Нобеловата награда за физика: ч астицата на Хигс
Post on 24-Feb-2016
91 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Нобеловата награда за физика:частицата на Хигс
М. ЧижовСофийски Университет
04/11/2013
„за теоретичното откритие на механизма, допринасящ за разбирането на произхода на масата на субатомните частици и който наскоро беше потвърден чрез откриването на предсказаната фундаментална частица от ATLAS и CMS експериментите на Големия Адронен Колайдер в ЦЕРН“
The Nobel Prize in Physics 2013 was awarded jointly to François Englert and Peter W. Higgs "for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN's Large Hadron Collider"
2
04/11/2013
4 юли 20123
04/11/2013 4
Популяризация
04/11/2013
“Candidates …along with the Higgs Boson ‒ the particle of the year ‒ and the three scientists who discovered it. … it was not until last summer that a team of researchers at Europe's Large Hadron Collider ‒ Rolf Heuer, Joseph Incandela and Fabiola Gianotti ‒ at last sealed the deal and in so doing finally fully confirmed Einstein's general theory of relativity.”
2012Candidate:
The Higgs Boson
5
04/11/2013
Хармоничен осцилатор (аналитична механика )
2 2
2
[ ( ), ( )]
( ) ( ) 2 2
[ ( ), ( )]
от теоремата наEmmy Noe
0 0const
ther
L q t q t K V
mq t kq t
S L q t q t dt
S q qE K V
Joseph-Louis Lagrange (Giuseppe Lodovico Lagrangia), 1788
6
q
04/11/2013
Хармоничен осцилатор (теория на скаларно поле)
22
2 2
3 4
( ) ( , ) 1: [ , ] 2 2
[ , ] [ , ] ; [ , ] [ , ]
q t t xK V
L d x S L dt d x
L
L L
0
2
22
2
2
[ ] 0 2
[ ]; 2
V
V m
0
V[]
Ener
gy
7
2 2 20 m m
04/11/2013
Анхармоничен осцилатор (теория на скаларно поле)
22 4[ ] , 0
2 4V
[ ]V [ ]V
0 0
2 0 0
2
2
22 2 20 0
8
04/11/2013
Симетрия на анхармоничен осцилатор
[ ] [ ]V V
2 0 0 2
2 2 20 0
2 2m
22 4[ ] [ ]
2 4V V 32 4
2 4
[2 4
2]4
V
2
симетрия[ ] [ ]V V
на рушена симе
]тр я]
и[ [V V
9
2 2 , 2
2 mm
Две скаларни полета (или комплексно скаларно поле) с нарушена симетрия
2 22 2 2 2
1 2 1 2 1 2[ , ] , 0, 02 4
V
2 2 2 22 1 2 20 00
[ , *] 0 ; 02 2
V
1 20 0, 0
2 421 2 1 2, * , [ , *]2 2i i V
Re( )Im( ) 10
2
0
1
0
22 21 2
2
22 1 2
22
1
[ , ]
[
2
, ] 0
Vm
Vm
04/11/2013
Симетрия на анхармоничен осцилатор с комплексно поле
[ ] [e ]iV V 2
2 21 1 2 20 0; ,
21 1
22 22 , , 2
0m m m
2 22
2 2 2 21 2 2 12
4
1 11[ (, ] ( )2 4
)24
V
1 2 1 2 1 2
[ , ] [ cos sin , sin co
нарушена симетриs , ]
яV V
J. Goldstone, Nuovo Cim. 19 (1961) 154.11
04/11/2013
Частица и теорема на Голдстоун
“if there is continuous symmetry transformation under which the Lagrangian is invariant, then either the vacuum state is also invariant under the transformation, or there must exist spinless particles of zero mass.”Jeffrey Goldstone, Abdus Salam and Steven Weinberg, Phys. Rev. 127 (1962) 965
Re( )
Im( )12
04/11/2013
Примери за голдстоунови бозони
Спинови вълни в феромагнити Фонони в кристална решетка Свръхфлуидност (Бозе кондензат,
Боголюбов,1947) Свърхпроводимост (двойки на Купър, 1956;
Боголюбов,1958) Пиони в кирална граница (Намбу, 1961)
2
2
състои се от кварка, 938.3MeV / състои се от кварка, 939.6 MeV /
p
n
p uud m cn udd m c
2
2
0
2.3MeV /
4.8MeV /кирална граница lim 0
q
u
d
m
u m cd m c
m
0
2
0 2
2
139.6 MeV /= 135.0 MeV /
2139.6 MeV /
udm c
dd uu m cm c
du
13
04/11/2013
В Природата няма безмасова безспинова безцветна частица, която би имала действие с безкраен радиус!Единствено електромагнитните и гравитационните сили имат безкраен радиус на действие.
