17 юли 2012 г.

9 Стандартен модел за начинаещи (5) / Симетрии и Хигс


Някой може да попита - защо въобще хората говорят за обединение и за обща теория за всичко? Много е просто. Първо вижте четирите взаимодействия. Три от тях имат много характерна обща черта - доказано се пренасят от калибровъчни бозони със спин 1. Обаче, понякога тези бозони са с маса (при слабото взаимодействие), понякога без (фотоните и глуоните). Електромагнитното и гравитационното взаимодействия се простират до безкрайност, което значи, че един електрон от тялото ви си взаимодейства електромагнитно и гравитационно с електрон от звезда в съседната галактика. (Всъщност един електрон от тялото ви "се намира" с някаква вероятност в съседната галактика, но това е друга история.) Слабото и силното взаимодействие пък действат на нищожни разстояния (от сорта на 10-15 метра). Електромагнитното е действие на привличане и отблъскване. Гравитационното - само на привличане. Силното пък се увеличава с нарастване на разстоянието между частиците, за разлика от всички други, вследствие на което частиците, подложени на него не могат да се наблюдават в свободно състояние. Четирите взаимодействия са изключително различни по сила (гравитационното взаимодействие е 1038 пъти по-слабо от силното взаимодействие). И т.н. и т.н.

Второ: в Стандартния модел има твърде, твърде много параметри... Масите на 12-те фундаментални фермиона; трите ъгъла на смесване в матрицата, която показва вероятностите за преход между поколенията; една фаза в същата матрица, която определя връзката между количеството материя и антиматерия; константите, които показват силата на взаимодействията; масата на Хигс бозона и т.н. Общо двайсетина параметъра, които нито се знае защо са толкова, нито защо стойностите им са такива.

Цялата тази картина е прекалено сложна и е просто невъзможно Природата да е толкова... ъ... грозна. И тук дори не отваряме дума за това, че гравитацията не може дори принципно да се намеси в цялата тази картина, без да се добавят още 6-7 измерения. По всичко личи, че Стандартният модел в тази си форма е просто етап от пътя ни към нещо по-симетрично и по-красиво. Дали и кога ще стигнем дотам - виж края на поста...

Но по този път вече сме били свидетели на красиви теоретични обединения, намерили експериментални потвърждения, и точно едно от тях води до хипотезата за съществуване на бозона на Хигс.

Оказва се, че слабото и електромагнитното взаимодействия, колкото и да са различни на пръв поглед, всъщност са проявления на една и съща сила - електрослабата. Над определени енергии (100 GeV) тези две взаимодействия математически се описват по един и същ начин, т.е. те са симетрични. Някога, в далечното минало на Вселената, когато температурата й е отговаряла на тези 100 GeV (това е около 1015 градуса), разлика между слабото и електромагнитното взаимодействие не е съществувала - те са били едно. Тази електрослаба сила е била носена от 4 безмасови калибровъчни бозона.

Когато енергиите са паднали под тази граница, обаче, с разширението и охлаждането на Вселената симетрията се е нарушила, и електромагнитното взаимодействие се е отделило от слабото. В този момент са се "образували" и преносителите на двете взаимодействия - също с различни свойства. Фотонът се е оказал безмасов, докато трите калибровъчни бозона W+, W- и Z0 са добили доста голяма маса (от порядъка на 100 GeV). Именно за да се опише математически това разрушаване на симетрията е необходимо да се постулира съществуването на скаларно поле (съответстващо на частица със спин 0), което има ненулева стойност в цялото пространство. При взаимодействието с това поле калибровъчните бозони на електрослабото взаимдоействие се "превръщат" в калибровъчни бозони на електромагнитното и слабото взаимодействие, придобивайки маса във втория случай.

Има множество интуитивно ясни примери, които помагат да си представим това придобиване на маса. През 80-те, когато британските учени молили правителството да отпусне средства за LHC, Маргарет Тачър им казала, че нямат грижи, стига да обяснят на език, който и политик може да разбере за какво ще ги похарчат. Тогава й дали следната аналогия "Маргарет, скъпа, прдстави си стая, пълна с хора. На входа се появява някакъв човек, който иска да мине между тях. Ако това е никому неизвестна персона, тя просто ще профучи необезпокоявана през стаята. Ако обаче се появи кралицата появиш ти, всички ще я те наобиколят, за да й ти отдадат внимание. Това взаимодействие с хората (проявления на полето на Хигс) ще я те забави, т.е. ще й ти придаде "маса". Разбра ли, Маргарет?" - "Чек ще свърши ли работа?"

