spin 0. Namun Higgs memperhatikan, dan sekarang partikel baru tak berputar ini sering disebut Higgs boson . Seperti telah disebutkan, terminologi ini tidak sepenuhnya benar: Engler dan Brout-lah yang pertama kali mengusulkan penggunaan medan skalar untuk memutus simetri secara spontan dan menghasilkan massa partikel spin-1. Tanpa membahas terminologi lebih lanjut, kami menekankan bahwa boson baru dengan putaran nol berfungsi sebagai kuantum medan skalar yang merusak simetri. Dan inilah keunikannya.

Klarifikasi perlu dilakukan di sini. Kami ulangi bahwa jika tidak ada pemutusan simetri spontan, maka boson W ± dan Z tidak akan bermassa. Masing-masing dari tiga boson W+, W-, Z, seperti foton, memiliki dua polarisasi. Secara total, mengingat partikel dengan polarisasi berbeda tidak sama, kita akan memiliki 2 × 3 = 6 jenis boson W ± - dan Z. Dalam Model Standar, boson W ± dan Z sangat besar, masing-masing memiliki tiga keadaan putaran, yaitu tiga polarisasi, dengan total 3 × 3 = 9 jenis partikel - kuanta bidang W ±, Z. Timbul pertanyaan, dari manakah ketiga tipe “ekstra” itu berasal? Faktanya adalah Model Standar tidak hanya perlu memiliki satu, tetapi empat bidang skalar Engler-Brout-Higgs. Kuantum salah satunya adalah Higgs boson. Dan kuanta dari tiga kuanta lainnya, sebagai akibat dari putusnya simetri secara spontan, berubah menjadi tiga kuanta “ekstra” yang ada dalam boson W ± - dan Z yang masif. Mereka ditemukan sejak lama, karena diketahui bahwa boson W ± - dan Z memiliki massa: tiga keadaan putaran “ekstra” dari boson W + -, W - dan Z adalah apa adanya.

Omong-omong, aritmatika ini konsisten dengan fakta bahwa keempat medan Engler-Brout-Higgs adalah skalar, kuanta mereka memiliki putaran nol. Boson W ± - dan Z yang tidak bermassa akan memiliki proyeksi putaran pada arah gerak yang sama dengan -1 dan +1. Untuk boson W ± - dan Z yang masif, proyeksi ini mengambil nilai -1, 0, dan +1, yaitu kuanta “ekstra” memiliki proyeksi nol. Tiga medan Engler-Brout-Higgs, yang menjadi sumber kuanta “ekstra” ini, juga mempunyai proyeksi putaran nol ke arah gerak hanya karena vektor putarannya sama dengan nol. Semuanya cocok satu sama lain.

Jadi, Higgs boson adalah kuantum dari salah satu dari empat bidang skalar Engler-Brout-Higgs dalam Model Standar. Tiga lainnya dimakan oleh (istilah ilmiah!) W ± - dan Z-boson, berubah menjadi keadaan putaran ketiga yang hilang.

Apakah boson baru benar-benar diperlukan?

Hal yang paling menakjubkan dalam cerita ini adalah bahwa hari ini kita memahami: mekanisme Engler-Brout-Higgs bukanlah satu-satunya mekanisme yang mungkin untuk mematahkan simetri dalam fisika dunia mikro dan menghasilkan massa partikel elementer, dan boson Higgs mungkin juga tidak. ada. Misalnya, dalam fisika benda terkondensasi (cair, padat) terdapat banyak contoh pemutusan simetri spontan dan berbagai mekanisme pemutusan tersebut. Dan dalam banyak kasus, tidak ada yang seperti Higgs boson di dalamnya.

Analog keadaan padat terdekat dari pemutusan simetri spontan Model Standar dalam ruang hampa adalah pemutusan spontan simetri internal elektrodinamika pada ketebalan superkonduktor. Ini mengarah pada fakta bahwa dalam superkonduktor, foton dalam arti tertentu memiliki massa (seperti boson W ± - dan Z dalam ruang hampa). Ini memanifestasikan dirinya dalam efek Meissner - pengusiran medan magnet dari superkonduktor. Foton “tidak ingin” menembus ke dalam superkonduktor, di mana ia menjadi masif: “sulit” untuk berada di sana, secara energi tidak menguntungkan untuk berada di sana (ingat: E = mс 2). Medan magnet, yang secara konvensional dapat dianggap sebagai kumpulan foton, memiliki sifat yang sama: tidak menembus superkonduktor. Ini adalah efek Meissner.

Teori superkonduktivitas Ginzburg-Landau yang efektif sangat mirip dengan teori Engler-Brout-Higgs (lebih tepatnya, sebaliknya: teori Ginzburg-Landau 14 tahun lebih tua). Ia juga mengandung medan skalar, yang “menyebar” secara seragam ke seluruh superkonduktor dan menyebabkan putusnya simetri secara spontan. Namun, bukan tanpa alasan teori Ginzburg-Landau disebut efektif: teori ini menangkap, secara kiasan, sisi eksternal dari fenomena tersebut, tetapi sama sekali tidak memadai untuk memahami alasan mendasar dan mikroskopis munculnya superkonduktivitas. Faktanya, tidak ada medan skalar dalam superkonduktor; superkonduktor mengandung elektron dan kisi kristal, dan superkonduktivitas disebabkan oleh sifat khusus keadaan dasar sistem elektron, yang timbul karena interaksi di antara keduanya (lihat “Sains dan Kehidupan). ” Nomor 2 Tahun 2004, artikel “ " - Ed.).

