1964 dokumenty łamania symetrii PRL -1964 PRL symmetry breaking papers

Dokumenty łamania symetrii PRL z 1964 r. zostały napisane przez trzy zespoły, które zaproponowały podobne, ale różne podejścia do wyjaśnienia, w jaki sposób masa może powstawać w lokalnych teoriach cechowania . Te trzy artykuły napisali: Robert Brout i François Englert ; Petera Higgsa ; oraz Gerald Guralnik , C. Richard Hagen i Tom Kibble (GHK). Przypisuje się im teorię mechanizmu Higgsa oraz przewidywanie pola Higgsa i bozonu Higgsa . Razem dostarczają one teoretycznych środków, dzięki którym można uniknąć twierdzenia Goldstone'a (problematycznego ograniczenia wpływającego na wczesne współczesne teorie fizyki cząstek elementarnych ). Pokazują, w jaki sposób bozony cechowania mogą uzyskiwać niezerowe masy w wyniku spontanicznego łamania symetrii w niezmienniczych modelach cechowania wszechświata.

Jako takie, te stanowią kluczowy element teorii elektrosłabej który stanowi część Modelu Standardowego w fizyce cząstek , a wśród wielu modeli, takich jak : Grand Unified Theory , które wykraczają poza nim. Dokumenty, które wprowadzają ten mechanizm zostały opublikowane w Physical Review Letters ( PRL ) i zostały uznane za każdy przełomowych dokumentów przez PRL ' s 50-lecia. Wszystkich sześciu fizyków otrzymało za tę pracę Nagrodę JJ Sakurai za tę pracę w 2010 roku, a w 2013 roku Englert i Higgs otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

W dniu 4 lipca 2012 r. dwa główne eksperymenty w LHC ( ATLAS i CMS ) niezależnie doniosły o potwierdzeniu istnienia wcześniej nieznanej cząstki o masie około125  GeV/ c ² (około 133 mas protonów, rzędu ^10-25  kg), który jest „zgodny z bozonem Higgsa” i powszechnie uważany za bozon Higgsa.

Wstęp

Wskaźnik teoria z cząstek elementarnych jest bardzo atrakcyjne potencjalne ramy konstruowania ostateczny teorii . Taka teoria ma bardzo pożądaną właściwość potencjalnej renormalizacji — jest to skrót od stwierdzenia, że ​​wszystkie napotkane nieskończoności obliczeniowe mogą być konsekwentnie wchłonięte przez kilka parametrów teorii. Jednakże, gdy tylko nada się masę polam cechowania, renormalizacja zostaje utracona, a teoria staje się bezużyteczna. Spontaniczne łamanie symetrii to obiecujący mechanizm, który można wykorzystać do nadawania masy wektorowym cząstkom cechowania. Istotną trudnością, z jaką się spotykamy, jest jednak twierdzenie Goldstone'a , które mówi, że w każdej kwantowej teorii pola, która ma spontanicznie złamaną symetrię, musi wystąpić cząstka o zerowej masie. Powstaje więc problem – jak można złamać symetrię i jednocześnie nie wprowadzać niechcianych cząstek o zerowej masie. Rozwiązanie tego dylematu polega na spostrzeżeniu, że w przypadku teorii z cechowaniem można uniknąć twierdzenia Goldstone'a, pracując w tak zwanym mierniku promieniowania . Dzieje się tak dlatego, że dowód twierdzenia Goldstone'a wymaga oczywistej kowariancji Lorentza , właściwości, której nie posiada miernik promieniowania.

Historia

Sześciu autorów artykułów PRL z 1964 r. , którzy w 2010 r. otrzymali za swoją pracę Nagrodę im. JJ Sakurai . Od lewej do prawej: Kibble , Guralnik , Hagen , Englert , Brout . Po prawej: Higgs .

