1 / 67

Fakta a mýty o Higgsově bosonu

Fakta a mýty o Higgsově bosonu. Klikatá cesta slepými uličkami k Nobelově ceně. Jiří Chýla. Podstata problému Standardní model Kalibrační teorie Spontanní narušení symetrie Kdo se bojí Goldstoneových bosonů? Jak to bylo v roce 1964 Higgsův boson ve standardním modelu

urbana
Download Presentation

Fakta a mýty o Higgsově bosonu

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Fakta a mýty o Higgsově bosonu Klikatá cesta slepými uličkami k Nobelově ceně Jiří Chýla • Podstata problému • Standardní model • Kalibrační teorie • Spontanní narušení symetrie • Kdo se bojí Goldstoneových bosonů? • Jak to bylo v roce 1964 • Higgsův boson ve standardním modelu • Odkud se berou hmotnosti částic mikrosvěta Seminář JČMF

  2. Podstata problému Kolem Higgsova pole a Higgsova bosonu a jejich rolí v dnešní teorii mikrosvěta panuje spousta mýtů, které zakrývají skutečný význam této částice a podstatu problé- mu, který Higgsův boson řeší a jímž je nenulová hmotnost nosičů slabých sil. Seminář JČMF

  3. Základní dnešní znalosti zákonů mikrosvěta jsou shrnuty ve standardním modelu Podle něj jsou základními stavebními kameny hmoty tři generace základních fermionů tj.částic se spinem 1/2, jež se dále dělí na kvarkyaleptony Kolokvium FJFI

  4. Patří do jedné třídy tzv. kalibračních teorií jež představují základní rámec pro popis sil v mikrosvětě. Síly mezi kvarky a leptony gravitační elektromagnetické slabé silné. Mají společnou charakteristiku: lze je popsat pomocí výměny zprostředkujících částic se spinem 1, tzv. intermediální vektorové bosony (IVB) Kolokvium FJFI

  5. vazbový parametr Grafickou reprezentací výměnných sil jsou v odborných textech Feynmanovy diagramy: Dosah sil je nepřímo úměrný hmotnosti příslušného IVB Ústavní semínář FZÚ

  6. Elektromagnetické síly Foton • • působí jen na elektricky nabité částice • • jsouinvariantní vůči záměnám • vpravo ↔ vlevo a • částice ↔ antičástice • •mají nekonečný dosah, • foton má nulovou hmotnost • • jsou dobře popsány kvantovou elektrodynamikou (QED) Kolokvium FJFI

  7. osm barevných gluonů Silné síly • působí jen na barevné částice tj. kvarky i gluony • jsouinvariantní vůči záměnám • vpravo ↔ vlevo a • částice ↔ antičástice • gluony jsou nehmotné a interagují sami se sebou • mají velmi neobvyklé chování na velkých vzdálenostech • jsou popsány kvantovou chromodynamikou (QCD) Kolokvium FJFI

  8. Slabé síly bosony W+,W-,Z • • působí na všechny kvarky a leptony • • nejsou invariantní vůči záměnám • vpravo ↔ vlevo a • částice ↔ antičástice, ani kombinaci • vpravo ↔ vlevo & částice ↔ antičástice • •mají konečný dosah, • W+- a Zmají velkou hmotnost • •jsou popsány teoriíGlashowa, Weinberga a Salama V tom je problém Kolokvium FJFI

  9. Trocha prehistorie Elektromagnetické interakce • Experimentálně (dobře) známé od Faradaye • Klasická teorie: Maxwell 1873A treatise on electricity and magnetism • Kvantová teorie: Dirac 1929 Slabé interakce • Experimentálně známé od Becquerela 1906 • Kvantová teorie: Fermi 1931, lokální čtyřfermionová interakce Silné interakce • První experimentální náznaky: Rutherford pp rozptyl, 1920 • Kvantová teorie: Yukawa, Breit, Condon, Clasen, Kemmer, • 1935-1938, předpověď existence pionů, zrod pojmu izospin, • hypotéza nábojové nezávislosti silných interakcí, • do roku 1954: piony a podivné částice objeveny, hypotéza • izospinové invariance pion nukleonových sil potvrzena. Seminář JČMF

  10. Zrod pojmu kalibrační invariance Hermann Weyl zobecnil v roce 1918 Riemanovu geometrii, tím, že opustil předpoklad, že má smysl srovnávat velikost vektorů ve vzdálených bodech. Weyl vybavil prostoročas konformní strukturou, která znamená, že Lorentzova metrika se při kalibrační transformaci transformuje podle předpisu Elektromagnetické pole Ačkoliv byla matematicky nádherná, tato teorie, v niž bylo elektromagnetické pole důsledkem gravitace, nepopisuje realitu a Weyl byl nucen ji opustit. Seminář JČMF

  11. V roce 1929 Weyl formuloval teorii, v níž je elektrodynamika spojena s kvantovou teorií hmotných Diracových polí. Seminář JČMF

