Бозон Хіггса: передбачення, пошук, відкриття

Нобелівську премію в галузі фізики за 2013 рік присуджено двом відомим європейським фізикам-теоретикам — бельгійцю Франсуа Енглеру та британцю Пітеру Хіггсу «за теоретичне відкриття механізму, що сприяє нашому розумінню походження мас субатомних частинок і який нещодавно було підтв...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Вісник НАН України
Date:	2014
Main Authors:	Горбар, Е.В., Гусинін, В.П.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2014
Subjects:	Статті та огляди
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69184
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Бозон Хіггса: передбачення, пошук, відкриття / Е.В. Горбар, В.П. Гусинін // Вісн. НАН України. — 2014. — № 3. — С. 31-41. — Бібліогр.: 19 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860104979821363200
author	Горбар, Е.В. Гусинін, В.П.
author_facet	Горбар, Е.В. Гусинін, В.П.
citation_txt	Бозон Хіггса: передбачення, пошук, відкриття / Е.В. Горбар, В.П. Гусинін // Вісн. НАН України. — 2014. — № 3. — С. 31-41. — Бібліогр.: 19 назв. — укр.
collection	DSpace DC
container_title	Вісник НАН України
description	Нобелівську премію в галузі фізики за 2013 рік присуджено двом відомим європейським фізикам-теоретикам — бельгійцю Франсуа Енглеру та британцю Пітеру Хіггсу «за теоретичне відкриття механізму, що сприяє нашому розумінню походження мас субатомних частинок і який нещодавно було підтверджено відкриттям передбачуваної фундаментальної частинки в експериментах ATLAS і CMS на Великому адронному колайдері». Нобелевская премия в области физики за 2013 год присуждена двум известным европейским физикам-теоретикам — бельгийцу Франсуа Энглеру и британцу Питеру Хиггсу «за теоретическое обнаружение механизма, способствующего нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и подтвержденного недавно обнаружением предсказанной элементарной частицы в экспериментах ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН». The 2013 Nobel Prize in Physics was awarded jointly to well-known European physicists — Belgian François Englert and British Peter W. Higgs “for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN’s Large Hadron Collider”.
first_indexed	2025-12-07T17:31:07Z
format	Article
fulltext	ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 31 ГОРБАР Едуард Володимирович — доктор фізико-математичних наук, професор кафедри квантової теорії поля Київського національного університету імені Тараса Шевченка ГУСИНІН Валерій Павлович — член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач відділу астрофізики та елементарних частинок Інституту теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України, vgusynin@bitp.kiev.ua БОЗОН ХІГГСА: ПЕРЕДБАЧЕННЯ, ПОШУК, ВІДКРИТТЯ Нобелівську премію в галузі фізики за 2013 рік присуджено двом відомим європейським фізикам-теоретикам — бельгійцю Франсуа Енглеру та бри- танцю Пітеру Хіггсу «за теоретичне відкриття механізму, що сприяє на- шому розумінню походження мас субатомних частинок і який нещодавно було підтверджено відкриттям передбачуваної фундаментальної частин- ки в експериментах ATLAS і CMS на Великому адронному колайдері». Ключові слова: Нобелівська премія, бозон Хіггса, Великий адронний колайдер. Нобелівська премія з фізики — 2013 8 жовтня 2013 р. у Стокгольмі було оголошено імена лауреа- тів Нобелівської премії з фізики. Ними стали два фізики-тео- ретики — бельгієць Франсуа Енглер (François Englert) і брита- нець Пітер Хіггс (Peter Ware Higgs). Формулювання Нобелів- ського комітету зачитав постійний секретар Шведської коро- лівської академії наук Стефан Нормарк (Staffan Normark) — «за теоретичне відкриття механізму, що сприяє нашому розумінню походження мас субатомних частинок і який нещодавно було підтверджено відкриттям передбачуваної фундаментальної частинки в експериментах ATLAS і CMS на Великому адронно- му колайдері», а у традиційному коментарі щодо рішення Комі- тету професор теоретичної фізики Гуннар Інгельман (Gunnar Ingelman) заявив: «Це не просто тріумф професорів Енглера і Хіггса, це тріумф фізики елементарних частинок і взагалі всієї теоретичної фізики». Статтю Франсуа Енглера і Роберта Браута (Robert Brout) — першу з теоретичних робіт, за які присуджено цю Нобелів- ську премію, — було опубліковано 31 серпня 1964 р. в журна- лі Physical Review Letters. У той самий день до редакції цього журналу надійшла стаття Пітера Хіггса, яка побачила світ 19 жовтня 1964 р. А майже через місяць, 16 листопада 1964 р., у Physical Review Letters вийшла стаття трьох авторів — Джеральда Гуральника (Gerald S. Guralnik), Карла Хагена СТАТТІ СТАТТІ ТА ОГЛЯДИТА ОГЛЯДИ НОБЕЛІАНА-2013 УДК 539.1.01 32 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Пітер Хіггс (Peter Higgs) Франсуа Енглер (François Englert) (Carl R. Hagen) і Тома Кіббла (Tom W.B. Kib- ble), які досліджували той самий механізм ге- нерації мас частинок, що і в перших двох ро- ботах. Роберт Браут, на жаль, пішов з життя у травні 2011 р. Правила Нобелівського фонду забороняють присуджувати премію більш ніж трьом особам, тому Дж. Гуральника, К. Хагена і Т. Кіббла не було відзначено Нобелівською премією. І це не поодинокий випадок. Свого часу через це правило постраждали такі все- світньо відомі фізики-теоретики, як Фрімен Дайсон, Микола Боголюбов. Маса — одна з основних характеристик ма- терії, і питання, що таке маса, як вона з’яв- ляється, є фундаментальними проблемами фі- зики. У ньютонівській механіці маса є мірою інерції тіл, а також мірою гравітаційної взаємо- дії. У спеціальній теорії відносності знаменита формула Ейнштейна пов’язує енергію і масу, а принцип еквівалентності інерційної і гравіта- ційної мас був ключовим для створення за- гальної теорії відносності. У сучасній фізиці маса всіх тіл зумовлена масами їх складових частин і, в кінцевому підсумку, масами фунда- ментальних цеглин матерії — кварків і лепто- нів. У рамках Стандартної моделі (СМ) ці еле- ментарні частинки набувають маси завдяки взаємодії зі скалярним полем — полем Хіггса. Отже, в сучасній фізиці маса повністю зумов- лена взаємодією. Механізм генерації мас частинок завдяки взаємодії зі скалярним полем, який було за- пропоновано у зазначених вище роботах і який нині називають механізмом Браута—Енглера— Хіггса—Гуральника—Хагена—Кіббла (або ско- рочено — механізмом Хіггса), покладено в ос- нову теорії електрослабкої взаємодії. За ство- рення цієї теорії Шелдона Глешоу (Sheldon Lee Glashow), Стівена Вайнберга (Steven Wein- berg) і Абдуса Салама (Abdus Salam) було удо- стоєно Нобелівської премії за 1979 р. Внаслі- док хіггсівського механізму спонтанного пору- шення електрослабкої симетрії з необхідністю виникає масивна елементарна частинка — квант поля Хіггса, або бозон Хіггса. І для оста- точного підтвердження Стандартної моделі його потрібно було знайти. Ф. Енглер і П. Хіггс під час оголошення про відкриття бозона Хіггса. Мельбурн. 4 липня 2012 р. ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 33 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Про відкриття частинки, схожої на бозон Хіггса, колаборації ATLAS і CMS в лаборато- рії ЦЕРН повідомили 4 липня 2012 р. на кон- ференції в Мельбурні. Після того, як у берез- ні 2013 р. фізики, що працюють на Великому адронному колайдері (ВАК), оприлюднили нові дані, які однозначно свідчили про нульо- вий спін і позитивну парність спостереженої частинки, стало остаточно ясно, що вона і є бозоном Хіггса. Без сумніву, це було найвизна- чнішим відкриттям у фізиці елементарних час- тинок за кілька останніх десятиліть. До речі, П. Хіггс і Ф. Енглер уперше зустрілися один з одним на вищезгаданій конференції, а згодом під час інтерв’ю Пітер Хіггс висловився так: «Дивовижно, що ця подія сталася ще за мого життя». Who is who? Британський фізик-теоретик Пітер Хіггс наро- дився 29 травня 1929 р. в місті Ньюкасл-апон- Тайн в Англії. У 1947 р. закінчив Королівський коледж у Лондоні і здобув там у 1955 р. ступінь PhD з фізики. Працював в Единбурзькому уні- верситеті, Імперському коледжі Лондона, Уні- верситетському коледжі Лондона, а з 1960 р. повернувся в Единбурзький університет, де тепер він є професором у відставці (emeritus). П. Хіггс — член Королівського товариства Единбурга і Лондонського королівського то- вариства, брав участь у русі за ядерне роззбро- єння, однак припинив цю діяльність, коли ак- тивісти руху виступили за відмову від атомної енергетики. Цікаво, що у 2004 р. Пітер Хіггс відмовився летіти до Єрусалима для вручення йому премії Вольфа, тому що не погоджувався з політикою Ізраїлю на Близькому Сході. Як згадує сам П. Хіггс, ідея про спосіб гене- рації маси калібрувальних полів спала йому на думку під час прогулянки в горах у районі Единбурга, і, повернувшись до лабораторії, він заявив, що у нього виникла «грандіозна ідея». Бельгійський фізик-теоретик Франсуа Ен- глер народився 6 листопада 1932 р. в Еттер- беке (район Брюсселя). Закінчив франкомов- ний Брюссельський вільний університет за спеціальністю «інженер-електромеханік», де у 1959 р. здобув ступінь PhD з фізики. До 1961 р. працював у Корнельському університеті разом з відомим фізиком-теоретиком Робертом Бра- утом. Згодом Ф. Енглер повернувся до Брюс- сельського університету, обійнявши професор- ську посаду, а з 1998 р. він почесний професор. У липні 2013 р. король Бельгії Альберт II на- дав йому баронський титул. Ще до Нобелівської премії Р. Браут, Ф. Ен- глер і П. Хіггс здобули низку престижних між- народних нагород за розроблення механізму генерації маси калібрувальних векторних бо- зонів: премію Європейського фізичного това- риства (1997), премію Вольфа з фізики (2004), разом із Дж. Гуральником, К. Хагеном і Т. Кіб- блом — премію Сакураї в галузі фізики еле- ментарних частинок (2010). Крім того, Пітер Хіггс є лауреатом медалі Дірака — однієї з най- престижніших нагород з теоретичної фізики Інституту фізики в Лондоні — і разом з Т. Кіб- блом — медалі й премії Резерфорда (1984). Локальна калібрувальна симетрія і спонтанне порушення симетрії Сучасна теорія елементарних частинок, так зва- на Стандартна модель, описує всі взаємодії елементарних частинок, крім гравітаційної. Вона ґрунтується на двох основоположних принци- пах: локальній калібрувальній симетрії і спон- танному порушенні симетрії (СПС). Поняття калібрувальної інваріантності виникло ще в класичній теорії Максвелла. Якщо напруже- ності електричного поля і магнітної індукції записати через векторний і скалярний потен- ціали Е =–∇φ – ∂А/с∂t, B = rot A (c — швидкість світла), то вони залишаються незмінними від- носно перетворень, які здійснюються над по- тенціалами A → A + ∇α, φ → φ – ∂α/c∂t, де