Fizycy cząstek badają materię utworzoną z fundamentalnych cząstek, w których oddziaływaniach pośredniczą cząstki wymienne znane jako nośniki siły . Na początku lat sześćdziesiątych odkryto lub zaproponowano szereg tych cząstek, wraz z teoriami sugerującymi ich wzajemne relacje, z których niektóre zostały już przeformułowane jako teorie pola, w których przedmiotem badań nie są cząstki i siły, ale pola kwantowe i ich symetrie . Jednak próby zjednoczenia znanych fundamentalnych sił, takich jak siła elektromagnetyczna i słaba siła jądrowa, były niekompletne. Jednym ze znanych pominięć było to, że podejścia niezmiennicze cechowania , w tym modele nieabelowe , takie jak teoria Yanga-Millsa (1954), która była bardzo obiecująca dla zunifikowanych teorii, również wydawały się przewidywać znane masywne cząstki jako bezmasowe. Twierdzenie Goldstone'a , odnoszące się do ciągłych symetrii w niektórych teoriach, również wydaje się wykluczać wiele oczywistych rozwiązań, ponieważ wydawało się, że musiałyby istnieć cząstki o zerowej masie, które były „po prostu niewidoczne”. Według Gerald Guralnik fizycy „nie miał zrozumienia”, jak te problemy można przezwyciężyć w 1964. W 2014, Guralnik and Carl Hagen napisał artykuł, który twierdził, że nawet po 50 latach wciąż jest powszechne nieporozumienie, przez fizyków i Komitetu Noblowskiego , z Goldstone Higgsa roli. Ten artykuł, opublikowany w Modern Physics Letters A , okazał się ostatnim opublikowanym dziełem Guralnika.

Fizyk cząstek i matematyk Peter Woit podsumował ówczesny stan badań:

„Praca Yanga i Millsa nad nieabelową teorią cechowania miała jeden ogromny problem: w teorii perturbacji zawiera ona cząstki bezmasowe, które nie odpowiadają niczemu, co widzimy. z porodem realizowanego w QCD ., gdzie silne interakcje pozbyć bez masy „gluonu” państw na długich dystansach Dzięki bardzo wczesnych lat sześćdziesiątych, ludzie zaczęli rozumieć innego źródła cząstek bezmasowych. spontaniczne złamanie symetrii ciągłej symetrii Co Philip Anderson zdał sobie sprawę i doszedł do wniosku, że latem 1962 roku, kiedy mamy zarówno symetrię cechowania, jak i spontaniczne łamanie symetrii, tryb bezmasowy Nambu-Goldstone może łączyć się z trybami bezmasowego pola cechowania, aby wytworzyć fizyczne masywne pole wektorowe. w nadprzewodnictwie , temat, w którym Anderson był (i jest) jednym z czołowych ekspertów." [tekst skrócony]

Mechanizm Higgs jest procesem, w którym Bozony wektora można uzyskać masę spoczynku bez wyraźnie zerwania skrajni niezmienność jako produkt uboczny spontaniczne złamanie symetrii . Teoria matematyczna stojąca za spontanicznym łamaniem symetrii została początkowo wymyślona i opublikowana w fizyce cząstek elementarnych przez Yoichiro Nambu w 1960 r. Koncepcja, że ​​taki mechanizm może zaoferować możliwe rozwiązanie „problemu masy” została pierwotnie zasugerowana w 1962 r. przez Philipa Andersona i Abrahama Kleina. a Benjamin Lee wykazał w marcu 1964, że twierdzenia Goldstone'a można w ten sposób uniknąć przynajmniej w niektórych nierelatywistycznych przypadkach i spekulował, że może to być możliwe w prawdziwie relatywistycznych przypadkach.

Podejścia te zostały szybko rozwinięte w pełny model relatywistyczny , niezależnie i prawie jednocześnie, przez trzy grupy fizyków: François Englert i Robert Brout w sierpniu 1964; przez Petera Higgsa w październiku 1964; oraz przez Geralda Guralnika , Carla Hagena i Toma Kibble'a (GHK) w listopadzie 1964. Higgs napisał również odpowiedź opublikowaną we wrześniu 1964 na sprzeciw Gilberta , która wykazała, że ​​gdyby obliczyć w mierniku promieniowania, twierdzenie Goldstone'a i zarzut Gilberta stałyby się nieodpowiedni. (Higgs opisał później zarzut Gilberta jako skłonienie do jego własnej pracy). Właściwości modelu były dalej rozważane przez Guralnika w 1965, przez Higgsa w 1966, przez Kibble w 1967 i dalej przez GHK w 1967. Pierwsze trzy artykuły z 1964 roku pokazały, że kiedy cechowanie jest połączony z dodatkowym obszarze spontanicznie rozkłada się Symmetry, bozony skrajni może konsekwentnie uzyskać skończoną masę. 1967, Steven Weinberg i Abdus Salam niezależnie pokazuje, jak mechanizm Higgs mogą być wykorzystane do złamania symetrii elektrosłabej z Sheldon Glashow jest jednolity model dla słabych i elektromagnetycznym (sobie przedłużenia pracy przez Schwingera ), tworząc co stało się standardowy Model fizyki cząstek. Weinberg jako pierwszy zauważył, że zapewniłoby to również warunki masowe dla fermionów. 