Има и още една готина аналогия - представете си полето на Хигс като океан. Всяка частица е безкрайно лека суха гъба, която като се потопи в това поле "поема" от него и придобива маса в зависимост от свойствата си. Фотонът изобщо няма да се намокри при преминаването си през водата. Топ-кваркът обаче ще се насмуче яко. Какво определя кой колко вода... т.е. маса ще поеме - не е ясно. Ясно е, че механизмът на поемането на вода от всички частици е еднакъв.  И че океанът, съставен от частици на Хигс е физически съществуващ обект.

Описаният механизъм на придобиване на маса е математически най-простият, най-елегантният и следователно - най-вероятният от всички възможни. Има и други начини да се разруши електрослабата симетрия, така че частиците да получат маса, без задължително да се изисква съществуването на "класическия" бозон на Хигс: техниколор, модели със скрит Хигс, безхигсови модел... Горе-долу колкото теоретични групи - толкова и модели. За щастие, LHC е не само гигантско съоръжение за откриване на нова физика, но и убиец на теории. С откриването на Хигс бозона под ножа вече паднаха всички изброени (а, извън темата за Хигса - нискоенергетичната суперсиметрична теория също започна да издъхва, защото няма ни вест ни кост от нея).

Точно проявление на това хигсово поле с много голяма вероятност е намерената на 4 юли тежка частица, която се разпада на два фотона (наред с другите вероятни канали на разпадане). Свойствата й трябва да се уточнят, за да се докаже 100%, че това е търсеният бозон на Хигс, но те отново са проста математика: зарядът на тази частица трябва е нула, защото системата от два фотона има нулев заряд (а зарядът на началното и крайното състояние е еднакъв). Спинът на тази частица е най-вероятно нула, защото спинът на фотона е 1, а двата фотона "се въртят" в противоположни посоки, унищожавайки общия ъглов момент (не е изключено все още спинът да е 2, т.е. спиновете на двата фотона да са паралелни, но е малко вероятно). С други думи - частицата с маса 125.3 GeV е идеален кандидат за Хигс. В резултат на това, една елегантна теоретична концепция става наблюдавана реалност, и цялата математическа хватка, която счупва електрослабата симетрия и води до наблюдаемите при температурата (енергията) на сегашната Вселена електромагнитно и слабо взаимодействия, се оказва експериментално доказан факт.

Забележете последствията от всичко това: вместо да имаме модел с 4 взаимодействия, в който освен изброените параметри съществуват още два допълнителни (масите на W+/- и Z0 бозоните), сега имаме обединена теория, в която имаме 3 взаимодействия (силно, електрослабо и гравитационно), в която параметър остава само масата на Хигс бозона (а масите на W+/-, Z0 и фотона се получават като следствия и вече не са фундаментални константи).

С увеличаването на енергиите (и температурите с връщането назад в миналото на Вселената), трябва да се стигне до момент, в който силното и електрослабото взаимодействие се обединяват по подобен начин в обща група на симетрия. Това е т.нар. Теория на Великото Обединение, която би съдържала като следствия всички сега известни параметри на Стандартния модел, а силното и електрослабото взаимодействия биха били проявления на тази "електрослабосилна" сила, която се е счупила на две при охлаждането на Вселената. "Охлаждане" е интересен избор на дума тук, защото се предполага, че енергията, при която това се е случило е от порядъка на 1016 GeV или 1027 Келвина, което е извън възможностите на каквито и да било експерименти, дирижирани от човешко същество. Правилно - това, че LHC ще възпроизведе условия много близки до "началото" на Вселената е просто PR, който ще се срути, ако някой уточни какво значи "много". Във всеки случай, достатъчно би било, ако вместо протони, в LHC сблъскваха ябълки, съсредоточени в "обема" на един протон. Тогава от LHC щяха да летят не само Хигс-бозни, но може би и изкуствени органи.