α — довільна функція від просторових змінних і часу. У класичній фізиці використання потен- ціалів — це питання зручності, але у квантовій фізиці вони є необхідними для опису взаємодії заряджених полів матерії з електромагнітним полем. При цьому при калібрувальних пере- твореннях поля матерії перетворюються як 34 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ локальна зміна фази ψ → еіα(x,t)ψ. Квантова електродинаміка, яка в сучасній формі була сформульована Германом Вейлем, Вернером Гейзенбергом і Вольфгангом Паулі у 1929 р., є інваріантною відносно цих калібрувальних пе- ретворень, що належать до групи U(1). Важли- вим наслідком калібрувальної інваріантності є відсутність маси у фотона, тому що масовий доданок неминуче її порушує. У 1954 р. Чж. Янг і Р. Міллс узагальнили ка- лібрувальну інваріантність на випадок полів, що перетворюються згідно з неабелевою гру- пою SU(2) [1]. Це виявилося видатним досяг- ненням, оскільки опис взаємодії частинок за допомогою калібрувального векторного поля згодом став основним принципом побудови теорії елементарних частинок. Поля Янга— Міллса покладено в основу Стандартної моде- лі елементарних частинок, яка має групу ло- кальної симетрії SU(3) × SU(2) × U(1) і, відпо- відно, 12 калібрувальних полів — 8 глюонів, які відповідають за сильну взаємодію, W±- і Z-бозони, що переносять слабку взаємодію, і фотон. При локальних фазових перетвореннях перетворюються як поля матерії, так і поля Янга—Міллса, причому таким чином, що змі- ни в рівняннях за рахунок них компенсують, тобто «калібрують», один одного. Вимога калі- брувальної інваріантності виявилася несподі- вано зручним способом увести в теорію як електромагнітне поле, так і нові векторні поля Янга—Міллса 1. Проте з самого початку було очевидно, що внаслідок калібрувальної симе- трії поля Янга—Міллса мають бути безмасови- ми, як і фотон. Питання про масу калібруваль- них полів було основним запитанням, яке на семінарі в Принстоні в лютому 1953 р. В. Паулі поставив Чж. Янгу і на яке той так і не зміг від- повісти. Сам В. Паулі отримав рівняння для калібрувальних полів улітку 1953 р., але не опублікував свої результати, оскільки також 1 Зауважимо, що, як з’ясувалося, загальна теорія від- носності є калібрувальною теорією гравітаційної вза- ємодії [2]. Проте й дотепер незрозуміло, як її про- квантувати, і, крім того, простором, в якому ми ви- конуємо групові перетворення, є наш чотиривимір- ний простір-час, а не внутрішній простір полів. не знав відповіді щодо маси цих полів. Про до- слідження В. Паулі стало відомо значно пізні- ше, коли було опубліковано його листування з відомим американським фізиком голландсько- го походження Абрахамом Пайсом, де Паулі дає детальний опис своїх результатів 2. Про- блема маси полів Янга—Міллса була основною перешкодою для їх застосування у фізиці еле- ментарних частинок, тому що відповідні без- масові частинки експериментально не спосте- рігалися. Паралельно розвивалися ідеї СПС. Ще в 1937 р. Лев Ландау створив теорію фазових пе- реходів II роду у фізиці конденсованих середо- вищ [4], де головну роль відіграють параметри порядку (ПП) і зміна симетрії системи при фа- зових переходах. На основі цієї теорії в 1950 р. він разом з Віталієм Гінзбургом запропонував напівфеноменологічну теорію надпровідності [5], яку й дотепер використовують для пояс- нення експериментальних даних 3. Основним інгредієнтом цієї теорії було використання по- тенціальної енергії як функції комплексного параметра порядку Φ, яка за температури ниж- че критичної має форму сомбреро (рис. 1). Як випливає з форми потенціальної енергії, симе- тричний стан зі значенням Φ = 0 не є станом системи з найменшою енергією. Енергетично вигідний стан системи реалізується для пара- метра порядку, відмінного від нуля, Φ ≠ 0, і оче- видно існує більше ніж один такий стан (точні- ше, континуум таких станів), тобто має місце виродження основного стану. Вибір будь-якого конкретного стану з Φ ≠ 0 еквівалентний спон- танному порушенню симетрії системи віднос- но обертань навколо вертикальної осі (або від- носно зміни фази перетворень ПП). При квантуванні системи енергія моди збу- джень уздовж дна потенціальної ями прямує до нуля зі зростанням довжини хвилі (згодом з’ясувалося, що ця мода є не що інше, як без- масове намбу-голдстоунівське збудження, про 2 Історію про відкриття В. Паулі калібрувальних полів і доповідь Чж. Янга на семінарі в Принстоні надзви- чайно цікаво описано у книзі [3]. 3 За створення цієї теорії В. Гінзбургу було присудже- но Нобелівську премію 2003 року. ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 35 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ що див. далі). За наявності електромагнітного поля ця мода об’єднується з безмасовими фо- тонами, зумовлюючи скінченну масу остан- ніх у надпровіднику, що є причиною ефекту Мейснера — виштовхування магнітного поля з надпровідника. Фактично, як стало зрозумі- ло пізніше, ефект Мейснера в надпровіднику являє собою аналог механізму Хіггса у фізи- ці частинок. Більше того, радіальна мода збу- дження ПП є масивною, а отже, і повним ана- логом бозона Хіггса! Її було експериментально відкрито у 1980 р. в раманівському розсіянні в надпровіднику NbSe2 [6] за температури, мен- шої за критичну, T < Tc = 7,2 K, а теоретичне пояснення цієї моди наведено в роботі [7]. Ґрунтуючись на мікроскопічній теорії над- провідності, яку в 1957 р. створили Джон Бар- дін, Леон Купер, Джон Шріффер і Микола Боголюбов, американський фізик японського походження Йоширо Намбу (Yoichiro Nambu) запропонував модель, у якій маса ферміонів виникає в результаті спонтанного порушення кіральної симетрії, що має місце для безмасо- вих ферміонів [8]. Важливо також, що він пе- редбачив існування безмасових псевдоскаляр- них частинок унаслідок такого СПС. Невдовзі після робіт Й. Намбу американ- ський теоретик Джефрі Голдстоун вказав на альтернативну і простішу в технічному плані можливість СПС за допомогою елементарного скалярного поля. Він розглянув у теорії поля просту релятивістську модель [9] самовзає- модіючого комплексного скалярного поля з від’ємним квадратом маси, що зумовлює по- тенціальну енергію взаємодії на зразок наве- деної на рис. 1. Лагранжіан моделі, запропоно- ваної Дж. Голдстоуном, є настільки простим, що доречно навести його у явному вигляді: L = = ⎪∂μΦ⎪2 – V(Φ), де перший доданок відповідає кінетичній енергії поля, а потенціальна енергія V(Φ) = –m2Φ∗Φ + λ(Φ∗Φ)2. Цей лагранжіан є інваріантним відносно фазових перетворень поля Φ з постійною фазою Φ → еіα Φ. Стан з найменшою енергією спонтанно порушує цю симетрію і визначає появу збуджень, які відпо- відають руху вздовж мінімумів потенціальної енергії. Таку ситуацію яскраво ілюструє рис. 2. Рис. 1. Потенціальна енергія як функція комплексно- го параметра порядку Рис. 2. Хоча поні Ніколя любить симетрію, для того щоб з’їсти морквину, він мусить порушити симетрію (а). Проте у трьох вимірах (б) існує долина, де Ніколя може рухатися від однієї морквини до іншої, не докла- даючи зусиль (Ніколя любить теорему Голдстоуна!) а б 36 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Енергія цих збуджень — суто кінетична, що в релятивістській квантовій теорії поля означає відсутність маси спокою. Невдовзі у релятивістській квантовій теорії поля було доведено загальну теорему, що при спонтанному порушенні неперервної симетрії у спектрі збуджень з необхідністю виникають безмасові частинки з нульовим спіном і зако- ном дисперсії E = c\| q � \| (E — енергія, q � — хви- льовий вектор) [10], які називають голдсто- унівськими (або намбу-голдстоунівськими) бозонами. У статистичній фізиці існування збуджень з дисперсійним законом E(q) → 0, q → 0 при спонтанному порушенні неперерв- них симетрій було строго доведено М. Боголю- бовим (теорема про 1/q2-сингулярності). Взаємодія голдстоунівських бозонів між со- бою у випадку неабелевих груп симетрій та з іншими частинками підпорядковується цілком визначеним законам. У середині 60-х років Стівен Вайнберг і Дмитро Волков для кіраль- них симетрій побудували відповідні моделі, які добре описують взаємодію псевдоскаляр- них мезонів за низьких енергій. Винятково важ ливим виявилося питання, чи можуть голд- стоунівські частинки мати напівцілий спін, тобто бути ферміонами. Пошук відповіді на це питання привів Д. Волкова і В. Акулова до від- криття нової симетрії, перетворення якої змі- шують бозони й ферміони і яка дістала назву суперсиметрії [11]. Отже, на початку 60-х років склалася ситу- ація, коли в теорії з’явилися безмасові частин- ки, які не існують у природі, але є наслідком або принципу локальної калібрувальної симе- трії, або спонтанного порушення неперервної симетрії. Незважаючи на наявність достатньо успішних феноменологічних моделей (на- приклад, модель Сакураї) застосування полів Янга—Міллса з безпосереднім включенням маси до лагранжіана для опису масивних силь- новзаємодіючих векторних мезонів, з погляду теорії вони виявилися незадовільними, тому що є неперенормованими, а отже, в них не- можливо контролювати поправки, які обчис- люються за теорією збурень. Юліан Швінгер, Нобелівський лауреат 1965 р. за створення сучасної квантової електродинаміки, був пер- шим, хто спростував твердження, що локальна калібрувальна симетрія несумісна зі скінчен- ною масою у калібрувальних полів [12]. Він вказав механізм, коли завдяки сильній взаємо- дії можуть виникати безмасові частинки, яким відповідає полюс у поляризаційному операто- рі і, як наслідок, поява маси калібрувальних полів без порушення локальної калібруваль- ної симетрії. Ю. Швінгер запропонував також «іграшкову» модель квантової електродинамі- ки у двовимірному просторі-часі з безмасови- ми ферміонами, де цей механізм реалізується явним чином. Фактично, як стало зрозуміло пізніше, механізм Швінгера генерації мас ка- лібрувальних полів є динамічним механізмом Хіггса, коли скалярні поля не вводяться явно, а виникають як зв’язані стани ферміонів, але про це йтиметься далі. У 1963 р. Філіп Андерсон, також Нобелів- ський лауреат, використовуючи формулюван- ня теорії надпровідності у формі Намбу, довів, що кванти електромагнітного поля в надпро- віднику отримують масу, пропорційну плаз- монній частоті [13]. Це був приклад нереля- тивістської теорії з СПС і калібрувальними (у цьому випадку електромагнітними) полями, де безмасові частинки відсутні, а векторні — на- бувають маси. Ф. Андерсон прямо вказує, що отримання фотоном маси й ефект Мейснера є фізичною реалізацією механізму Швінгера. Більш того, він дійшов висновку, що пробле- ма нульової маси у голдстоунівських части- нок не є серйозною, оскільки вони ймовірно об’єднуються