marți , 11 decembrie 2018
roen

Art. 05 – Vol.26 – Nr. 2 – 2016

BOSONUL HIGGS ŞI ORIGINEA MASEI

Roman Chirilă
roman.chirila@ici.ro

Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare în Informatică – ICI Bucureşti

Rezumat: Particula neîncărcată numită bosonul Higgs, cu spin zero, reprezintă cuanta câmpului scalar f numit câmpul Higgs, aşa cum fotonul este cuanta câmpului electromagnetic. Se presupune că acest câmp Higgs acţionează ca un mediu continuu, de fond, chiar şi pe distanţe scurte. El pare să joace un rol fundamental, de vreme ce reprezintă cheia explicării originii masei pentru alte particule elementare. Interacţia dintre câmpul Higgs f cu alte câmpuri conferă masă particulelor elementare. Acest mecanism cuantic de creare a masei se numeşte mecanism Higgs. Înţelegerea acestui mecanism Higgs se bazează pe „ruperea spontană de simetrie” şi „teoria de etalonare”. Mecanismul Higgs, descoperit întâi de Peter Higgs, a fost folosit pentru conferirea masei bosonilor vectoriali de etalonare din cadrul interacţiilor slabe. Introducerea câmpului Higgs scalar, complex, în Lagrangian, cu valoarea expectată a vacuumului diferită de zero transformă bosonii vectoriali iniţiali fără masă în bosoni masivi, în timp ce una dintre cele două componente ale câmpului Higgs dispare.

În lucrarea de faţă vom discuta mecanismul Higgs, folosind modelul unidimensional şi apoi cel bidimensional. Mecanismul Higgs este descris în general ca un caz de rupere spontană a simetriei. Prin urmare, noţiunea de rupere spontană a simetriei va constitui  elementul de bază  al lucrării de faţă. De asemenea, în lucrare sunt discutate  mecanismul Higgs şi rolul său în cadrul Modelului Standard.

Cuvinte cheie: Modelul Standard, mecanismul Higgs, câmpul Higgs, bosonul Goldstone, ruperea spontană de simetrie

Introducere

Bosonul Higgs, numit aşa după fizicianul scoţian Peter Higgs, este o particulă elementară ipotetică din familia bosonilor, despre care se crede că face parte din mecanismul care conferă masă celorlalte particule elementare. Căutarea unei dovezi a existenţei sale a început în anii 1960. În 2011, particula era căutată cu ajutorul acceleratoarelor de particule, în special cu acceleratorul LHC de lângă Geneva, Elveția. Peter Higgs şi Francois Englert au primit Premiul Nobel pentru fizică, după identificarea şi descoperirea bosonului Higgs, care explică formarea Universului. Cei doi au fost premiaţi în anul 2013, în timp ce Robert Brout, din păcate, murise în 2011.

Această particulă descoperită are o masă de 125 GeV, cu 1 GeV mai mult decât masa protonului. Experimentele pentru a o descoperi au fost făcute la LHC din Geneva şi au fost susţinute de o descoperire recentă din Statele Unite ale Americii, de la Fermilab.

Concluzii

În concluzie, trebuie precizat faptul că mecanismul Higgs conferă masă doar particulelor elementare. Dintre cele 17 particule elementare existente (incluzând şi bosonul Higgs), doar un număr de 12 particule elementare capătă masă prin mecanismul Higgs, descris în materialul de mai sus: vorbim despre 6 quarci udcst, b, cei 3 leptoni eμτ, cei 2 bosoni de etalonare  ZW, şi bosonul Higgs, H. Este posibil ca şi particulele neutrino să obţină masă tot prin mecanismul Higgs, dar acest lucru încă nu este sigur [6]. Cu toate acestea, există multe alte particule subatomice  formate prin compunea altor particule elementare. De pildă, protonul este alcătuit din doi quarci u şi un quarc d. Cu toate acestea, masa protonului este de 940 MeV, cu mult mai mare decât suma maselor celor 3 quarci din care este compus şi care este în jur de 9, 4 MeV, adică doar 1 % din masa totală a protonului. Această discrepanţă uriaşă se explică prin relaţia de echivalenţă dintre masă şi energie, E = m c2. Prin urmare, diferenţa de masă a protonului provine din energia înmagazinată în interiorul său. Pe de o parte, quarcii au o energie cinetică folosită pentru mişcarea lor în interiorul protonului, iar, pe de altă parte, există o energie de interacţie între cei trei quarci care alcătuiesc protonul. Deci, energia cinetică plus energia de legătură a quarcilor formează masa totală a protonului.