Mungkinkah gambaran serupa juga terjadi di mikrokosmos? Akankah ternyata tidak ada medan skalar fundamental yang “tersebar” dalam ruang hampa, dan putusnya simetri spontan disebabkan oleh alasan yang sangat berbeda? Jika kita bernalar murni teoritis dan tidak memperhatikan fakta eksperimental, maka jawaban atas pertanyaan ini adalah afirmatif. Contoh yang baik adalah apa yang disebut model technicolor, yang diusulkan pada tahun 1979 oleh Steven Weinberg yang telah disebutkan dan - secara independen - Leonard Susskind.

Ia tidak mengandung medan skalar fundamental maupun boson Higgs, namun terdapat banyak partikel elementer baru yang sifatnya menyerupai quark. Interaksi di antara mereka menyebabkan putusnya simetri secara spontan dan pembentukan massa boson W ± - dan Z. Dengan massa fermion yang diketahui, misalnya elektron, situasinya lebih buruk, namun masalah ini juga dapat diselesaikan dengan memperumit teorinya.

Seorang pembaca yang penuh perhatian mungkin bertanya: “Bagaimana dengan argumen pada bab sebelumnya, yang mengatakan bahwa medan skalarlah yang seharusnya merusak simetri?” Celahnya di sini adalah bahwa medan skalar ini dapat bersifat komposit, dalam arti bahwa partikel kuanta yang bersesuaian bukanlah partikel elementer, tetapi terdiri dari partikel-partikel elementer lainnya yang “benar-benar”.

Mari kita mengingat kembali hubungan ketidakpastian Heisenberg mekanika kuantum Δх ×Δр ≥ ћ, di mana Δх dan Δр masing-masing adalah ketidakpastian koordinat dan momentum. Salah satu manifestasinya adalah bahwa struktur benda komposit dengan karakteristik ukuran internal Δx hanya muncul dalam proses yang melibatkan partikel dengan momentum yang cukup tinggi р ≥ћ/Δх, dan oleh karena itu dengan energi yang cukup tinggi. Di sini pantas untuk mengingat Rutherford, yang pada saat itu membombardir atom dengan elektron berenergi tinggi dan menemukan bahwa atom terdiri dari inti dan elektron. Melihat atom melalui mikroskop, bahkan dengan optik paling canggih (yaitu, menggunakan cahaya - foton berenergi rendah), mustahil untuk menemukan bahwa atom adalah partikel titik komposit, dan bukan partikel elementer: tidak ada resolusi yang cukup.

Jadi, pada energi rendah, partikel senyawa tampak seperti partikel elementer. Untuk mendeskripsikan partikel-partikel tersebut secara efektif pada energi rendah, mereka dapat dianggap sebagai kuanta suatu medan. Jika putaran suatu partikel komposit adalah nol, maka medan tersebut adalah skalar.

Situasi serupa diwujudkan, misalnya, dalam fisika π-meson, partikel dengan spin 0. Hingga pertengahan tahun 1960-an, tidak diketahui bahwa mereka terdiri dari quark dan antiquark (komposisi quark π + -, π - - dan π 0 -meson - ini masing-masing adalah ud̃, dũ dan kombinasi uũ dan dd̃).

Kemudian π-meson dideskripsikan oleh bidang skalar dasar. Kita sekarang tahu bahwa partikel-partikel ini adalah komposit, namun teori medan “lama” dari π meson tetap berlaku karena proses pada energi rendah dipertimbangkan. Hanya pada energi orde 1 GeV dan lebih tinggi barulah struktur quarknya mulai muncul, dan teori tersebut berhenti bekerja. Skala energi 1 GeV tidak muncul di sini secara kebetulan: ini adalah skala interaksi kuat yang mengikat quark menjadi π-meson, proton, neutron, dll., ini adalah skala massa partikel yang berinteraksi kuat, misalnya proton. Perhatikan bahwa π-meson sendiri berdiri terpisah: karena alasan yang tidak akan kita bicarakan di sini, mereka memiliki massa yang jauh lebih kecil: m π± = 140 MeV, m π0 = 135 MeV.

Jadi, medan skalar yang bertanggung jawab atas pemutusan simetri spontan, pada prinsipnya, dapat berupa komposit. Situasi inilah yang disarankan oleh model technicolor. Dalam hal ini, tiga kuanta tak berputar, yang dimakan oleh boson W ± - dan Z dan menjadi keadaan putarannya yang hilang, memiliki analogi yang mirip dengan π + -, π - - dan π 0 -meson. Hanya skala energi yang sesuai bukan lagi 1 GeV, melainkan beberapa TeV. Dalam gambaran seperti itu, diharapkan adanya banyak partikel penyusun baru - analog dari proton, neutron, dll. — dengan massa sekitar beberapa TeV. Sebaliknya, Higgs boson yang relatif ringan tidak ada di dalamnya. Ciri lain dari model ini adalah bahwa boson W ± dan Z di dalamnya sebagian merupakan partikel komposit, karena, seperti yang telah kami katakan, beberapa komponennya mirip dengan meson. Hal ini akan terwujud dalam interaksi boson W ± dan Z.