з безмасовими частинками полів Янга—Міллса, зумовлюючи масу останніх. Це видатне передбачення не привернуло належ- ної уваги фізиків, оскільки нічого конкретного в цьому аспекті стаття Андерсона не містила. Фактично реалізацію механізму Швінгера ге- нерації маси полів Янга—Міллса без уведення елементарних скалярних полів було здійсне- но в роботі тоді ще юних радянських фізиків- теоретиків Олександра Мігдала і Олександра Полякова [14]. У своїх спогадах О. Поляков пише, що результат вони отримали на початку 1965 р., дещо пізніше за роботи Браута, Енгле- ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 37 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ ра, Хіггса, про які вони не знали. Проте їхні до- слідження, представлені на кількох семінарах, зустріли спротив з боку досвідчених колег і ре- цензентів спеціалізованих журналів. Механізм Хіггса і Стандартна модель елементарних частинок Ми підійшли до моменту, коли до боротьби за розв’язання проблеми безмасових частинок долучилися нобелівські лауреати 2013 р. Спо- чатку було опубліковано роботу Ф. Енглера і Р. Браута [15], а за місяць — статтю П. Хіггса [16]. Фактично Енглер і Браут досліджували механізм Швінгера в абелевій калібрувальній теорії з комплексним скалярним полем, тобто у скалярній електродинаміці. Форма потенці- альної функції не конкретизувалася, натомість було зроблено припущення, що потенціал є та- ким, що його мінімальне значення досягається за ненульового значення скалярного поля, яке порушує U(1)-симетрію. Прямим обчислен- ням було продемонстровано, що в цьому ви- падку в поляризаційному операторі за рахунок безмасових голдстоунівських бозонів виникає полюс, що свідчить про масу калібрувального поля. Фізично це означає, що два ступені сво- боди (поляризації) безмасового векторного поля об’єднуються з безмасовим голдстоунів- ським бозоном і породжують масивне вектор- не поле. П. Хіггс дійшов до свого розв’язку, шукаю- чи спосіб обійти теорему Голдстоуна. У своїй першій роботі [17] він звернув увагу, що в ка- лібрувальних теоріях може не виконуватися одна з умов теореми Голдстоуна (лоренцева ін- варіантність), а саме: можливий вибір такої ка- лібровки, яка порушує явно цю інваріантність. У другій роботі [16] він досліджував таку саму модель, що й Ф. Енглер і Р. Браут, яку згодом назвали моделлю Хіггса. П. Хіггс отримав той самий результат, що векторні калібрувальні бо- зони в цій моделі стають масивними внаслідок поглинання голдстоунівських бозонів. Спо- чатку він надіслав статтю до журналу Physical Letters, але рецензенти відхилили її на підставі того, що вона не має стосунку до фізики час- тинок. Як згадує сам П. Хіггс [18], він був цим шокований і не розумів, чому стаття, де лише вказано на можливість обійти теорему Голд- стоуна [17], приймається до друку, а стаття, в якій явно наведено спосіб, як це зробити, від- хиляється. П. Хіггс додав невеликий параграф, описавши деякі характерні особливості СПС у калібрувальних теоріях, і надіслав рукопис до іншого журналу [16]. Конкретно він заува- жив, що після того, як голдстоунівська мода перетворюється на поздовжню компоненту векторного поля, роблячи його масивним, за- лишається радіальна мода збудження скаляр- ного поля (рис. 1), яка у квантовому випадку стає масивною скалярною частинкою. Саме ці частинки з легкої руки американського фізика Бенджаміна Лі почали називати хіггсівськи- ми бозонами. Насправді, як уже зазначалося, такі частинки наявні також у теоріях СПС, де калібрувальна взаємодія відсутня. Їх експери- ментальне спостереження підтверджує теорію електрослабких взаємодій, де в основу покла- дено механізм спонтанного порушення калі- брувальних симетрій. У 1967 р. Стівен Вайнберг запропонував теорію електрослабких взаємодій [19], яка ґрунтується на калібрувальній групі симет рій SU(2)L × U(1) і використовує механізм Брау- та—Енглера—Хіггса—Кіббла для генерації мас W+-, W-- і Z0-бозонів, що відповідають за слаб- ку взаємодію, залишаючи фотон безмасовим. Структура цієї теорії є такою, що ферміони різної кіральності (лівої і правої) належать до різних представлень групи SU(2)L — дублети з лівою кіральністю (звідси індекс L у SU(2)L) і синглети з правою кіральністю, внаслідок чого неможливо написати масові доданки для фер- міонів безпосередньо в лагранжіані. С. Вайн- берг показав, що внаслідок взаємодії ферміонів з полем Хіггса той самий механізм спонтанно- го порушення симетрії генерує маси ферміонів. Пізніше Абдус Салам представив цю модель у матеріалах Нобелівського симпозіуму. Незважаючи на низку привабливих рис тео- рії С. Вайнберга, А. Салама і Ш. Глешоу (остан- ній встановив симетрію SU(2)L × U(1) елект- рослабких взаємодій на початку 60-х ро ків), 38 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ вона не привернула до себе особливої уваги фі- зиків, оскільки тоді була певна недовіра до квантової теорії поля, і загалом теорії з масив- ними векторними полями вважали неперенор- мованими. Ситуація змінилася в 1971 р., коли Мартін Вельтман (Martinus J.G. Veltman) і Ге- рард ‘т Хоофт (Gerard ‘t Hooft) довели пере- нормованість неабелевих теорій з СПС. Стало зрозуміло, що об’єднану теорію слабких і елек- тромагнітних взаємодій фактично створено. Якщо на роботу С. Вайнберга до 1971 р. було всього два посилання, то після цього кількість цитувань пішла вгору (нині робота має вже по- над 8000 посилань). Відкриття бозона Хіггса Після створення на початку 70-х років кван- тової хромодинаміки у фізиці частинок вини- кла сучасна так звана Стандартна модель, яка ґрунтується на локальній калібрувальній си- метрії SU(3)×SU(2)L×U(1), спонтанно пору- шеній до SU(3)×U(1), де калібрувальна симе- трія з групою SU(3) описує взаємодію кварків і глюонів. Для підтвердження механізму СПС залишалося знайти передбачуваний теорією бозон Хіггса. Полювання на нього розпочало- ся в середині 80-х років і виявилося зовсім не- простою справою, яка потребувала створення нового прискорювача — ВАК. Проблема була в тому, що модель не передбачувала масу хіг- гсівського бозона. Крім того, взаємодія бозона Хіггса з іншими частинками (W+-, W--, Z0- і ферміонами) є пропорційною масам останніх, унаслідок чого ймовірність його утворення і розпаду в процесах за участю легких частинок надзвичайно мала. З іншого боку, незважаючи на те, що переріз процесів за участю важких частинок значно збільшується, експеримен- тальне спостереження потребує відповідного зростання енергії частинок, які зіштовхуються. Великий адронний колайдер у ЦЕРН по- близу Женеви є найбільшим у світі приско- рювачем заряджених частинок на зустрічних пучках, де відбувається зіткнення протонів і важких іонів. Довжина кола його основного підземного тунелю дорівнює 26,7 км (рані- Ділянка прискорювача ВАК у підземному тунелі Рис. 3. Розпад бозона Хіггса на два фотони. При зі- ткненні протонів їх складові частини, кварки up і down, породжують глюони, що у свою чергу через взаємодію з важкими кварками (top або beauty) породжують бо- зон Хіггса, який потім розпадається на два фотони Рис. 4. Дані колаборації ATLAS зі знаходження бозона Хіггса в розпаді на два фотони. Верхня крива — з ура- хуванням фону, нижня — після виділення фону. Чітко можна бачити пік в околі маси 125,6 ГеВ ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 39 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ ше в цьому тунелі розташовувався Великий електрон-позитронний колайдер), у ньому розміщено 1232 надпровідні магніти, охоло- джені до температури −271 °C (дещо нижчої від температури переходу гелію у надплинний стан). Експерименти з пошуку бозона Хіггса здійснювали за енергії в системі центра мас протонів, які зіштовхуються, ≈7 ТеВ (тобто 7 ·1012 еВ). У 2015 р. цю енергію планується довести до 14 ТеВ. На ВАК працюють 4 осно- вні детектори: ATLAS, CMS, ALICE, LHCb. Перші два спроектовано для пошуку бозона Хіггса і частинок темної матерії, ALICE — для пошуку кварк-глюонної плазми в зіткненнях важких іонів, а останній — для досліджен- ня фізики b-кварків при високих енергіях. У кожній із колаборацій ATLAS і CMS беруть участь близько 3000 дослідників. 30 березня 2010 р. було досягнуто енергії пучка протонів у 3,5 ТеВ (з енергією зіткнення протонів у сис- темі центра мас 7 ТеВ) і розпочато роботу ВАК з пошуку бозона Хіггса. Щоб мати можливість надійно виокремити події за участю хіггсівського бозона з величез- ної кількості інших непружних зіткнень, необ- хідно було зосередитися на розпадах бозона Хіггса (H0) з добре визначеними характерис- тиками. Вибрано було розпад на два гамма- кванти, H0 → γ + γ, і 4-лептонний розпад, H0 → Z + Z → L+ + L–+L´+ + L´–, де L (L´) — елек- трон або мюон. Ці процеси описуються діагра- мами Фейнмана, зокрема, на рис. 3 зображено розпад бозона H0 на два гамма-кванти. Розпад на два гамма-кванти і 4-лептонний розпад ста- новлять 0,2 % і 0,013 % відповідно від усіх про- цесів, що відбуваються. 4 липня 2012 р. на конференції в Мельбур- ні колаборації ATLAS і CMS у присутності майбутніх нобелівських лауреатів Ф. Енглера і П. Хіггса повідомили про спостереження час- тинки, схожої на бозон Хіггса, з масою близько 125—126 ГеВ. На рис. 4 наведено результати ATLAS, де після виділення фону можна чітко бачити пік, що відповідає масі бозона. Певна обережність під час анонсування результатів («частинка, схожа на бозон Хіггса») була зу- мовлена тим, що на той момент ще не встано- вили спін частинки та її парність. На початку 2013 р. було повідомлено, що спін знайденої частинки дорівнює нулю, а парність додатна, після чого не залишалося жодних сумнівів, що це і є шуканий бозон Хіггса. Обидві колабора- ції дають з урахуванням статистичних і систе- матичних помилок близькі значення для маси: mH = 125,3 ± 0,6 ГеВ. Серед усіх елементарних частинок бозон Хіггса посідає унікальне місце: лише він має квантові числа, які збігаються з квантовими числами вакууму, і є єдиною еле- ментарною скалярною частинкою в Стандарт- ній моделі. Дослідження в Україні В Україні теоретичні дослідження механізму Хіггса і, більш загально, механізму СПС, а та- кож генерації мас елементарних частинок здій- снювали переважно в Харківському фізи ко- тех нічному інституті НАН України (ХФТІ) та київському Інституті теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України (ІТФ). У Харкові Дмитро Волков побудував загальну теорію взаємодії голдстоунівських частинок у польових системах із СПС. Разом із Воло- димиром Акуловим він уперше показав, що голдстоунівські частинки можуть бути не тіль- ки бозонами, а й ферміонами, що привело до відкриття суперсиметрії незалежно від робіт Юрія Гольфанда і Євгена Ліхтмана. Д. Волков відкрив також суперхіггсівський механізм у те- орії суперсиметрії, коли калібрувальне поле зі спіном 3/2 (гравітино) поглинає голдстоунів- ський ферміон зі спіном 1/2 і стає масивним. Разом із В’ячеславом Сорокою в 1973 р. він став першовідкривачем теорії супергравіта- ції, в якій суперхіггсівський механізм відіграє значну роль у генерації мас частинок. Важли- ві дослідження з фазових переходів у теоріях зі спонтанним порушенням калібрувальних і кіральних груп виконали тодішні співробіт- ники Харківського університету Євген Чуд- новський та Ілля Кріве. Відзначимо також, що І. Кріве і Андрій Лінде з Фізичного інституту ім. П.