1964 PRL symetrie lámání papíry -1964 PRL symmetry breaking papers

Dokumenty rozbíjející symetrii PRL z roku 1964 sepsaly tři týmy, které navrhly související, ale odlišné přístupy k vysvětlení toho, jak by v teoriích místního rozchodu mohla vzniknout hmota . Tyto tři dokumenty napsali: Robert Brout a François Englert ; Peter Higgs ; a Gerald Guralnik , C. Richard Hagen a Tom Kibble (GHK). Je jim připisována teorie Higgsova mechanismu a predikce Higgsova pole a Higgsova bosonu . Dohromady poskytují teoretické prostředky, jimiž se lze vyhnout Goldstoneově větě (problematické omezení ovlivňující teorie rané moderní částicové fyziky ). Ukazují, jak mohou měřicí bosony získávat nenulové hmotnosti v důsledku spontánního narušení symetrie v neměřitelných modelech vesmíru.

Jako takový, tato forma je klíčovým prvkem v elektroslabé teorie , která je součástí standardního modelu z částicové fyziky , a mnoho modelů, jako je teorie velkého sjednocení , které jdou za ním. Papíry, že zavedení tohoto mechanismu byly publikovány v Physical Review Letters ( PRL ) a byly každý uznány jako milníky dokladech PRL ' s 50. výročí oslav. Všech šest těchto fyziků bylo za tuto práci oceněno Cenou JJ Sakuraie 2010 za teoretickou fyziku částic a v roce 2013 obdrželi Englert a Higgs Nobelovu cenu za fyziku.

Dne 4. července 2012 oba hlavní experimenty na LHC ( ATLAS a CMS ) nezávisle na sobě oznámily potvrzenou existenci dříve neznámé částice o hmotnosti přibližně125  GeV/ c ² (asi 133 hmotností protonů, řádově ^10–25  kg), což je „v souladu s Higgsovým bosonem“ a obecně se věří, že jde o Higgsův boson.

Úvod

Kalibrační teorie z elementárních částic je velmi atraktivní možnost rámec pro konstrukci finální teorie . Taková teorie má velmi žádoucí vlastnost, že je potenciálně renormalizovatelná - což znamená, že všechny výpočtové nekonečnosti, které se vyskytují, lze důsledně absorbovat do několika parametrů teorie. Jakmile však člověk dá hmotnost měřicím polím, renormalizovatelnost se ztratí a teorie se stane nepoužitelnou. Spontánní porušení symetrie je slibný mechanismus, který by mohl být použit k získání hmotnosti částic vektorového měřidla. Významným problémem, se kterým se však setkáváme, je Goldstoneova věta , která uvádí, že v každé teorii kvantového pole, která má spontánně narušenou symetrii, musí dojít k částici s nulovou hmotností. Vzniká tedy problém-jak lze rozbít symetrii a zároveň nezavádět nežádoucí částice s nulovou hmotností. Řešení tohoto dilematu spočívá v pozorování, že v případě teorií měřidel se lze Goldstonově větě vyhnout prací v takzvaném měřiči radiace . Důvodem je, že důkaz Goldstoneovy věty vyžaduje zjevnou Lorentzovu kovarianci , vlastnost, kterou radiační měřidlo nemá.

Dějiny

Šest autorů prací z PRL z roku 1964 , kteří za svou práci obdrželi Cenu JJ Sakuraie za rok 2010 . Zleva doprava: Kibble , Guralnik , Hagen , Englert , Brout . Vpravo: Higgs .