Keadaan terakhir inilah yang menyebabkan model teknikwarna (setidaknya dalam formulasi aslinya) ditolak jauh sebelum penemuan boson baru: pengukuran yang tepat dari sifat-sifat boson W ± dan Z di LEP dan SLC tidak sesuai dengan prediksi model tersebut.

Teori indah ini dihancurkan oleh fakta eksperimental yang keras kepala, dan penemuan Higgs boson mengakhirinya. Namun demikian, bagi saya, dan bagi sejumlah ahli teori lainnya, gagasan tentang medan skalar komposit lebih menarik daripada teori Engler-Brout-Higgs dengan bidang skalar dasar. Tentu saja, setelah penemuan boson baru di CERN, gagasan tentang kompositeness mendapati dirinya berada dalam posisi yang lebih sulit daripada sebelumnya: jika partikel ini komposit, ia seharusnya berhasil meniru unsur dasar Higgs boson. Namun, mari kita tunggu dan lihat eksperimen apa di LHC yang pertama-tama akan menunjukkan pengukuran sifat-sifat boson baru yang lebih akurat.

Penemuan telah dilakukan. Apa selanjutnya?

Mari kita kembali, sebagai hipotesis kerja, ke versi minimal teori - Model Standar dengan satu dasar Higgs boson. Karena dalam teori ini medan Engler-Brout-Higgs (lebih tepatnya, medan) yang memberikan massa pada semua partikel elementer, interaksi masing-masing partikel ini dengan boson Higgs ditetapkan secara ketat. Semakin besar massa partikel, semakin kuat interaksinya; Semakin kuat interaksinya, semakin besar kemungkinan Higgs boson akan meluruh menjadi sepasang partikel dengan tipe tertentu. Peluruhan Higgs boson menjadi pasangan partikel nyata tt̃ , ZZ dan W+W- dilarang oleh hukum kekekalan energi. Hal ini mengharuskan jumlah massa produk peluruhan lebih kecil dari massa partikel peluruhan (sekali lagi, ingat E = mc 2), dan bagi kita, ingat, m n ≈ 125 GeV, m t = 173 GeV, m z = 91 GeV dan mw = 80 GeV. Massa terbesar berikutnya adalah b quark dengan m b = 4 GeV, dan itulah sebabnya, seperti yang telah kami katakan, boson Higgs paling mudah meluruh menjadi pasangan bb̃. Yang juga menarik adalah peluruhan Higgs boson menjadi sepasang τ-lepton H → τ + τ - (m τ = 1,8 GeV), yang terjadi dengan probabilitas 6%. Peluruhan H → μ + μ - (m µ = 106 MeV) seharusnya terjadi dengan probabilitas yang lebih kecil lagi, namun tetap tidak hilang sebesar 0,02%. Selain peluruhan yang dibahas di atas, H → γγ; H → 4ℓ dan H → 2ℓ2ν, kita perhatikan peluruhan H → Zγ, yang probabilitasnya adalah 0,15%. Semua probabilitas ini akan dapat diukur di LHC, dan setiap penyimpangan dari prediksi ini berarti hipotesis kerja kami, Model Standar, tidak benar. Sebaliknya, kesesuaian dengan prediksi Model Standar akan semakin meyakinkan kita akan validitasnya.

Hal yang sama dapat dikatakan tentang penciptaan Higgs boson dalam tumbukan proton. Higgs boson dapat dihasilkan sendiri dari interaksi dua gluon, bersama dengan sepasang light quark berenergi tinggi, bersama dengan satu boson W atau Z, atau, akhirnya, bersama dengan pasangan tt̃. Partikel yang diproduksi bersama dengan Higgs boson dapat dideteksi dan diidentifikasi, sehingga mekanisme produksi yang berbeda dapat dipelajari secara terpisah di LHC. Dengan demikian, dimungkinkan untuk mengekstrak informasi tentang interaksi Higgs boson dengan W ± -, Z-boson, dan t-quark.

Terakhir, sifat penting Higgs boson adalah interaksinya dengan dirinya sendiri. Ia harus memanifestasikan dirinya dalam proses Н* → НН, di mana Н* adalah partikel maya. Sifat-sifat interaksi ini juga diprediksi dengan jelas oleh Model Standar. Namun, kajiannya masih jauh dari masa depan.

Jadi, LHC memiliki program ekstensif untuk mempelajari interaksi boson baru. Sebagai hasil dari penerapannya, akan menjadi lebih atau kurang jelas apakah Model Standar menggambarkan alam atau kita sedang berhadapan dengan teori lain yang lebih kompleks (dan mungkin lebih sederhana). Kemajuan lebih lanjut dikaitkan dengan peningkatan signifikan dalam akurasi pengukuran; hal ini akan membutuhkan pembangunan akselerator elektron-positron baru - penumbuk e + e - dengan rekor energi untuk mesin jenis ini. Mungkin saja banyak kejutan menanti kita di sepanjang jalan ini.