Безмасови частици в Природата
1div 4 rotУравнения на Максуел:
(1864) 1 4div 0 rot
1Лагранжиан на Максуел: 4em i i i
i
c t
c t c
F F e q A
BD E
DB H J
L
1 22Закон на Нютон (1687):
Уравнения на Айнщайн: 1 8(1916) 2
N
N
m mF Gr
R Rg gG T
14
04/11/2013
Калибровъчна инвариантност и безмасови частици
Тензорът на електромагнитното поле е инва-
риантен относно калибровъчното преобразувание ( ).1Затова, ние не можем да добавим масов член , който е явно2
калибровъчно н
F A A A
A A х
A А
Фотонът е безмасоеинвари
в и напантен.
речен! A
15
В по-общ случай на изотопична калибровъчнаинвариантност, например между протона и неутронаот изодублет, възниква триплет на калибровъчни векторни полета, известни като полета на Янг и Милс (1
954)
0
. Затова, за да опишем разпада ,трябва да въведем поне 3 калибровъчни частици
безмасовиВ Природата, обаче, освен
фотона, няма други безмасови ве, и
кторни безцветни частици,
.
които
en pe
W W W
биха имали действие с безкраен радиус.
04/11/2013
S. L. Glashow, Nucl. Phys. 22 (1961) 579.
Раждане на Стандартен Модел наелементарните частици SU(2)LU(1) Y
0
Глашоу е следвал принципа: важна е симетрията, амасите могат да бъдат добавени с ръка. Той е първият, който е разбрал, че неутралният векторен бозон от триплета не е фотон. Взаимодействията му
W
0W W
нарушават пространствената - четност. Затова, той добавя още едно неутрално векторно поле , за да получи частица
= sin cos със свойствата на фотона. По този начин, той получава връзка меж
PB
A W B
W
0W W
ду електромагнит-ната и слабата константи sin и предсказва съществуването на нова неутрална векторна частица
= cos sin .
e g
Z W B
2 2 2
Той първи получава ограниче- ния на масите на преносителя на слабите взаимодействия от константата на Ферми F W WG g M M 2sin : 130 GeV. (Вярно: 40 GeV.)WW W MM
“Schwinger told me to think about unifying weak and EM. So I did it. For two years ‒ I thought about it.” 16
04/11/2013
Калибровъчна инвариантност и масивни частици
Модел на Julian Schwinger (1962): двумерна квантова електродинамика, където фотонът става масивен.
Нерелативистка динамика на плазмата:Philip W. Anderson (1963) – полета на Янг и Милс предобиват маса заради надлъжни осцилации в плазмата (Meissner-Ochsenfeld ефект).
A 2
“We conclude, then, that the Goldstone zero-mass difficulty is not a serious one, because we can probably cancel it off against an equal Yang-Mills zero-mass problem.”
17
04/11/2013
F. Englert and R. Brout, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 321 (26 юни 1964) P. W. Higgs, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 508 (31 август 1964) G. S. Guralnik, C. R. Hagen, and T. W. B. Kibble, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 585 (12 октомври 1964)
Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble механизъм
18
1
2 2
1 2 2 1
2 222 2 2 21 2 1 2
21 1
1 1 14 2 2
0 ,
02 4
, , къд ,2 е B
F F еA еA
B Ame
mе
L
04/11/2013
Частиците наГолдстоун и Хигс
Jeffrey Goldstone
Peter W. Higgs
Phys. Rev. 145 (1966) 1156H → Z Z
Re( )
Im( )
“it is worth noting that an essential feature of this type of theory is the prediction ofincomplete multiplets of scalar and vector bosons.”
Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 508
19
04/11/2013
Нито Salam и Ward, които са работили в Imperial College в една и съща група с Guralnik, Hagen и Kibble, нито Glashow, който след семинара на Higgs в Harvard на 16 март 1966 казва: “that is a nice model, Peter” не са разбрали, че могат да използуват този механизъм за генерация на маси.
Изпуснати възможности
Glashow (1961) Salam & Ward (1964)
Salam & Ward (24 септ. 1964→15 ноем. 1964) GHK (12 октомври 1964 →16 ноем. 1964)
“All of us, Brout, Englert and myself, had been going in thewrong direction, looking at hadron symmetries. ” P.W. Higgs
20
0 00 0 H H
BH H
WWW
SU(2)L U(1)Y
Z 00Im ReH H
Използуване на EBHGHK механизма
S. Weinberg (1967) & A. Salam (1968) → Нобелова награда за 1979
връзка между маси на преносителите на слабите взаимодействия MW =MZ cosW
чрез механизма на спонтанно нарушаване на симетрията
04/11/2013 21
04/11/2013
Установяване на Стандартния Модел (теория) G. ’t Hooft & M. J. G. Veltman (1972) → Нобелова награда за 1999доказана е пренормируемостта на калибровъчните теории с нарушена симетрия
a drawing of their most important discovery 22
Лагранжиан на Стандартния Модел
2
Gauge sector
| | ( ) ElectroWeak Symmetry Breaking
Y Flavour sector
SM
i ij j
D F F
D V
L
04/11/2013 23
Откритие на слабите неутрални взаимодействия със Z бозона в експеримента с мехурчестата камера Gargamelle в ЦЕРН (1973)
Установяване на Стандартния Модел (експеримент)
sin2W ~ 0.30.5 MW =5070 GeV MZ =7580 GeV04/11/2013 24
J.R. Ellis, M.K. Gaillard and D.V. Nanopoulos, A Phenomenological Profile of the Higgs Boson, Nucl. Phys. B 106 (1976) 292.От космологични съображения предсказват лек Хигс ~ 2 MeV.
Ранно търсене нахигсовия бозон
946 цитати !
04/11/2013 25
We should perhaps finish with an apology and a caution. We apologize to experimentalists for having no idea what is the mass of the Higgs boson, unlike the case with charm [3,4] and for not being sure of its couplings to other particles, except that they are probably all very small. For these reasons we do not want to encourage big experimental searches for the Higgs boson, but we do feel that people performing experiments vulnerable to the Higgs boson should know how it may turn up.
0
04/11/2013
Теоретични предсказанияSidney Coleman & Erick Weinberg (1973)радиационни поправки MH > 10 GeV
Thatcher: “What do you do?”Ellis: “Think of things for the experiments to look for, and hope they find something different.”Thatcher: “Wouldn’t it be better if they found what you predicted?”Ellis: “Then we would not learn how to go further!”
4 2 24
4 20
22
2 22
3 2cos 1 ln
4sin 2
3 28 sin cos
ZH
W
W
WW W
M
V
MM
26
04/11/2013
Динамично нарушение на симетрията
27
1 1
2
, , в този модел и
или з
22 3 3
65 Ge80 Gа eV V
B B
B W H
m е m
m Mm
em m
04/11/2013
На лов за хигсовия бозон
28
John F. Gunion, Howard E. Haber, Gordon L. Kane, Sally Dawson, The Higgs Hunter's Guide, Upton, NY: Brookhaven Nat. Lab., 1989. - 404 p.
