Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога» - Джим Бэгготт

Бозон. Назван в честь индийского физика Шатьендраната Бозе. У бозонов целочисленные спины (1, 2, …), вследствие этого на них не распространяется принцип Паули. Бозоны участвуют в передаче взаимодействий между материальными частицами, к ним относятся фотоны (электромагнитное взаимодействие), W– и Z-частицы (слабое взаимодействие) и глюоны (цветовое взаимодействие). Частицы с нулевым спином также называются бозонами, но они не участвуют в переносе взаимодействий. К ним относятся пионы, куперовские пары (которые также могут иметь спин 1) и бозон Хиггса. Гравитон, гипотетическая частица гравитационного поля, считается бозоном со спином 2.

Большой взрыв. Этим термином называется космический «взрыв» пространства-времени и материи в первые мгновения после возникновения Вселенной около 13,7 миллиарда лет назад. Название придумал независимый физик Фред Хойл в качестве пренебрежительного прозвища, однако впоследствии были получены убедительные свидетельства в пользу происхождения Вселенной в результате Большого взрыва. Эти свидетельства включают обнаружение космического реликтового излучения – остывшего когда-то горячего излучения, которое, согласно современным данным, отделилось от материи примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва.

БЭП. Большой электрон-позитронный коллайдер, предшественник Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе.

Волновая функция. Математическое описание частиц материи, таких как электроны, в качестве «материальных волн» дает уравнения, характерные для волнового движения. Такие волновые уравнения имеют волновую функцию, амплитуда и фаза которой изменяются во времени и пространстве. Волновые функции электрона в атоме водорода образуют характерные трехмерные паттерны вокруг ядра, которые называются орбиталями. Волновая механика – волновое выражение квантовой механики – была впервые объяснена Эрвином Шредингером в 1926 году.

Восьмеричный путь. Схема классификации известных на 1960 год частиц в виде двух октетов, разработанная независимо Марри Гелл-Манном и Ювалем Неэманом. В ее основе лежит глобальная симметрия SU(3) и классификация частиц в соответствии с их электрическим зарядом или общим изоспином по отношению к странности (см. рис. 10, с. 82). В конечном итоге восьмеричный путь получил объяснение в рамках кварковой модели (рис. 12, с. 95).

Гига. Приставка, означающая миллиард. Гигаэлектронвольт (ГэВ) – миллиард электронвольт, 109 эВ или 1000 МэВ.

Глубоко неупругое рассеяние. Вид рассеяния частиц при столкновении, в котором большая часть энергии ускоренной частицы (например, электрона) переходит в уничтожение частицы-мишени (например, протона). Ускоренная частица выходит из столкновения с гораздо меньшим количеством энергии, а частица-мишень рассыпается на множество разных адронов.

Глюон. Переносчик сильного цветового взаимодействия между кварками. Квантовая хромодинамика требует восемь безмассовых глюонов цветового взаимодействия, переносящих цветной заряд. Глюоны также принимают участие во взаимодействии, а не просто переносят его от одной частицы к другой. Считается, что энергия, переносимая глюонами, составляет 99 процентов массы протонов и нейтронов.

Гравитация. Сила притяжения между массой-энергией. Гравитация чрезвычайно слаба и не участвует во взаимодействиях между атомами, субатомными и элементарными частицами, которыми управляют цветовое взаимодействие, слабое ядерное и электромагнитное. Гравитация описана в Общей теории относительности.

Гравитон. Гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие, в теории квантовой гравитации. Несмотря на многочисленные попытки разработать такую теорию, до сих пор ни одна не признана успешной. Если гравитон существует, это безмассовый бозон, не имеющий заряда, со спином 2.

Группа симметрии SU(2). Специальная унитарная группа преобразований с двумя комплексными переменными. Янг Чжэньнин и Роберт Миллс установили, что на этой группе симметрии следует основывать квантовую теорию поля для сильного ядерного взаимодействия, и впоследствии она была отождествлена со слабым взаимодействием и после объединения с электромагнитной теорией поля U(1) составляет теорию поля SU(2) × U(1) для электрослабого взаимодействия.

Группа симметрии SU(3). Специальная унитарная группа преобразований с тремя комплексными переменными. Использована Марри Гелл-Манном и Ювалем Неэманом в качестве глобальной группы симметрии, на которой основан восьмеричный путь. Впоследствии использована ГеллМанном, Гаральдом Фрицшем и Генрихом Лейтвилером в качестве локальной группы симметрии, на которой основана квантовая теория поля для сильного ядерного взаимодействия (цветового) между кварками и глюонами.

Группа симметрии U(1). Унитарная группа преобразований с одной комплексной переменной, эквивалентна (научный термин «изоморфна») группе круга. Мультипликативная группа всех комплексных чисел с абсолютным значением единицы (иными словами, это единичная окружность в комплексной плоскости). Она также изоморфна SO(2) специальной ортогональной группе, которая описывает преобразования симметрии при вращении объекта в двух измерениях. В квантовой электродинамике U(1) отождествляется с фазовой симметрией волновой функции электрона (см. рис. 7, с. 49).

Дециллион. Миллион октиллионов, 1033 или единица с 33 нулями.

Закон сохранения. Физический закон, согласно которому некое поддающееся измерению свойство изолированной системы не меняется при изменениях системы во времени. Такие свойства, для которых сформулированы законы сохранения, включают энергию, импульс и момент импульса, электрический и цветной заряд, изоспин и т. д. Согласно теореме Нетер, каждый закон сохранения можно отследить до какой-либо непрерывной симметрии системы.

Значение вакуумного ожидания. В квантовой теории величины наблюдаемых количеств, например энергии, выражаются в так называемых ожидаемых (или средних) значениях квантовомеханических операторов, которые соответствуют наблюдаемым объектам. Операторы – это математические функции, которые действуют на волновые функции и изменяют их. Ожидаемое значение вакуума – это ожидаемое значение оператора в вакууме. Из-за формы потенциальной кривой энергии поля Хиггса оно имеет ненулевое значение вакуумного ожидания, которое нарушает симметрию электрослабого взаимодействия (см. рис. 13, с. 99).

Изоспин. Изотопический или изобарический спин. Введен Вернером Гейзенбергом в 1932 году для объяснения симметрии между недавно открытым нейтроном и протоном. Изоспиновая симметрия сегодня считается подклассом более общей симметрии ароматов в адронных взаимодействиях. Изоспин частицы можно рассчитать по числу составляющих ее верхних и нижних кварков (см. с. 93).

Инфляция. См. Космическая инфляция.

Истинный кварк. Также топ-кварк или t-кварк. Кварк третьего поколения с зарядом +2/3, спином 1/2 (фермион) и массой 172 ГэВ. Открыт в Фермилабе в 1995 году.

Калибровочная симметрия. Термин, изобретенный немецким математиком Германом Вейлем. Применительно к теории квантовых полей выбирается «калибровка», уравнения которой инвариантны – то есть ее произвольные изменения не влияют на ожидаемые результаты. Калибровочная симметрия связана с законами сохранения (см. Законы сохранения и Теорема Нетер), и таким образом правильный выбор калибровочной симметрии помогает сформулировать теорию поля, в которой соблюдается сохранение изучаемого свойства.