Fyzikové částic studují hmotu vyrobenou ze základních částic, jejichž interakce jsou zprostředkovány výměnnými částicemi známými jako nosiče síly . Na počátku šedesátých let byla objevena nebo navržena řada těchto částic spolu s teoriemi naznačujícími jejich vzájemný vztah, z nichž některé již byly přeformulovány jako polní teorie, ve kterých předměty studia nejsou částice a síly, ale kvantová pole a jejich symetrie . Bylo však známo , že pokusy o sjednocení známých základních sil , jako je elektromagnetická síla a slabá jaderná síla, jsou neúplné. Jedním známým opomenutím bylo, že měřené invariantní přístupy, včetně neabelských modelů, jako je teorie Yang-Mills (1954), která byla velkým příslibem sjednocených teorií, také zřejmě předpovídaly známé masivní částice jako bezhmotné. Goldstoneova věta , týkající se spojitých symetrií v rámci některých teorií, také zřejmě vylučovala mnoho zjevných řešení, protože se ukázalo, že by musely existovat i částice s nulovou hmotností, které by „prostě nebyly vidět“. Podle Geralda Guralnika fyzikové „nechápali“, jak je možné tyto problémy překonat v roce 1964. V roce 2014 Guralnik a Carl Hagenovi napsali článek, který tvrdil, že i po 50 letech stále dochází k rozsáhlému nedorozumění ze strany fyziků a Nobelova výboru , z Goldstone bosonu roli. Tento dokument, publikovaný v Modern Physics Letters A , se ukázal být Guralnikovým posledním publikovaným dílem.

Fyzik částic a matematik Peter Woit shrnul stav tehdejšího výzkumu:

"Práce Yang a Mills na neabelské teorii měřidel měla jeden obrovský problém: v teorii poruch má bezhmotné částice, které neodpovídají ničemu, co vidíme. Jedním ze způsobů, jak se tohoto problému zbavit, je nyní docela dobře pochopený, fenomén z vězení realizovaného v QCD ., kde jsou silné interakce zbavit massless „gluonu“ států na dlouhé vzdálenosti velmi raných šedesátých let, lidé začali chápat další zdroj nehmotných částic:. spontánní narušení symetrie spojitého symetrie Co Philip Anderson si uvědomil, a vyšlo v létě roku 1962 bylo, že když máte oba měří symetrii a spontánní narušení symetrie, režim Nambu-Goldstone massless lze kombinovat s kvalitami massless rozchod pole produkovat fyzické masivní vektorového pole. To je to, co se děje v supravodivosti , téma, o kterém byl Anderson (a je) jedním z předních odborníků. “ [text zhuštěný]

Higgs mechanismus je proces, při kterém vektorové bosony mohou získat klidovou hmotnost , aniž by výslovně porušení invariance měřidla , jako vedlejší produkt spontánní symetrické lámání . Matematická teorie za spontánním narušením symetrie byla původně koncipována a publikována v částicové fyzice Yoichirem Nambuem v roce 1960, koncept, že takový mechanismus by mohl nabídnout možné řešení „hromadného problému“, původně navrhli v roce 1962 Philip Anderson a Abraham Klein a Benjamin Lee v březnu 1964 ukázali, že Goldstoneově větě by se dalo tímto způsobem vyhnout alespoň v některých nerelativistických případech a spekulovalo se, že by to bylo možné ve skutečně relativistických případech.

Tyto přístupy byly rychle vyvinuty do úplného relativistického modelu, nezávisle a téměř současně, třemi skupinami fyziků: François Englert a Robert Brout v srpnu 1964; od Peter Higgs v říjnu 1964; a Geraldem Guralnikem , Carlem Hagenem a Tomem Kibbleem (GHK) v listopadu 1964. Higgs také napsal odpověď zveřejněnou v září 1964 na Gilbertovu námitku , která ukázala, že pokud by se počítalo v radiačním měřidle, Goldstoneova věta a Gilbertova námitka by se staly nepoužitelný. (Higgs později popsal Gilbertovu námitku jako podnět pro vlastní práci.) Vlastnosti modelu dále zvažoval Guralnik v roce 1965, Higgs v roce 1966, Kibble v roce 1967 a dále GHK v roce 1967. Původní tři články z roku 1964 ukázaly, že když kalibrační teorie je v kombinaci s další pole, které spontánně rozbije symetrii, mohou bosons měřidla důsledně získat konečnou hmotnost. V roce 1967, Steven Weinberg a Abdus Salam nezávisle ukázal, jak Higgs mechanismus by mohl být použit pro přerušení electroweak symetrii Sheldon Glashow s jednotným modelem pro slabé a elektromagnetické interakce (sama rozšířením práci Schwinger ), tvořící to, co se stala standardní Model částicové fyziky. Weinberg byl první, kdo poznamenal, že by to také poskytlo hromadné termíny pro fermiony. 