  12. „Tento nový princip kalibrační invariance, který neplyne ze spekulací, ale z experimentu, říká, že elektromagnetické pole je nutným doprovodným projevem nikoliv gravitace, ale hmotného pole representovaného ψ.“ Kalibrační invariance implikuje zachování elektrického náboje. Standardní odvození QED: Požadujeme invarianci při lokální transformaci přidáme vektorové pole které se transformuje Hmotový člen není při těchto transformacích invariantní. Tato úvaha je ovšem na klasické, nikoliv na kvantové úrovni Seminář JČMF

  13. Cesta k teorii silných interakcí we wish to explore the possibility of requiring all interactions to be invariant under independent rotations of the isotopic spin at all space-time points: isotopický dublet nukleonů: Zobecnění kalibračního principu na neabelovskou grupu symetrií. Seminář JČMF 13

  14. tento požadavek je vedl na následující hustotu Lagrangiánu Navíc oproti QED Tři elektricky nabití kalibrační bosony a jejich samointerakce z tohoto tvaru automaticky vyplynuly Kvanta pole bmají spin jedna a isospin také jedna. Ale otázka jejich hmotnosti zůstala otevřená. Seminář JČMF 14

  15. Pokus dynamicky vysvětlit zachování nukleonového náboje stejně jako zachování elektrického náboje. Dnes víme, že to je slepá ulička, neboť v GUT se nukleonový náboj nezachovává. Seminář JČMF

  16. Podobně se mýlil i Schwinger: Vektorový meson ω Lee, Yang 1955 Seminář JČMF

  17. Osmerá cesta (Eigtfold way) 1961: Y. Neeman and M. Gell-Mannformulovali teorii interakcí tehdy známých oktetů baryonů a mezonů, která zobecnila teorii Yanga a Millse na grupu SU(3) a která vycházela ze vztahu Seminář JČMF

  18. Seminář JČMF

  19. MGM’s preprint is truly remarkable for clarity with which the idea is presented. Seminář JČMF

  20. „Vektorové mezony jsou zavedeny přirozeným způsobem rozšířením kalibračního principu Yanga a Millse. Dostáváme tak supermultiplet osmi mezonů:“ Ale tento preprint nebyl nikdy publikován!! Seminář JČMF

  21. Tato teorii měla dva nedostatky • Konečné hmotnosti kalibračních bosonů byly do teorie • vloženy rukou, čím kalibrační symetrii „měkce narušily“ • ale to v té době nikomu nevadilo. • Fundamentální triplet grupy SU(3) a některé další • multiplety neměly fyzikální protějšek. Kalibrační bosony SU(3) Za předpověd této částice dostal MGM v roce 1969 NC Všechny objeveny do konce roku 1963 Seminář JČMF

  22. 1964: kvarkový model (Zweig, Gell-Mann) 1965: barva kvarků jako dynamická veličina (Nambu) nerelativistická limita QCD 1973: Kvantová chromodynamika (Gross, Wilczek, Politzer) kalibrační teorie založena na „barevné“ SU(3) kalibrační bosony (gluony) nehmotné. Seminář JČMF

  23. Cesta k teorii slabých interakcí Slabé interakce jsou zprostředkovány výměnou hmotných IVB ! Seminář JČMF

  24. Elektromagnetické interakce elektricky nabitých IVB slabých sil, jejichž hmotnost je do teorie zavedena „rukou“, jsou renormalizovatelné. Brzy se ukázalo, že to není pravda, hmotnosti kalibračních bosonů nelze dodávat „rukou“ (někdy ano). Seminář JČMF

  25. Za následující práci dostal Glashow v roce 1979 Nobelovu cenu Propojení elektromagnetických a slabých sil rámci kalibrační teorie založené na grupě SU(2)xU(1). Hmotné W+, W-, Z, nehmotný foton, hmotnosti „rukou“. Seminář JČMF

  26. Weinbergův úhel zavedl Glashow, podobně jako Hubbleovu konstantu zavedl Lemaitre. Seminář JČMF

  27. Spontanní narušení symetrie Dynamické zákony jsou invariantní vůči určité symetrii, ale základní stav systému vůči této symetrii invariantní není. Seminář JČMF

  28. Nambu a spontaní narušení symetrie Seminář JČMF

  29. Nambu a supravodivost Seminář JČMF

  30. Popis základního stavu supravodiče a jeho excitovaných stavů v pojmech kvazičástic nebyl v BCS teorii kalibračně invariantní neboť kvazičástice nemá dobře definovaný elektrický náboj. Přitom kvantová elektrodynamika kalibračně invariantní je. Nambuovi trvalo 2 roky než problém vyřešil. Podstatou jeho modifikace BCS teorie je poznání, že síly, které vedou ke vzniku základního stavu supravodiče vedou také k existenci kolektivních nehmotných módů s kvantovými čísly bosonu, které zachování elektrického náboje a kalibrační invarianci zachraňují. BCS teorie byla pro Nambua vodítkem při snaze pochopit hmotnost nukleonů jako důsledek spontánního narušení chirální symetrie. Toto byla ovšem slepá ulička, hmotnosti nukleonů vznikají jinak! Důsledkem byla opět existence nehmotných skalárních částic, dnes nazývaných NG bosony. Seminář JČMF