М. Лебедєва отримали одне з перших об- межень знизу на масу хіггсівського бозона. 40 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Yang C., Mills R. Conservation of isotopic spin and isotopic gauge invariance // Phys. Rev. — 1954. — V. 96. — P. 191. 2. Utiyama R. Invariant theoretical interpretation of interaction // Phys. Rev. — 1956. — V. 101. — P. 1597. 3. O’Raifeartaigh L. The Dawning of Gauge Theory. — Princeton: Princeton Univ., 1997. 4. Ландау Л.Д. К теории фазовых переходов. I, II // ЖЭТФ. — 1937. — Т. 7, № 19. — С. 627. 5. Гинзбург В.Л., Ландау Л.Д. К теории сверхпроводимости // ЖЭТФ. — 1950. — Т. 20. — С. 1064. 6. Sooryakumar R., Klein M.V. Raman scattering by superconducting-gap excitations and their coupling to charge-den- sity waves // Phys. Rev. Lett. — 1980. — V. 45. — P. 660. У Києві в ІТФ група Петра Фоміна (Володи- мир Міранський, Юрій Ситенко та один з авто- рів цієї статті) в 70—80-ті роки виконували до- слідження динамічного механізму Хіггса і гене- рації мас частинок за аналогією з теорією над- провідності. Вони розвинули мікроскопічну теорію динамічного порушення кіральної си- метрії в калібрувальних теоріях (зокрема, у квантовій хромодинаміці), що сформувало но- вий погляд на походження мас адронів. Було показано, що за динамічним механізмом Хіггса можуть генеруватися маси глюонів. Це запо- чаткувало новий напрям досліджень, який ак- тивно розвивається останнім часом. У теорії електрослабких взаємодій Володимир Міран- ський разом із Коїчі Ямавакі (Koichi Yamawaki) і незалежно від Й. Намбу запропонували мо- дель, у якій поле Хіггса є зв’язаним станом най- важчого з відомих кварків — топ-кварка та його антикварка. Поки що невідомо, чи є поле Хіггса фундаментальним, чи складеним, і тому ця мо- дель привертає значну увагу. Отже, українські вчені зробили помітний внесок у теоретичні дослідження, пов’язані з бозоном Хіггса. Вагомими є також роботи українських до- слідників і в експериментах з пошуку бозона Хіггса в ЦЕРН. Співробітники ХФТІ П. Со- рокін і Л. Левчук беруть участь в експеримен- тальній колаборації CMS з оброблення даних з використанням сучасних комп’ютерних тех- нологій. Під керівництвом академіків НАН України Івана Карнаухова і Бориса Гриньова у харківському Інституті сцинтиляційних ма- теріалів НАН України виготовлено монокрис- талічні пластини для детекторів ЦЕРН. Група провідних науковців з ІТФ під керівництвом члена-кореспондента НАН України Геннадія Зінов’єва (офіційного представника Украї- ни в ЦЕРН) бере участь у роботі колабора- ції ALICE з пошуку кварк-глюонної плазми. У 2013 р. сталася важлива подія для вітчиз- няних учених — Україна здобула статус асо- ційованого члена ЦЕРН. Можна сподіватися, що тепер співробітництво з ЦЕРН вийде на якісно новий рівень і дозволить українським науковцям долучитися до розроблення нових наукових програм та виконання експеримен- тів на ВАК. Подальші перспективи досліджень Підсумовуючи, зауважимо, що відкриття хіг- гсівського бозона є величезним успіхом Стан- дартної моделі, проте залишаються нез’я со ва- ни ми ще багато питань. Так, поки що експери- ментально не встановлено сили взаємодії бозо- на з ферміонами і векторними бозонами, а також константи самовзаємодії хіггсівських бозонів. Невідомо, існує один бозон Хіггса чи кілька. Наприклад, у мінімальній версії розши- реної суперсиметричної Стандартної моделі є 5 хіггсівських бозонів — 3 нейтральні та 2 заря- джені. У деяких моделях фундаментальні ска- лярні поля відсутні, а СПС електрослабких взаємодій відбувається завдяки складеним ска- лярним полям, які є зв’язаними станами фермі- онів. У цьому випадку мають існувати збуджені зв’язані стани, спостереження яких було б свід- ченням на користь таких моделей. Є ще багато інших проблем, добре відомих фахівцям. Не виключено, що наступний 2015 р., коли ВАК вийде на повну заплановану потужність, відкриє еру нових досягнень у фізиці елемен- тарних частинок, а отже, сприятиме погли- бленню наших знань про будову матерії. ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 3 41 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ 7. Littlewood P.B., Varma C.M. Gauge-invariant theory of the dynamical interaction of charge density waves and super- conductivity // Phys. Rev. Lett. — 1981. — V. 47. — P. 811. 8. Nambu Y., Jona-Lasinio G. Dynamical model of elementary particles based on an analogy with superconductivity. I. // Phys. Rev. — 1961. — V. 122. — P. 345. 9. Goldstone J. Field theories with superconductor solutions // Nuovo Cimento. — 1961. — V. 19. — P. 154. 10. Goldstone J., Salam A., Weinberg S. Broken symmetries // Phys. Rev. — 1962. — V. 127. — P. 965. 11. Volkov D.V., Akulov V.P. Is the neutrino a Goldstone particle? // Phys. Lett. — 1973. — V. 46B. — P. 109. 