Cercetările efectuate pe subiectul bosonului Higgs au scos în evidenţă şi alte aspecte interesante [16]:

Confirmarea proiectului LHC: desigur, bosonul Higgs dovedeşte faptul că investiţia în LHC nu a fost zadarnică. Acesta e cel mai mare accelerator de particule din lume, iar costul total s-a ridicat la 10 miliarde de dolari. CERN l-a creat special pentru a cerceta cele mai mari energii care pot fi reproduse pe Pământ, bosonul Higgs constituind un veritabil Sfânt Graal al fizicii particulelor elementare. Descoperirea este importantă şi pentru Peter Higgs şi colegii săi care au venit, în 1964, cu teoria mecanismului Higgs. Descoperirea bosonului Higgs vine să confirme, în esenţă, modelul teoretic existent.

Forţa electroslabă: existenţa bosonului Higgs explică modul cum pot fi unite două forţe fundamentale, interacţiunea electromagnetică şi interacţiunea nucleară slabă. Prima este responsabilă de interacţiunea dintre particulele încărcate electric, iar cea de-a doua produce majoritatea proceselor de dezintegrare radioactivă. Iar fiecărei forţe din natură îi corespunde o particulă. Particula asociată electromagnetismului este fotonul, o particulă fără masă, iar cu interacţiunea slabă sunt asociaţi bosonii W şi Z, particule masive. Mecanismul Higgs este responsabil de aceste diferenţe de masă între particule.

Vizualizează articolul complet

Supersimetria: supersimetria este o teorie pe care existenţa bosonului Higgs o certifică. Aceasta porneşte de la premisa că fiecărei particule îi corespunde o altă particulă “superpartener”, dar cu caracteristici uşor diferite. Supersimetria propune şi o particulă alternativă celor care compun materia neagră.

Originea masei particulelor: bosonul Higgs este considerat cheia rezolvării misterului legat de originea masei particulelor şi este asociat cu un câmp, denumit câmpul Higgs. Pe măsură ce particulele parcurg acest câmp, ele capătă masă, prin intermediul mecanismului Higgs. Acest mecanism este cel care ne permite să înţelegem cu adevărat maniera concretă prin care particulele ajung să aibă masă. Mai mult decât atât, descoperirea bosonului Higgs ne permite să înţelegem pe de o parte modul în care apare masa la nivel cuantic, iar pe de altă parte de ce particulele acestea elementare au masa lor specifică şi nu alta.

Oamenii de ştiinţă consideră că în prima miliardime de secundă de după Big Bang, universul era o „supă” fierbinte alcătuită din particule elementare, lipsite de masă, care se mişcau cu viteza luminii. Tocmai interacţiunea dintre aceste particule şi câmpul creat de bosonul Higgs le-a conferit masă acestor particule elementare [17], [18], [19], [20].

Potrivit cercetătorilor, toată materia observabilă reprezintă numai 4% din Univers, restul fiind compus din misterioasa materie neagră şi energie întunecată. Fizicienii speră să studieze bosonul Higgs tocmai pentru a putea înţelege cele 96 de procente din Univers care, momentan, reprezintă o enigmă pentru fizicieni. Pentru acest lucru, cercetătorii vor studia modul în care bosonul Higgs se dezintegrează – sau se transformă – în alte particule, mai stabile, după ce este produs în urma coliziunilor din LHC. Unii fizicieni se întreabă dacă bosonul Higgs ar putea juca vreun rol la fel de important în generarea materiei negre şi a materiei barionice din universul timpuriu şi dacă acesta ar putea fi cauza presupusei asimetrii barionice observată în cazul particulelor de materie şi antimaterie. Altfel spus, unii cercetători încearcă să vadă dacă bosonul Higgs poate furniza vreo explicaţie legată de originea materiei întunecate şi a asimetriei dintre materie şi antimaterie.