Daripada mengambil kesimpulan: mencari “fisika baru”

Dari sudut pandang “teknis”, Model Standar konsisten secara internal. Artinya, dalam kerangkanya adalah mungkin - setidaknya pada prinsipnya, dan sebagai aturan, dalam praktiknya - untuk menghitung kuantitas fisik apa pun (tentu saja, terkait dengan fenomena yang ingin dijelaskannya), dan hasilnya tidak akan mengandung ketidakpastian. Namun demikian, banyak, meskipun tidak semua, ahli teori menganggap keadaan dalam Model Standar, secara halus, tidak sepenuhnya memuaskan. Dan ini terutama disebabkan oleh skala energinya.

Seperti yang sudah jelas dari sebelumnya, skala energi Model Standar berada pada orde M cm = 100 GeV (di sini kita tidak berbicara tentang interaksi kuat dengan skala 1 GeV, semuanya lebih sederhana). Ini adalah skala massa boson W± dan Z serta boson Higgs. Apakah banyak atau sedikit? Dari sudut pandang eksperimental - cukup banyak, tetapi dari sudut pandang teoretis...

Dalam fisika ada skala energi lain. Hal ini terkait dengan gravitasi dan sama dengan massa Planck M pl = 10 19 GeV. Pada energi rendah, interaksi gravitasi antar partikel dapat diabaikan, tetapi interaksi tersebut meningkat seiring dengan peningkatan energi, dan pada energi orde M pl, gravitasi menjadi kuat. Energi di atas Mpl adalah wilayah gravitasi kuantum, apa pun itu. Penting bagi kita bahwa gravitasi mungkin merupakan interaksi paling mendasar dan skala gravitasi M pl adalah skala energi paling mendasar. Lalu mengapa Skala Model Standar Mcm = 100 GeV jauh dari Mpl = 1019 GeV?

Masalah yang teridentifikasi memiliki aspek lain yang lebih halus. Hal ini terkait dengan sifat-sifat vakum fisik. Dalam teori kuantum, ruang hampa – keadaan dasar alam – disusun dengan cara yang sangat tidak sepele. Partikel virtual terus-menerus diciptakan dan dihancurkan di dalamnya; dengan kata lain, fluktuasi medan terbentuk dan menghilang. Kita tidak dapat mengamati proses-proses ini secara langsung, namun proses-proses ini mempengaruhi sifat-sifat partikel elementer, atom, dan lain-lain yang dapat diamati. Misalnya, interaksi elektron dalam atom dengan elektron virtual dan foton menyebabkan fenomena yang diamati dalam spektrum atom - pergeseran Lamb. Contoh lain: koreksi momen magnet suatu elektron atau muon (momen magnet anomali) juga disebabkan oleh interaksi dengan partikel maya. Efek ini dan efek serupa telah dihitung dan diukur (dalam kasus ini dengan akurasi yang luar biasa!), sehingga kita dapat yakin bahwa kita memiliki gambaran yang benar tentang ruang hampa fisik.

Dalam gambar ini, semua parameter yang awalnya termasuk dalam teori menerima koreksi, yang disebut radiasi, karena interaksi dengan partikel virtual. Dalam elektrodinamika kuantum, jumlahnya kecil, tetapi dalam sektor Engler-Brout-Higgs, jumlahnya sangat besar. Inilah kekhasan bidang skalar dasar yang membentuk sektor ini; bidang lain tidak memiliki properti ini. Efek utamanya di sini adalah koreksi radiasi cenderung “menarik” skala energi Model Standar M cm menuju skala gravitasi M pl. Jika kita tetap berada dalam Model Standar, maka satu-satunya jalan keluar adalah memilih parameter awal teori sehingga, bersama dengan koreksi radiasi, menghasilkan nilai M cm yang benar pas harus mendekati M cm 2 /M pl 2 = 10 -34 ! Ini adalah aspek kedua dari masalah skala energi Model Standar: tampaknya tidak masuk akal jika kecocokan seperti itu terjadi di alam.

Banyak (meskipun, kami ulangi, tidak semua) ahli teori percaya bahwa masalah ini jelas menunjukkan perlunya melampaui Model Standar. Memang, jika Model Standar berhenti bekerja atau meluas secara signifikan pada skala energi "fisika baru - NF" M nf, maka akurasi yang diperlukan untuk menyesuaikan parameter, secara kasar, adalah M 2 cm / M 2 nf, tetapi kenyataannya itu sekitar dua kali lipat lebih kecil. Jika kita berasumsi bahwa tidak ada penyesuaian parameter di alam, maka skala “fisika baru” seharusnya berada di kisaran 1-2 TeV, tepatnya di wilayah yang dapat diakses untuk penelitian di Large Hadron Collider!