Klíčové články o spontánním rozbíjení symetrií měřidel však byly zprvu do značné míry ignorovány, protože se všeobecně věřilo, že dotyčné teorie (neabelského rozchodu) jsou slepou uličkou, a zejména, že je nelze renormalisovat . V letech 1971–1972 Martinus Veltman a Gerard 't Hooft dokázali, že renormalizace Yang -Mills byla možná ve dvou dokumentech pokrývajících bezhmotná a poté masivní pole. Jejich přínos a práce ostatních na renormalizační skupině byly nakonec „nesmírně hluboké a vlivné“, ale i přes zveřejnění všech klíčových prvků eventuální teorie stále nebyl téměř žádný širší zájem. Sidney Coleman například ve studii zjistil, že „v podstatě nikdo nevěnoval žádnou pozornost“ Weinbergovu dokumentu před rokem 1971-nyní nejcitovanější ve fyzice částic-a dokonce v roce 1970 podle Politzera Glashowovo učení slabé interakce neobsahovalo žádné zmínka o Weinbergově, Salamově nebo Glashowově vlastní tvorbě. V praxi Politzer uvádí, že téměř každý se o teorii dozvěděl díky fyzikovi Benjaminovi Leeovi , který spojil práci Veltmana a 't Hoofta s postřehy ostatních a popularizoval dokončenou teorii. Tímto způsobem od roku 1971 „explodoval“ zájem a přijetí a myšlenky byly rychle absorbovány do hlavního proudu.

Význam požadavku na zjevnou kovarianci

Většina studentů, kteří absolvovali kurz elektromagnetismu, se setkala s Coulombovým potenciálem . V zásadě se uvádí, že dvě nabité částice se navzájem přitahují nebo odpuzují silou, která se mění podle inverzního čtverce jejich oddělení. To je u částic v klidu celkem jednoznačné, ale pokud jeden nebo druhý sleduje libovolnou trajektorii, vyvstává otázka, zda je třeba vypočítat sílu pomocí okamžitých poloh částic nebo takzvaných retardovaných poloh . Ten uznává, že informace se nemohou šířit okamžitě, spíše se šíří rychlostí světla . Nicméně, záření měřidlo říká, že jeden používá okamžité polohy jednotlivých částic, ale není v rozporu s příčinné souvislosti , protože tam jsou zušlechtěné výrazy v síly rovnice. Naproti tomu Lorenzův rozchod ukládá ve všech fázích výpočtu zjevnou kovarianci (a tedy příčinnou souvislost). Předpovědi pozorovatelných veličin jsou v obou měřidlech totožné, ale formulace měřidla radiace záření kvantové teorie pole se vyhýbá Goldstoneově větě .

Shrnutí a dopad příspěvků PRL

Tyto tři dokumenty psané v roce 1964 byly vzájemně uznávány jako milník papíry během Physical Review Letters ‚s 50. výročí oslav. Jejich šest autorů bylo za tuto práci také oceněno Cenou JJ Sakuraie 2010 za teoretickou fyziku částic . (Téhož roku také vznikla kontroverze, protože v případě Nobelovy ceny mohli být uznáni až tři vědci, přičemž šest bylo připsáno za příspěvky.) Dva ze tří dokumentů PRL (Higgs a GHK) obsahovaly rovnice pro hypotetické pole, které by se nakonec stalo známým jako Higgsovo pole a jeho hypotetické kvantum , Higgsův boson. Následný Higgsův příspěvek z roku 1966 ukázal mechanismus rozpadu bosonu; pouze mohutný boson se může rozpadnout a rozpady mohou prokázat mechanismus.