04/11/2013
Време на живот и канали на раждане и разпад на хигсовия бозон
cros
s sec
tion
(pb)
2210 s
2310 s
2410 s
2510 s
29
04/11/2013
започва работа на 30 ноември 1986 и завършва на 30 септември 2011
Теватрон във FNAL
@ 2 ТеВp p30
04/11/2013 31
Tevatron Higgs Exclusion
04/11/2013
Големия Електрон‒Позитроненколайдер (LEP) в ЦЕРН
започва работа през август 1989 и завършва в края на 2000
DELPHI
L3 ALEPH
OPAL
@ 100 200 ГеВe e 32
04/11/2013
Хигсовият бозон може да се роди, ако MH < 2E ‒ 91.2 ГеВ.Резултат: хигсовият бозон с маса по малка от 114.4 ГеВ не беше намерен.
LEP2 (1996 ‒ 2000)
33
04/11/2013 34
Непряко потвърждение на EBHGHK механизма
04/11/2013 35
Големия Адронен Колайдер
04/11/2013 36
109 interactions per second
1.51011 p
2 1380 bunches
@ 8 TeV !!!
04/11/2013
~3200 authors, 174 Institutions and 38 Countries, ~1000 PhD students
37
04/11/2013 38
Най-голям и най-сложен детектор
A T Л A С
04/11/2013 39
04/11/2013
Сигнал от хигсовия бозонпо последните данни на АТЛАС
Phys. Lett. B 726 (2013) 88 (4 юли 2013)
ATLA
S-C
ON
F-20
13-0
14
H
0.50.6
m 125.5 ГеВ 0.2(stat)
(sys)
40Phys
. Let
t. B
726
(201
3) 1
20
04/11/2013
Резултати от АТЛАС и CMS законстанти на взаимодействие на Хигс
Hm 125.7 0.3(stat) 0.3(sys) GeV
41
04/11/2013
Универсален фит (LHC+Tevatron)P.P. Giardino, K. Kannike, I. Masina, M. Raidal
and A. Strumia, arXiv:1303.3570 [hep-ph]
/
0.98 0.0 12
0.98 0.07
pm
p
42
2
2
( )2
( )2
2
t
t
Z
W
b
b
ymg hZZ
Mg hWW
Mym
ym
04/11/2013
Линеен лептонен колайдер? Michel E. Peskin, arXiv:1207.2516 [hep-ph] 11 юли 2012
43
04/11/2013
Песимистична гледна точка (MSM)arXiv:0708.3550 [hep-th] 27 Aug 2007
Phys. Lett. B683 (2010) 196
H + 3Rможе да обясни
baryon asymmetrydark matter
neutrino massesinflation
04/11/2013
Елементарните (фундаменталните) частици и взаимодействия на Стандартния Модел
2| | ( )
Y
SM
i ij j
D F F
D V
L
45
04/11/2013
Екстраполация на Стандартния Моделкъм Планкова енергия
D. Buttazzo, G. Degrassi, P.P. Giardino, G.F. Giudicе, F. Sala, A. Salvio, A. StrumiaarXiv:1307.3536 [hep-ph]
Figure from Giardino’s slides
46
Фундаменталните взаимодействия
силни
слаби
електромагнитни
гравитационни04/11/2013 47
0 00 0 H H
BH H
WWW
Z 00Im ReH H
5-та сила ли е взаимодействието на Хигс?
“…we are finally ready to change our introductions to particle physics courses, and tell our students that there are not four but five fundamental forces in Nature, mediated by spin-0, spin-1 and spin-2 bosons!” Theory summary talk (La Thuile, 2013) by Fabio Zwirner
04/11/2013 48
А защо не и на Z бозона !?(открит през 1983, а неговите взаимодействия през 1973)
04/11/2013 49
Стандартният модел на фундаменталните частици и техните взаимодействия е окончателно подтвърден и придоби статус на завършена теория на елементарните частици.
Не са намерени нови частици извън Стандартния Модел и няма отклонения от него на разстояния до 2.51018 cm, които са по-малки на два порядъка от радиуса на слабото взаимодействие!
През 2015 ни очаква почти двойно увеличение на енергията на ускорителя и още по-дълбоко проникване в тайните на Природата.
До 2022 се очаква да съберем 10 пъти повече данни, а до 2030 ‒ 100 пъти повече, отколкото имаме сега и с почти двойно по-висока енергия.
Заключение
top related