Seperti apa “fisika baru” itu? Tidak ada kesatuan di antara para ahli teori mengenai hal ini. Salah satu kemungkinannya adalah sifat gabungan dari medan skalar yang menyebabkan pemutusan simetri spontan yang telah dibahas. Kemungkinan lain yang juga populer (sejauh ini?) adalah supersimetri, yang hanya akan kita katakan bahwa supersimetri memprediksi sekumpulan partikel baru dengan massa dalam kisaran ratusan GeV - beberapa TeV. Pilihan yang sangat eksotis juga sedang dibahas, seperti dimensi ruang tambahan (misalnya, apa yang disebut teori M - lihat “Ilmu Pengetahuan dan Kehidupan” No. 2, 3, 1997, artikel “Superstring: menuju teori dari segalanya.” - Ed.

Terlepas dari segala upaya, belum ada indikasi eksperimental “fisika baru” yang diterima. Hal ini sebenarnya sudah mulai menimbulkan kekhawatiran: apakah kita memahami semuanya dengan benar? Namun, sangat mungkin bahwa kita belum mencapai “fisika baru” dalam hal energi dan jumlah data yang dikumpulkan, dan penemuan-penemuan baru yang revolusioner akan terkait dengannya. Harapan utama di sini kembali ditempatkan pada Large Hadron Collider, yang dalam satu setengah tahun akan mulai beroperasi dengan energi penuh 13-14 TeV dan mengumpulkan data dengan cepat. Ikuti beritanya!

Mesin pengukuran dan penemuan yang tepat

Fisika partikel, yang mempelajari objek terkecil di alam, memerlukan fasilitas penelitian raksasa di mana partikel-partikel ini berakselerasi, bertabrakan, dan hancur. Yang paling kuat di antaranya adalah collider.

bertabrakan adalah akselerator dengan berkas partikel yang bertabrakan, di mana partikel bertabrakan secara langsung, misalnya elektron dan positron dalam e + e - penumbuk. Sejauh ini, penumbuk proton-antiproton, proton-proton, elektron-proton, dan inti-inti (atau ion berat) juga telah diciptakan. Kemungkinan lain, misalnya μ + μ - - collider, masih dibahas. Penumbuk utama dalam fisika partikel adalah proton-antiproton, proton-proton, dan elektron-positron.

Penumbuk Hadron Besar (LHC)- proton-proton, mempercepat dua berkas proton satu ke arah yang lain (juga dapat bekerja sebagai penumbuk ion berat). Energi desain proton pada setiap berkas adalah 7 TeV, sehingga energi tumbukan total adalah 14 TeV. Pada tahun 2011, collider beroperasi dengan setengah energi ini, dan pada tahun 2012, dengan energi penuh sebesar 8 TeV. Large Hadron Collider adalah cincin sepanjang 27 km di mana proton dipercepat oleh medan listrik dan ditampung oleh medan yang diciptakan oleh magnet superkonduktor. Tabrakan proton terjadi di empat lokasi di mana detektor ditempatkan untuk mencatat partikel yang dihasilkan dalam tumbukan tersebut. ATLAS dan CMS dirancang untuk penelitian fisika partikel energi tinggi; LHC-b untuk mempelajari partikel yang mengandung b-quark, dan ALICE untuk mempelajari materi quark-gluon yang panas dan padat.

Spp̃S- penumbuk proton-antiproton di CERN. Panjang cincin 6,9 km, energi tumbukan maksimum 630 GeV. Bekerja dari tahun 1981 hingga 1990.

LEP- Penumbuk cincin elektron-positron dengan energi tumbukan maksimum 209 GeV, terletak di terowongan yang sama dengan LHC. Bekerja dari tahun 1989 hingga 2000.

SLC— penumbuk elektron-positron linier di SLAC, AS. Energi tumbukan 91 GeV (massa Z-boson). Bekerja dari tahun 1989 hingga 1998.

Tevatron adalah penumbuk proton-antiproton cincin di Fermilab, AS. Panjang cincin 6 km, energi tumbukan maksimum 2 TeV. Bekerja dari tahun 1987 hingga 2011.

Saat membandingkan penumbuk proton-proton dan proton-antiproton dengan penumbuk elektron-positron, perlu diingat bahwa proton adalah partikel komposit yang mengandung kuark dan gluon. Masing-masing quark dan gluon hanya membawa sebagian kecil energi proton. Oleh karena itu, dalam Large Hadron Collider, misalnya, energi tumbukan elementer (antara dua quark, antara dua gluon, atau quark dengan gluon) jauh lebih rendah daripada energi total tumbukan proton (14 TeV pada parameter desain) . Oleh karena itu, kisaran energi yang tersedia untuk dipelajari “hanya” mencapai 2-4 TeV, tergantung proses yang dipelajari. Penumbuk elektron-positron tidak memiliki ciri seperti itu: elektron adalah partikel dasar yang tidak berstruktur.