За финал оставям най-депресиращата част - моментът, в който опитаме да обединим и гравитационното взаимодействие с останалите. Дори ако квантовата гравитация е валидна хипотеза, интуитивните ни представи за пространство и време, вече подложени на изпитание веднъж от Общата теория на относителността, сега трябва да претърпят още една метаморфоза - този път почти непреодолима за ограничените ни мозъци. Трябва да забравим за понятията "причина", "следствие" и "местоположение". На т.нар. планкови размери, които трябва да са се случили, когато температурата на Вселената е била 1032 Келвина, четирите измерения вече не съществуват в класическия им смисъл - не може да се каже нито дали едно събитие настъпва преди или след друго, нито може да се каже дали една точка е вляво или вдясно от друга. Това води до пълната невалидност на словосъчетанието "начало на Вселената". И не, че искам да съм прекалено черноглед, но е по-вероятно човечеството да се самоунищожи (или да бъде унищожено от халосал го астероид с големината на Тексас), отколкото да еволюира до ниво, в което дори ще може да постави адекватно въпроса за "Началото", нежели да му даде подобие на отговор.

С това приключвам серията за Стандартния модел, всъщност откривайки поле за нова поредица постове, която да касае плоските ни, ограничени и обречени на вечни интелектуални мъки представи за историята и самата същност на Вселената.

9 коментара:

  1. Уау. Прекрасна статия. Може би най-добрата досега (по темата). На моменти ми се иска да бях станал физик, като ги чета тия работи. Евала и благодаря! :)

    ОтговорИзтриване
  2. Добре де, в някакъв момент или точка трябва да са се появили въпросните "отляво", "отдясно", "преди" или "след", нали? Или ако не са, то значи все още ги няма никъде, освен в главите ни. Ако все пак ги има, не е ли редно да приемем именно тяхното появяване за началото на това, в което живеем?
    Сори, ако въпросът ми звучи лаишки

    ОтговорИзтриване
  3. Страхотно! Браво, Силвъре! Адски силен край на една прекрасна поредица от материали!

    Бтв, стана ми интересно при това изстиване на Вселената какво ще стане накрая? Финалната температура 0К ли се предполага да бъде? При тези условия всичката енергия ще се е превърнала в маса ли? При намаляване на температурата оттук нататък възможно ли е още повече да се понижи симетрията - т.е. някое от 4те взаимодействия да се разпадне на свой ред?

    ОтговорИзтриване
  4. 10х и на трима ви. Как предпочитате - да отговоря сега схематично, или да ме изчакате дали ще преживея Батмана и тогава да почна последователно новата серия? :)

    ОтговорИзтриване
  5. Ще те изчакаме. Вър почивай (евентуално в мир).

    Бе сигурно няма да е ЧАК толкова зле.

    ОтговорИзтриване
  6. Благодаря за страхотната поредица и с нетърпение очаквам новата.

    Има ли връзка между Хигс бозона и тъмната материя/енергия?

    ОтговорИзтриване
    Отговори
    1. Доколкото тъмната материя трябва да има маса, то тя трябва да има връзка с Хигс бозона (този или някакъв подобен от по-обща теория), но дотолкова, че да обяснява механизма на получаване на маса. Иначе няма връзка със самият проблем на тъмната материя/енергия - че трябва да я има в огромни количества (20 пъти повече от материята, която познаваме), пък никаква я няма.

      Изтриване
  7. Силно впечатлен съм от почти всички статии и ревюта на всички раздели от блога. Свръх интелигентен, компетентен и доста взискателен човек сте. Не съм сигурен дали някога съм попадал (в нета) на толкова "хай левъл" анализи по най-различни теми. Чак ме е срам да си призная, че попаднах случайно на този блог чрез линк от Замунда...ама те хубавите работи така стават :)Любопитен съм на каква възраст сте и каква Ви е професията, ако не Ви притеснява разбира се. Желая Ви успехи с всички начинания! Ще продължавам да Ви чета с удоволствие!
    Поздрави:Спасов

    ОтговорИзтриване
  8. Благодаря, чувствам се леко неудобно. :) Професията ми е свързана темата на тази серия постове - това е и единствената област, в която имам някакви претенции, че поназнайвам нещата. Всичко останало е любителска история.
    Поздрави.

    ОтговорИзтриване

Забележка: Само членове на този блог могат да публикуват коментари.