12. Schwinger J. Gauge invariance and mass // Phys. Rev. — 1962. — V. 125. — P. 397. 13. Anderson P. Plasmons, gauge invariance, and mass // Phys. Rev. — 1963. — V. 130. — P. 439. 14. Мигдал A.А., Поляков А.М. Спонтанное нарушение симметрии сильных взаимодействий и отсутствие безмас- совых частиц // ЖЭТФ. — 1966. — Т. 51. — P. 135. 15. Englert F., Brout R. Broken symmetry and the mass of gauge vector bosons // Phys. Rev. Lett. — 1964. — V. 13. — P. 321 (received 16 June, 1964; published 31 August, 1964). 16. Higgs P.W. Broken symmetries and the masses of gauge particles // Phys. Rev. Lett. — 1964. — V. 13. — P. 508 (re- ceived 31 August, 1964; published 19 October, 1964). 17. Higgs P.W. Broken symmetries, massless particles and gauge fields // Phys. Lett. — 1964. — V. 12. — P. 132. 18. Higgs P.W. Prehistory of the Higgs boson // C.R. Physique. — 2007. — V. 8. — P. 970. 19. Weinberg S. A model of leptons // Phys. Rev. Lett. — 1967. — V. 19. — P. 1264. Стаття надійшла 05.02.2014 Э.В. Горбар 1, В.П. Гусынин 2 1 Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко ул. Владимирская, 60, Киев, 01033, Украина 2 Институт теоретической физики им. Н.Н. Боголюбова НАН Украины ул. Метрологическая, 14б, Киев, 03680, Украина БОЗОН ХИГГСА: ПРЕДСКАЗАНИЕ, ПОИСК, ОТКРЫТИЕ Нобелевская премия в области физики за 2013 год присуждена двум известным европейским физикам-теоре ти- кам — бельгийцу Франсуа Энглеру и британцу Питеру Хиггсу «за теоретическое обнаружение механизма, спо- собствующего нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и подтвержденного недавно обна- ружением предсказанной элементарной частицы в экспериментах ATLAS и CMS на Большом адронном коллай- дере в ЦЕРН». Ключевые слова: Нобелевская премия, бозон Хиггса, Большой адронный коллайдер. E.V. Gorbar 1, V.P. Gusynin 2 1 Taras Shevchenko National University of Kyiv 60 Volodymyrska St., Kyiv, 01033, Ukraine 2 Bogolyubov Institute for Theoretical Physics of NAS of Ukraine 14-b Metrolohichna St., Kyiv, 03680, Ukraine HIGGS BOSON: ANTICIPATION, SEARCH, AND DISCOVERY The 2013 Nobel Prize in Physics was awarded jointly to well-known European physicists — Belgian François Englert and British Peter W. Higgs “for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN’s Large Hadron Collider”. Keywords: Nobel Prize, Higgs boson, Large Hadron Collider.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69184
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0372-6436
language	Ukrainian
last_indexed	2025-12-07T17:31:07Z
publishDate	2014
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format	dspace
spelling	Горбар, Е.В. Гусинін, В.П. 2014-10-07T11:35:58Z 2014-10-07T11:35:58Z 2014 Бозон Хіггса: передбачення, пошук, відкриття / Е.В. Горбар, В.П. Гусинін // Вісн. НАН України. — 2014. — № 3. — С. 31-41. — Бібліогр.: 19 назв. — укр. 0372-6436 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69184 539.1.01 Нобелівську премію в галузі фізики за 2013 рік присуджено двом відомим європейським фізикам-теоретикам — бельгійцю Франсуа Енглеру та британцю Пітеру Хіггсу «за теоретичне відкриття механізму, що сприяє нашому розумінню походження мас субатомних частинок і який нещодавно було підтверджено відкриттям передбачуваної фундаментальної частинки в експериментах ATLAS і CMS на Великому адронному колайдері». Нобелевская премия в области физики за 2013 год присуждена двум известным европейским физикам-теоретикам — бельгийцу Франсуа Энглеру и британцу Питеру Хиггсу «за теоретическое обнаружение механизма, способствующего нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и подтвержденного недавно обнаружением предсказанной элементарной частицы в экспериментах ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН». The 2013 Nobel Prize in Physics was awarded jointly to well-known European physicists — Belgian François Englert and British Peter W. Higgs “for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN’s Large Hadron Collider”. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Вісник НАН України Статті та огляди Бозон Хіггса: передбачення, пошук, відкриття Бозон Хиггса: предсказание, поиск, открытие Higgs boson: anticipation, search, and discovery Article published earlier
spellingShingle	Бозон Хіггса: передбачення, пошук, відкриття Горбар, Е.В. Гусинін, В.П. Статті та огляди
title	Бозон Хіггса: передбачення, пошук, відкриття
title_alt	Бозон Хиггса: предсказание, поиск, открытие Higgs boson: anticipation, search, and discovery
title_full	Бозон Хіггса: передбачення, пошук, відкриття
title_fullStr	Бозон Хіггса: передбачення, пошук, відкриття
title_full_unstemmed	Бозон Хіггса: передбачення, пошук, відкриття
title_short	Бозон Хіггса: передбачення, пошук, відкриття
title_sort	бозон хіггса: передбачення, пошук, відкриття
topic	Статті та огляди
topic_facet	Статті та огляди
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69184
work_keys_str_mv	AT gorbarev bozonhíggsaperedbačennâpošukvídkrittâ AT gusinínvp bozonhíggsaperedbačennâpošukvídkrittâ AT gorbarev bozonhiggsapredskazaniepoiskotkrytie AT gusinínvp bozonhiggsapredskazaniepoiskotkrytie AT gorbarev higgsbosonanticipationsearchanddiscovery AT gusinínvp higgsbosonanticipationsearchanddiscovery

Бозон Хіггса: передбачення, пошук, відкриття

Institution

Similar Items