Keuntungan dari penumbuk proton-proton (dan proton-antiproton) adalah, meskipun dengan mempertimbangkan fitur ini, secara teknis lebih mudah untuk mencapai energi tumbukan yang tinggi dibandingkan dengan penumbuk elektron-positron. Ada juga minusnya. Karena struktur komposit proton, dan juga karena quark dan gluon berinteraksi satu sama lain jauh lebih kuat daripada elektron dan positron, lebih banyak peristiwa yang terjadi dalam tumbukan proton yang tidak menarik dari sudut pandang pencarian Higgs boson. atau partikel dan fenomena baru lainnya. Peristiwa menarik terlihat lebih “kotor” dalam tumbukan proton; banyak partikel “asing” dan tidak menarik lahir di dalamnya. Semua ini menciptakan “kebisingan” yang membuatnya lebih sulit untuk mengisolasi sinyal yang berguna dibandingkan dengan penumbuk elektron-positron. Oleh karena itu, akurasi pengukuran menjadi lebih rendah. Oleh karena itu, penumbuk proton-proton (dan proton-antiproton) disebut mesin penemuan, dan penumbuk elektron-positron disebut mesin pengukuran presisi.

Deviasi Standar(deviasi standar) σ x - karakteristik deviasi acak dari nilai terukur dari nilai rata-rata. Probabilitas bahwa nilai X yang diukur akan berbeda secara acak sebesar 5σ x dari nilai sebenarnya hanya 0,00006%. Inilah sebabnya mengapa dalam fisika partikel, penyimpangan sinyal dari latar belakang sebesar 5σ dianggap cukup untuk mengenali sinyal tersebut sebagai kebenaran.

Partikel, yang tercantum dalam Model Standar, kecuali proton, elektron, neutrino, dan antipartikelnya, tidak stabil: mereka meluruh menjadi partikel lain. Namun, dua dari tiga jenis neutrino juga seharusnya tidak stabil, tetapi umurnya sangat panjang. Ada prinsip dalam fisika dunia mikro: segala sesuatu yang bisa terjadi sebenarnya terjadi. Oleh karena itu, kestabilan suatu partikel dikaitkan dengan semacam hukum kekekalan. Elektron dan positron dilarang membusuk berdasarkan hukum kekekalan muatan. Neutrino paling ringan (spin 1/2) tidak meluruh karena kekekalan momentum sudut. Peluruhan proton dilarang oleh hukum kekekalan “muatan” lain, yang disebut bilangan baryon (bilangan baryon proton, menurut definisi, adalah 1, dan bilangan baryon partikel yang lebih ringan adalah nol).

Simetri internal lainnya dikaitkan dengan bilangan baryon. Apakah akurat atau perkiraan, apakah proton stabil atau mempunyai masa hidup yang terbatas, meskipun sangat panjang, merupakan pokok bahasan tersendiri.

Quark- salah satu jenis partikel elementer. Dalam keadaan bebas, mereka tidak diamati, tetapi selalu terhubung satu sama lain dan membentuk partikel penyusun - hadron. Satu-satunya pengecualian adalah t-quark; ia meluruh sebelum sempat bergabung dengan quark atau antiquark lain menjadi hadron. Hadron termasuk proton, neutron, π-meson, K-meson, dll.

B quark adalah salah satu dari enam jenis quark, yang massanya kedua setelah t quark.

Muon adalah analog elektron berat yang tidak stabil dengan massa m μ = 106 MeV. Masa hidup muon T μ = 2·10 -6 detik cukup lama untuk terbang melewati seluruh detektor tanpa membusuk.

Partikel maya berbeda dari partikel nyata karena untuk partikel nyata hubungan relativistik biasa antara energi dan momentum E 2 = p 2 s 2 + m 2 s 4 terpenuhi, tetapi untuk partikel virtual tidak terpenuhi. Hal ini dimungkinkan karena adanya hubungan mekanika kuantum ΔE·Δt ~ ħ antara ketidakpastian energi ΔE dan durasi proses Δt. Oleh karena itu, partikel maya hampir seketika meluruh atau musnah dengan partikel lain (masa hidupnya Δt sangat singkat), sedangkan partikel nyata hidup lebih lama atau umumnya stabil.

Pergeseran tingkat domba- sedikit penyimpangan struktur halus tingkat atom hidrogen dan atom mirip hidrogen di bawah pengaruh emisi dan penyerapan foton maya atau penciptaan dan pemusnahan maya pasangan elektron-positron. Efeknya ditemukan pada tahun 1947 oleh fisikawan Amerika W. Lamb dan R. Rutherford.

Secara sederhana, Higgs boson adalah partikel termahal sepanjang masa. Jika yang diperlukan hanyalah tabung vakum dan beberapa pemikiran cemerlang, misalnya, pencarian Higgs boson memerlukan penciptaan energi eksperimental yang jarang terlihat di Bumi. Large Hadron Collider tidak perlu diperkenalkan lagi, karena merupakan salah satu eksperimen ilmiah paling terkenal dan sukses, namun partikel profilnya, seperti sebelumnya, masih diselimuti misteri bagi sebagian besar populasi. Partikel ini disebut Partikel Tuhan, namun berkat upaya ribuan ilmuwan, kita tidak lagi harus menganggap remeh keberadaannya.