Každý z těchto papírů je jedinečný a ukazuje různé přístupy k tomu, jak ukázat, jak v částicích měřidla vzniká hmota. V průběhu let již rozdíly mezi těmito dokumenty nejsou široce chápány v důsledku plynutí času a přijetí konečných výsledků komunitou částicové fyziky . Studie citačních indexů je zajímavá - více než 40 let po publikaci z roku 1964 v časopise Physical Review Letters je mezi nimi jen málo patrný vzorec preferencí, přičemž drtivá většina výzkumných pracovníků v oboru uvádí všechny tři milníkové příspěvky.

V článku od Higgsa je boson obrovský a v závěrečné větě Higgs píše, že „základním rysem“ teorie „je predikce neúplných multipletů skalárních a vektorových bosonů “. ( Frank Close poznamenává, že teoretici rozchodů šedesátých let se zaměřili na problém bezhmotných vektorových bosonů a předpokládaná existence masivního skalárního bosonu nebyla považována za důležitou; pouze Higgs se jí přímo věnoval.) V příspěvku GHK je boson bezhmotný a oddělené od masivních států. V recenzích z roku 2009 a 2011 Guralnik uvádí, že v modelu GHK je boson bezhmotný pouze v aproximaci nejnižšího řádu, ale nepodléhá žádnému omezení a získává hmotnost při vyšších řádech, a dodává, že papír GHK byl jediným jeden ukázat, že v modelu nejsou žádné bezhmotné Goldstoneovy bosony, a poskytnout úplnou analýzu obecného Higgsova mechanismu. Všechny tři dospěly k podobným závěrům, navzdory velmi odlišným přístupům: Higgsův papír v zásadě používal klasické techniky, Englert a Brout zahrnovali výpočet vakuové polarizace v teorii poruchy kolem předpokládaného stavu vakua narušujícího symetrii a GHK použil formalismus operátora a zákony zachování k prozkoumání v hloubka způsobů, kterými Goldstoneova věta výslovně selhává.

Kromě vysvětlení, jak je hmota získávána vektorovými bosony, Higgsův mechanismus také předpovídá poměr mezi hmotností W bosonů a Z bosonů, jakož i jejich vzájemné vazby s kvarky a leptony standardního modelu. Následně bylo mnoho z těchto předpovědí ověřeno přesnými měřeními provedenými na srážkách LEP a SLC , což drtivě potvrdilo, že nějaký druh Higgsova mechanismu se v přírodě odehrává, ale přesný způsob, jakým se to děje, dosud nebyl objeven. Očekává se, že výsledky hledání Higgsova bosonu poskytnou důkaz o tom, jak je to v přírodě realizováno.

Důsledky novin

Výsledná elektroslabá teorie a standardní model správně předpovídaly (mimo jiné objevy) slabé neutrální proudy , tři bosony , horní a kouzelné kvarky a s velkou přesností hmotnost a další vlastnosti některých z nich. Mnoho ze zúčastněných nakonec získalo Nobelovy ceny nebo jiná renomovaná ocenění. Papír z roku 1974 v časopise Recenze moderní fyziky uvedl, že „ačkoli nikdo nepochyboval o [matematické] správnosti těchto argumentů, nikdo zcela nevěřil, že příroda je dost ďábelsky chytrá na to, aby je využila“. V roce 1986 a znovu v 90. letech bylo možné napsat, že porozumění a prokázání Higgsova sektoru standardního modelu je „ústředním problémem dnešní částicové fyziky“. 

Viz také

Poznámky

Reference

Další čtení

externí odkazy