Jednak przełomowe artykuły na temat spontanicznego łamania symetrii cechowania zostały początkowo w dużej mierze zignorowane, ponieważ powszechnie uważano, że teorie (nieabelowe) teorie, o których mowa, są ślepą uliczką, a w szczególności, że nie można ich zrenormalizować . W latach 1971-1972 Martinus Veltman i Gerard 't Hooft udowodnili, że renormalizacja Yang-Millsa jest możliwa w dwóch pracach obejmujących pola bezmasowe, a następnie masowe. Ich wkład i prace innych nad grupą renormalizacji były ostatecznie „niezwykle głębokie i wpływowe”, ale nawet po opublikowaniu wszystkich kluczowych elementów ostatecznej teorii, nadal prawie nie było większego zainteresowania. Na przykład Sidney Coleman stwierdził w badaniu, że „zasadniczo nikt nie zwracał uwagi” na artykuł Weinberga przed 1971 r. – obecnie najczęściej cytowany w fizyce cząstek elementarnych – a nawet w 1970 r. według Politzera , nauczanie Glashowa o oddziaływaniu słabym nie zawierało żadnych wzmianka o własnej pracy Weinberga, Salama lub Glashowa. W praktyce, jak twierdzi Politzer, prawie wszyscy poznali tę teorię dzięki fizykowi Benjaminowi Lee , który połączył prace Veltmana i 't Hoofta z spostrzeżeniami innych i spopularyzował ukończoną teorię. W ten sposób od 1971 roku zainteresowanie i akceptacja „eksplodowały”, a idee szybko wchłonęły się w główny nurt.

Znaczenie wymagania oczywistej kowariancji

Większość studentów, którzy ukończyli kurs elektromagnetyzmu , napotkała potencjał kulombowski . Zasadniczo stwierdza, że ​​dwie naładowane cząstki przyciągają się lub odpychają nawzajem siłą, która zmienia się zgodnie z odwrotnym kwadratem ich separacji. Jest to dość jednoznaczne dla cząstek w spoczynku, ale jeśli jedna lub druga podąża arbitralną trajektorią, pojawia się pytanie, czy należy obliczyć siłę, używając chwilowych położeń cząstek, czy tak zwanych położeń opóźnionych . Ten ostatni uznaje, że informacja nie może rozchodzić się natychmiastowo, raczej rozchodzi się z prędkością światła . Jednak miernik promieniowania mówi, że używa się chwilowych pozycji cząstek, ale nie narusza przyczynowości, ponieważ w równaniu siły występują składniki kompensujące. W przeciwieństwie do tego, miernik Lorenza narzuca wyraźną kowariancję (a tym samym przyczynowość) na wszystkich etapach obliczeń. Prognozy obserwowalnych ilości są identyczne w obu cechach, ale sformułowanie cechowania promieniowania w kwantowej teorii pola unika twierdzenia Goldstone'a .

Podsumowanie i wpływ prac PRL

Te trzy dokumenty napisane w 1964 roku zostały uznane za każdy dokumentach etapowych podczas Physical Review Letters „s 50. rocznica obchodów. Ich sześciu autorów zostało również wyróżnionych za tę pracę Nagrodą JJ Sakurai w dziedzinie fizyki cząstek teoretycznych . (Kontrowersje pojawiły się również w tym samym roku, ponieważ w przypadku Nagrody Nobla tylko do trzech naukowców można było uznać za prace, z czego sześć było uznanych za prace.) Dwie z trzech prac PRL (Higgs i GHK) zawierały równania dla hipotetycznego pola, które ostatecznie stanie się znane jako pole Higgsa i jego hipotetycznego kwantu , bozon Higgsa. Późniejsza praca Higgsa z 1966 roku pokazała mechanizm rozpadu bozonu; tylko masywny bozon może się rozpadać, a rozpady mogą udowodnić mechanizm.