Yang terakhir tidak diketahui

Apa itu dan apa pentingnya penemuannya? Mengapa hal ini menjadi subyek dari begitu banyak hype, pendanaan, dan informasi yang salah? Karena dua alasan. Pertama, ini adalah partikel terakhir yang belum ditemukan yang diperlukan untuk mengkonfirmasi Model Standar fisika. Penemuannya berarti bahwa seluruh publikasi ilmiah selama satu generasi tidak sia-sia. Kedua, boson ini memberi massa pada partikel lain, yang memberinya arti khusus dan semacam “keajaiban”. Kita cenderung menganggap massa sebagai sifat intrinsik suatu benda, namun fisikawan berpendapat berbeda. Secara sederhana, Higgs boson adalah sebuah partikel yang tanpanya massa pada dasarnya tidak akan ada.

Satu bidang lagi

Alasannya terletak pada apa yang disebut medan Higgs. Ia telah dijelaskan bahkan sebelum Higgs boson, karena fisikawan menghitungnya untuk kebutuhan teori dan pengamatan mereka sendiri, yang memerlukan kehadiran medan baru, yang pengaruhnya akan meluas ke seluruh Alam Semesta. Memperkuat hipotesis dengan menciptakan bagian-bagian baru di alam semesta sangatlah berbahaya. Di masa lalu, misalnya, hal ini menyebabkan terciptanya teori eter. Namun semakin banyak perhitungan matematis yang dilakukan, semakin banyak fisikawan yang menyadari bahwa medan Higgs pasti ada dalam kenyataan. Satu-satunya masalah adalah kurangnya kemungkinan praktis untuk mengamatinya.

Dalam Model Standar, fisikawan memperoleh massa melalui mekanisme berdasarkan keberadaan medan Higgs yang menembus seluruh ruang. Ini menciptakan Higgs boson, yang membutuhkan energi dalam jumlah besar, dan inilah alasan utama mengapa para ilmuwan memerlukan akselerator partikel modern untuk melakukan eksperimen berenergi tinggi.

Dari manakah massa berasal?

Kekuatan interaksi nuklir lemah menurun dengan cepat seiring bertambahnya jarak. Menurut teori medan kuantum, ini berarti partikel yang terlibat dalam penciptaannya - boson W dan Z - harus memiliki massa, tidak seperti gluon dan foton, yang tidak memiliki massa.

Masalahnya adalah teori ukuran hanya membahas unsur tak bermassa. Jika boson pengukur mempunyai massa, maka hipotesis seperti itu tidak dapat didefinisikan secara masuk akal. Mekanisme Higgs menghindari masalah ini dengan memperkenalkan medan baru yang disebut medan Higgs. Pada energi tinggi, boson pengukur tidak memiliki massa, dan hipotesisnya berfungsi seperti yang diharapkan. Pada energi rendah, medan menyebabkan putusnya simetri, yang memungkinkan unsur-unsur memiliki massa.

Apa itu Higgs boson?

Medan Higgs menghasilkan partikel yang disebut Higgs boson. Teorinya tidak menentukan massanya, tetapi dari hasil percobaan ditentukan bahwa massanya sama dengan 125 GeV. Secara sederhana, keberadaan Higgs boson akhirnya mengukuhkan Model Standar.

Mekanisme, medan, dan boson diberi nama setelah ilmuwan Skotlandia Peter Higgs. Meskipun dia bukan orang pertama yang mengusulkan konsep-konsep ini, tetapi, seperti yang sering terjadi dalam fisika, dialah yang kemudian diberi nama.

Pecahnya simetri

Medan Higgs diyakini bertanggung jawab atas partikel yang seharusnya tidak bermassa. Ini adalah media universal yang memberikan massa berbeda pada partikel tak bermassa. Pelanggaran simetri ini dijelaskan dengan analogi dengan cahaya - semua panjang gelombang bergerak dalam ruang hampa dengan kecepatan yang sama, tetapi dalam prisma setiap panjang gelombang dapat diisolasi. Tentu saja ini merupakan analogi yang salah, karena cahaya putih mengandung semua panjang gelombang, namun contoh tersebut menunjukkan bagaimana medan Higgs tampak menciptakan massa akibat rusaknya simetri. Prisma tersebut mematahkan simetri kecepatan berbagai panjang gelombang cahaya dengan memisahkannya, dan medan Higgs dianggap mematahkan simetri massa beberapa partikel yang tidak bermassa secara simetris.

Bagaimana menjelaskan Higgs boson secara sederhana? Baru-baru ini fisikawan menyadari bahwa jika medan Higgs benar-benar ada, aksinya memerlukan kehadiran pembawa yang sesuai dengan sifat yang membuatnya dapat diamati. Partikel ini diasumsikan milik boson. Higgs boson secara sederhana disebut gaya pembawa, sama seperti foton, yang merupakan pembawa medan elektromagnetik Alam Semesta. Foton, dalam arti tertentu, adalah eksitasi lokal pada bidangnya, sama seperti Higgs boson adalah eksitasi lokal pada bidangnya. Membuktikan keberadaan partikel dengan sifat-sifat yang diharapkan oleh fisikawan sebenarnya setara dengan pembuktian langsung keberadaan suatu medan.

Percobaan

Perencanaan bertahun-tahun telah memungkinkan Large Hadron Collider (LHC) menjadi eksperimen yang berpotensi menyangkal teori Higgs boson. Cincin elektromagnet super kuat sepanjang 27 km dapat mempercepat partikel bermuatan hingga pecahan yang signifikan, menyebabkan tumbukan dengan kekuatan yang cukup untuk memisahkannya menjadi komponen-komponen, serta merusak ruang di sekitar titik tumbukan. Menurut perhitungan, pada tingkat energi tumbukan yang cukup tinggi, sebuah boson dapat diisi sehingga meluruh dan hal ini dapat diamati. Energi ini begitu besar sehingga beberapa orang bahkan panik dan meramalkan akhir dunia, dan imajinasi orang lain begitu liar sehingga penemuan Higgs boson digambarkan sebagai peluang untuk melihat ke dimensi alternatif.

Konfirmasi akhir

Pengamatan awal tampaknya justru membantah prediksi tersebut, dan tidak ada tanda-tanda partikel yang dapat ditemukan. Beberapa peneliti yang terlibat dalam kampanye menghabiskan miliaran dolar bahkan muncul di televisi dan dengan lemah lembut menyatakan fakta bahwa menyangkal teori ilmiah sama pentingnya dengan membenarkannya. Namun setelah beberapa waktu, pengukuran mulai memberikan gambaran keseluruhan, dan pada 14 Maret 2013, CERN secara resmi mengumumkan konfirmasi keberadaan partikel tersebut. Terdapat bukti yang menunjukkan keberadaan banyak boson, namun gagasan ini memerlukan studi lebih lanjut.

Dua tahun setelah CERN mengumumkan penemuan partikel tersebut, para ilmuwan yang bekerja di Large Hadron Collider dapat memastikannya. Di satu sisi, ini merupakan kemenangan besar bagi sains, namun di sisi lain, banyak ilmuwan yang kecewa. Jika ada yang berharap Higgs boson akan menjadi partikel yang akan mengarah ke wilayah aneh dan menakjubkan di luar Model Standar - supersimetri, materi gelap, energi gelap - sayangnya, ternyata tidak demikian.

Sebuah studi yang diterbitkan di Nature Physics mengkonfirmasi peluruhan menjadi fermion. memperkirakan bahwa, secara sederhana, Higgs boson adalah partikel yang memberikan massa pada fermion. Detektor CMS collider akhirnya memastikan peluruhannya menjadi fermion - quark bawah dan tau lepton.

Higgs boson secara sederhana: apa itu?

Studi ini secara pasti menegaskan bahwa ini adalah Higgs boson yang diprediksi oleh Model Standar fisika partikel. Ia terletak di wilayah massa-energi 125 GeV, tidak memiliki putaran, dan dapat meluruh menjadi banyak elemen yang lebih ringan - pasangan foton, fermion, dll. Berkat ini, kita dapat dengan yakin mengatakan bahwa Higgs boson, secara sederhana, adalah sebuah partikel, memberi massa pada segala sesuatu.

Perilaku standar elemen yang baru ditemukan ini mengecewakan. Jika peluruhannya sedikit berbeda, hal ini akan berhubungan dengan fermion secara berbeda, dan jalur penelitian baru akan muncul. Di sisi lain, ini berarti kita belum melangkah lebih jauh dari Model Standar, yang tidak memperhitungkan gravitasi, energi gelap, materi gelap, dan fenomena realitas aneh lainnya.

Sekarang kita hanya bisa menebak apa penyebabnya. Teori paling populer adalah supersimetri, yang menyatakan bahwa setiap partikel Model Standar memiliki superpartner yang sangat berat (sehingga membentuk 23% alam semesta – materi gelap). Meningkatkan collider untuk menggandakan energi tumbukannya menjadi 13 TeV kemungkinan akan memungkinkan deteksi superpartikel ini. Jika tidak, supersimetri harus menunggu pembangunan penerus LHC yang lebih bertenaga.

Prospek masa depan

Jadi seperti apa fisika setelah Higgs boson? LHC baru-baru ini dibuka kembali dengan perbaikan besar dan mampu melihat segala sesuatu mulai dari antimateri hingga energi gelap. Ia diyakini berinteraksi dengan planet normal hanya melalui gravitasi dan melalui penciptaan massa, dan pentingnya Higgs boson adalah kunci untuk memahami dengan tepat bagaimana hal ini terjadi. Kelemahan utama Model Standar adalah model ini tidak dapat menjelaskan gaya gravitasi - model seperti itu dapat disebut Grand Unified Theory - dan beberapa orang percaya bahwa partikel dan medan Higgs dapat menjadi jembatan yang sangat ingin ditemukan oleh para fisikawan.

Keberadaan Higgs boson telah dikonfirmasi, namun pemahaman lengkapnya masih sangat jauh. Akankah eksperimen di masa depan menyangkal supersimetri dan gagasan penguraiannya menjadi materi gelap itu sendiri? Atau akankah mereka mengkonfirmasi setiap detail terakhir dari prediksi model standar tentang sifat-sifat Higgs boson, dan bidang penelitian ini akan selesai selamanya?