  31. Seminář JČMF

  32. Seminář JČMF

  33. Il Nuovo Cimento 19 (1961) 154. Za všechno může Nambu Seminář JČMF

  34. Goldstoneův teorém Seminář JČMF

  35. Samoiteragujicí komplexní skalární pole s nefyzikální hmotností: kde Změňme souřadnice: Posuňme radiální souřadnici: a rozdělme členy na dvě skupiny „Higgsův boson“ „Nambu-Goldstoneův boson“ Seminář JČMF

  36. Platí nebo neplatí Goldstoneovů teorém? NE! Nebo ANO? Seminář JČMF

  37. Seminář JČMF

  38. Seminář JČMF

  39. In a recent note' it was shown that the Goldstone theorem, that Lorentz-covariant field theories in which spontaneous breakdown of symmetry under an internal Lie group occurs contain zero-mass particles, fails if and only if the conserved currents associated with the internal group are coupled to gauge fields. The purpose of the present note is to report that, as a consequence of this coupling, the spin-one quanta of some of the gauge fields acquire mass; the longitudinal degrees of freedom of these particles (which would be absent if their mass were zero) go over into the Goldstone bosons when the coupling tends to zero. This phenomenon is just the relativistic analog of the plasmon phenomenon to which Anderson' has drawn attention: that the scalar zero-mass excitations of a superconducting neutral Fermi gas become longitudinal plasmon modes of finite mass when the gas is charged Seminář JČMF

  40. Seminář JČMF

  41. Kdo koho neposlouchal? Higgs v článku My life as a boson All of us, Brout, Englert and myself, had been going in the wrong direction, looking at hadron symmetries.After the Harvard seminar Shelley Glashow came up and said ‘that is a nice model, Peter’, but he did not see that it had anything to do with his work in 1960/61. Glashow v nobelovské přednášce : The gauge symmetry is an exact symmetry, but it is hidden. One must not put in mass terms by hand. The key to the problem is the idea of spontaneous symmetry breakdown: the work of Goldstone as extended to gauge theories by Higgs and Kibble in 1964.These workers never thought to apply their work on formal field theory to a phenomenologically relevant model. I had had many conversations with Goldstone and Higgs in 1960. Did I neglect to tell them about my SU (2)xU (1) model, or did they simply forget? Seminář JČMF

  42. Schwinger Seminář JČMF Sakurai

  43. Seminář JČMF

  44. Seminář JČMF

  45. Nenulová hmotnost je neporuchový efekt, jehož matematická podstata je v sčítání nekonečné geometrické řady typu Seminář JČMF

  46. Nehmotný Higgs!! Nesrozumitelná notace Seminář JČMF

  47. Abelovský Higgsův mechanismus v moderním podání je invariantní vůči transformacím (viz „odvození“ QED) Volnost ve volbě ω(x) nám dává možnost vzít „šikovně“ Seminář JČMF

  48. posuňme radiální pole o vzdálenost od minima a zaveďme pole, které bude charakterizovat oscilace kolem tohoto minima NG boson absorbován do kalibrač-ního pole B označme Po dosazení do výchozího lagrangiánu dostaneme Po uvedeném fixování kalibrace z teorie zcela zmizí Nambu-Goldstoneův boson, jeho jediná stopa je v definici vektorového pole B. a po jednoduché úpravě Seminář JČMF

  49. Elektrodynamika hmotných fotonů V případě předchozího lagrangiánu hmotné „fotony“ spolu interagují prostřednictvím interakce s Higgsovým bosonem, bez přítomností nabitých fermionů. Ty můžeme do teorie přidat přidáním členu =Bμ Hmotnost fotonu lze ovšem přidat i rovnou do lagrangiánu Dvě odlišné teorie interagujících hmotných fotonů a fermionů, obě matematicky konzistentní! Seminář JČMF

  50. Higgsův boson ve standardním modelu Fermiony ve standardním modelu vystupují v slabých interakcích v dubletech a proto zobecnění Higgsova mechanismu na popis elektromagnetických a slabých sil vyžaduje použití neabelovské grupy SU(2)×U(1). Základní kroky celé konstrukce pro případ hmotných nosičů slabých sil jsou stejné, jako v případě hmotných abelovských fotonů, ale technické detaily jsou složitější. Viz pokus Glashowa! Zásadní rozdíl: v případě neabelovské grupy nestačí přidat hmotový člen nosičů slabých sil, ale je třeba přidat i všechny další členy popisující jejich interakce s Higgsovým bosonem. Jedině pak je teorie konzistentní. Seminář JČMF

More Related