Bibliografie

  1. Englert, François; Brout, Robert, Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons, Physical Review Letters 13 (9): 321–23 (1964). Bibcode:.13..321E. doi:10.1103/PhysRevLett.13.321;
  2. Higgs, Peter, Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons, Physical Review Letters13 (16): 508–509 (1964). Bibcode:
  3. .13..508H. doi:10.1103/PhysRevLett.13.508;
  4. Guralnik, Gerald; Hagen, C. R.; Kibble, T. W. B., Global Conservation Laws and Massless Particles, Physical Review Letters 13 (20): 585–587 (1964). Bibcode:.13..585G. doi:10.1103/PhysRevLett.13.585;
  5. Ivo van Vulpen,Ivan Angelozzi, The Standard Model Higgs Boson (Part of the Lecture Particle Physics II, UvA Particle Physics Master 2013-2014): https://www.nikhef.nl/~ivov/HiggsLectureNote.pdf;
  6. Mircea Penţia, IFIN – HH, Premiul Nobel pentru fizică pe anul 2013 – Mecanismul Higgs: https://www.nipne.ro/research/highlights/docs/PM_Higgs_mechanism.pdf
  7. https://www.quora.com/What-is-the-Higgs-Mechanism
  8. http://www.physics.wayne.edu/~ablechman/main/Research_files/higgs.pdf
  9. Marco Aurelio Diaz, Physics of Higgs Bosons, 2012 http://www.hep.wisc.edu/~sheaff/PASI2012/lectures/Higgs.pdf;
  10. Guralnik, Gerald; Hagen, C. R.; Kibble, T. W. B., Broken Symmetries and the Goldstone Theorem;
  11. http://www.physics.princeton.edu/~mcdonald/examples/EP/guralnik_ap_2_567_67.pdf
  12. Erick Weinberg, Quantum Field Theory III, 2011
  13. http://phys.columbia.edu/~cyr/notes/QFT_3/lecture6.pdf
  14. Dorin N. Poenaru, Proca Equations of a Massive Vector Boson Field http://www.theory.nipne.ro/~poenaru/PROCA/proca_rila06.pdf
  15. Dorin N. Poenaru, Alexandru Proca (1897–1955), The Great Physicist http://arxiv.org/pdf/physics/0508195.pdf
  16. David Griffiths, Introduction to Elementary Particles Physics, 2nd Revised Edition, ISBN: 978-3-527-40601-2, Wiley, 2008;
  17. John David Jackson, Classical Electrodynamics, 3rd Edition, ISBN: 978-0-471-30932-1, Wiley, 1999;
  18. http://sbhepnt.physics.sunysb.edu/~rijssenbeek/PHY557_F08_L10.pdf ;Part III The Field Theories/2008;
  19. http://nicolaesq.blogspot.ro/2013/11/descoperiri-in-domeniul-fizicii-o.html
  20. Diego Bettoni, Elementary Particle Physics. Strong Interaction Fenomenology, 2012 http://www.fe.infn.it/~bettoni/particelle/Strong/HiggsMechanism.pdf
  21. Maxime Gabella, Non-Abelian Gauge Theories with Spontaneous Symmetry Breaking : Higgs Mechanism, 2006 http://wwwhome.lorentz.leidenuniv.nl/~achucar/ Gabella_Higgs_monopoles.pdfâ
  22. Laura Reina, Higgs Boson Physics, Part I, 2004
  23. http://www.hep.fsu.edu/~reina/talks/tasi04_1.pdf
  24. Mauro S. D. Cattani, J.M.F.Bassalo, Higgs Field, Higgs Mechanism and the Boson of Higgs, 2012; http://publica-sbi.if.usp.br/PDFs/pd1670.pdf

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.