Każdy z tych artykułów jest wyjątkowy i przedstawia różne podejścia do pokazania, w jaki sposób powstaje masa w cząstkach cechowania. Z biegiem lat różnice między tymi artykułami nie są już powszechnie rozumiane ze względu na upływ czasu i akceptację wyników końcowych przez społeczność fizyków cząstek elementarnych . Interesujące jest badanie wskaźników cytowań – ponad 40 lat po publikacji w „ Physical Review Letters” z 1964 r. nie ma wśród nich zauważalnego wzorca preferencji, a zdecydowana większość badaczy w tej dziedzinie wymienia wszystkie trzy przełomowe prace.

W artykule Higgsa bozon jest masywny, a w zdaniu końcowym Higgs pisze, że „istotną cechą” teorii „jest przewidywanie niepełnych multipletów bozonów skalarnych i wektorowych ”. ( Frank Close komentuje, że teoretycy z cechowaniem z lat 60. koncentrowali się na problemie bezmasowych bozonów wektorowych , a dorozumiane istnienie masywnego bozonu skalarnego nie było postrzegane jako ważne; tylko Higgs bezpośrednio się do tego odnosił.) W artykule GHK bozon jest bezmasowy i oddzielone od państw masowych. W recenzjach z lat 2009 i 2011 Guralnik stwierdza, że ​​w modelu GHK bozon jest bezmasowy tylko w przybliżeniu najniższego rzędu, ale nie podlega żadnym ograniczeniom i przybiera masę przy wyższych rzędach, i dodaje, że papier GHK był jedynym jeden, aby pokazać, że w modelu nie ma bezmasowych bozonów Goldstone'a i dać pełną analizę ogólnego mechanizmu Higgsa. Wszyscy trzej doszli do podobnych wniosków, pomimo bardzo różnych podejść: artykuł Higgsa zasadniczo wykorzystywał techniki klasyczne, Englerta i Brouta dotyczyły obliczania polaryzacji próżni w teorii zaburzeń wokół założonego stanu próżni łamiącego symetrię, a GHK użył formalizmu operatorów i praw zachowania do zbadania pogłębić sposoby, w jakie twierdzenie Goldstone'a wyraźnie zawodzi.

Oprócz wyjaśnienia, w jaki sposób bozony wektorowe uzyskują masę, mechanizm Higgsa przewiduje również stosunek mas bozonu W i bozonu Z, a także ich sprzężenia ze sobą oraz z kwarkami i leptonami Modelu Standardowego. Następnie wiele z tych przewidywań zostało zweryfikowanych przez precyzyjne pomiary wykonane w zderzaczach LEP i SLC , potwierdzając w ten sposób, że pewien rodzaj mechanizmu Higgsa zachodzi w przyrodzie, ale dokładny sposób, w jaki to się dzieje, nie został jeszcze odkryty. Oczekuje się, że wyniki poszukiwań bozonu Higgsa dostarczą dowodów na to, jak realizuje się to w przyrodzie.

Konsekwencje referatów

Powstała teoria elektrosłabości i Model Standardowy prawidłowo przewidziały (między innymi odkryciami) słabe prądy neutralne , trzy bozony , kwarki górne i powabne , a także z wielką precyzją masę i inne właściwości niektórych z nich. Wiele z zaangażowanych osób ostatecznie zdobyło Nagrody Nobla lub inne renomowane nagrody. Artykuł z 1974 r. w Reviews of Modern Physics skomentował, że „chociaż nikt nie wątpił w [matematyczną] poprawność tych argumentów, nikt nie wierzył, że natura jest wystarczająco mądra, by je wykorzystać”. W 1986 i ponownie w latach 90. stało się możliwe napisanie, że zrozumienie i udowodnienie sektora Higgsa Modelu Standardowego było „głównym problemem dzisiejszej fizyki cząstek elementarnych”. 

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki