Нобеловата награда за физика:частицата на Хигс

М. ЧижовСофийски Университет

04/11/2013

„за теоретичното откритие на механизма, допринасящ за разбирането на произхода на масата на субатомните частици и който наскоро беше потвърден чрез откриването на предсказаната фундаментална частица от ATLAS и CMS експериментите на Големия Адронен Колайдер в ЦЕРН“

The Nobel Prize in Physics 2013 was awarded jointly to François Englert and 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"

2

04/11/2013

4 юли 20123

04/11/2013 4

Популяризация

04/11/2013

“Candidates …along with the Higgs Boson ‒ the particle of the year ‒ and the three scientists who discovered it. … it was not until last summer that a team of researchers at Europe's Large Hadron Collider ‒ Rolf Heuer, Joseph Incandela and Fabiola Gianotti ‒ at last sealed the deal and in so doing finally fully confirmed Einstein's general theory of relativity.”

2012Candidate:

The Higgs Boson

5

04/11/2013

Хармоничен осцилатор (аналитична механика )

2 2

2

[ ( ), ( )]

( ) ( ) 2 2

[ ( ), ( )]

от теоремата наEmmy Noe

0 0const

ther

L q t q t K V

mq t kq t

S L q t q t dt

S q qE K V

Joseph-Louis Lagrange (Giuseppe Lodovico Lagrangia), 1788

6

q

04/11/2013

Хармоничен осцилатор (теория на скаларно поле)

22

2 2

3 4

( ) ( , ) 1: [ , ] 2 2

[ , ] [ , ] ; [ , ] [ , ]

q t t xK V

L d x S L dt d x

L

L L

0

2

22

2

2

[ ] 0 2

[ ]; 2

V

V m

0

V[]

Ener

gy

7

2 2 20 m m

04/11/2013

Анхармоничен осцилатор (теория на скаларно поле)

22 4[ ] , 0

2 4V

[ ]V [ ]V

0 0

2 0 0

2

2

22 2 20 0

8

04/11/2013

Симетрия на анхармоничен осцилатор

[ ] [ ]V V

2 0 0 2

2 2 20 0

2 2m

22 4[ ] [ ]

2 4V V 32 4

2 4

[2 4

2]4

V

2

симетрия[ ] [ ]V V

на рушена симе

]тр я]

и[ [V V

9

2 2 , 2

2 mm

Две скаларни полета (или комплексно скаларно поле) с нарушена симетрия

2 22 2 2 2

1 2 1 2 1 2[ , ] , 0, 02 4

V

2 2 2 22 1 2 20 00

[ , *] 0 ; 02 2

V

1 20 0, 0

2 421 2 1 2, * , [ , *]2 2i i V

Re( )Im( ) 10

2

0

1

0

22 21 2

2

22 1 2

22

1

[ , ]

[

2

, ] 0

Vm

Vm

04/11/2013

Симетрия на анхармоничен осцилатор с комплексно поле

[ ] [e ]iV V 2

2 21 1 2 20 0; ,

21 1

22 22 , , 2

0m m m

2 22

2 2 2 21 2 2 12

4

1 11[ (, ] ( )2 4

)24

V

1 2 1 2 1 2

[ , ] [ cos sin , sin co

нарушена симетриs , ]

яV V

J. Goldstone, Nuovo Cim. 19 (1961) 154.11

04/11/2013

Частица и теорема на Голдстоун

“if there is continuous symmetry transformation under which the Lagrangian is invariant, then either the vacuum state is also invariant under the transformation, or there must exist spinless particles of zero mass.”Jeffrey Goldstone, Abdus Salam and Steven Weinberg, Phys. Rev. 127 (1962) 965

Re( )

Im( )12

04/11/2013

Примери за голдстоунови бозони

Спинови вълни в феромагнити Фонони в кристална решетка Свръхфлуидност (Бозе кондензат,

Боголюбов,1947) Свърхпроводимост (двойки на Купър, 1956;

Боголюбов,1958) Пиони в кирална граница (Намбу, 1961)

2

2

състои се от кварка, 938.3MeV / състои се от кварка, 939.6 MeV /

p

n

p uud m cn udd m c

2

2

0

2.3MeV /

4.8MeV /кирална граница lim 0

q

u

d

m

u m cd m c

m

0

2

0 2

2

139.6 MeV /= 135.0 MeV /

2139.6 MeV /

udm c

dd uu m cm c

du

13

04/11/2013

В Природата няма безмасова безспинова безцветна частица, която би имала действие с безкраен радиус!Единствено електромагнитните и гравитационните сили имат безкраен радиус на действие.

Безмасови частици в Природата

1div 4 rotУравнения на Максуел:

(1864) 1 4div 0 rot

1Лагранжиан на Максуел: 4em i i i

i

c t

c t c

F F e q A

BD E

DB H J

L

1 22Закон на Нютон (1687):

Уравнения на Айнщайн: 1 8(1916) 2

N

N

m mF Gr

R Rg gG T

14

04/11/2013

Калибровъчна инвариантност и безмасови частици

Тензорът на електромагнитното поле е инва-

риантен относно калибровъчното преобразувание ( ).1Затова, ние не можем да добавим масов член , който е явно2

калибровъчно н

F A A A

A A х

A А

Фотонът е безмасоеинвари

в и напантен.

речен! A

15

В по-общ случай на изотопична калибровъчнаинвариантност, например между протона и неутронаот изодублет, възниква триплет на калибровъчни векторни полета, известни като полета на Янг и Милс (1

954)

0

. Затова, за да опишем разпада ,трябва да въведем поне 3 калибровъчни частици

безмасовиВ Природата, обаче, освен

фотона, няма други безмасови ве, и

кторни безцветни частици,

.

които

en pe

W W W

биха имали действие с безкраен радиус.

04/11/2013

S. L. Glashow, Nucl. Phys. 22 (1961) 579.

Раждане на Стандартен Модел наелементарните частици SU(2)LU(1) Y

0

Глашоу е следвал принципа: важна е симетрията, амасите могат да бъдат добавени с ръка. Той е първият, който е разбрал, че неутралният векторен бозон от триплета не е фотон. Взаимодействията му

W

0W W

нарушават пространствената - четност. Затова, той добавя още едно неутрално векторно поле , за да получи частица

= sin cos със свойствата на фотона. По този начин, той получава връзка меж

PB

A W B

W

0W W

ду електромагнит-ната и слабата константи sin и предсказва съществуването на нова неутрална векторна частица

= cos sin .

e g

Z W B

2 2 2

Той първи получава ограниче- ния на масите на преносителя на слабите взаимодействия от константата на Ферми F W WG g M M 2sin : 130 GeV. (Вярно: 40 GeV.)WW W MM

“Schwinger told me to think about unifying weak and EM. So I did it. For two years ‒ I thought about it.” 16

04/11/2013

Калибровъчна инвариантност и масивни частици

Модел на Julian Schwinger (1962): двумерна квантова електродинамика, където фотонът става масивен.

Нерелативистка динамика на плазмата:Philip W. Anderson (1963) – полета на Янг и Милс предобиват маса заради надлъжни осцилации в плазмата (Meissner-Ochsenfeld ефект).

A 2

“We conclude, then, that the Goldstone zero-mass difficulty is not a serious one, because we can probably cancel it off against an equal Yang-Mills zero-mass problem.”

17

04/11/2013

F. Englert and R. Brout, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 321 (26 юни 1964) P. W. Higgs, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 508 (31 август 1964) G. S. Guralnik, C. R. Hagen, and T. W. B. Kibble, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 585 (12 октомври 1964)

Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble механизъм

18

1

2 2

1 2 2 1

2 222 2 2 21 2 1 2

21 1

1 1 14 2 2

0 ,

02 4

, , къд ,2 е B

F F еA еA

B Ame

mе

L

04/11/2013

Частиците наГолдстоун и Хигс

Jeffrey Goldstone

Peter W. Higgs

Phys. Rev. 145 (1966) 1156H → Z Z

Re( )

Im( )

“it is worth noting that an essential feature of this type of theory is the prediction ofincomplete multiplets of scalar and vector bosons.”

Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 508

19

04/11/2013

Нито Salam и Ward, които са работили в Imperial College в една и съща група с Guralnik, Hagen и Kibble, нито Glashow, който след семинара на Higgs в Harvard на 16 март 1966 казва: “that is a nice model, Peter” не са разбрали, че могат да използуват този механизъм за генерация на маси.

Изпуснати възможности

Glashow (1961) Salam & Ward (1964)

Salam & Ward (24 септ. 1964→15 ноем. 1964) GHK (12 октомври 1964 →16 ноем. 1964)

“All of us, Brout, Englert and myself, had been going in thewrong direction, looking at hadron symmetries. ” P.W. Higgs

20

0 00 0 H H

BH H

WWW

SU(2)L U(1)Y

Z 00Im ReH H

Използуване на EBHGHK механизма

S. Weinberg (1967) & A. Salam (1968) → Нобелова награда за 1979

връзка между маси на преносителите на слабите взаимодействия MW =MZ cosW

чрез механизма на спонтанно нарушаване на симетрията

04/11/2013 21

04/11/2013

Установяване на Стандартния Модел (теория) G. ’t Hooft & M. J. G. Veltman (1972) → Нобелова награда за 1999доказана е пренормируемостта на калибровъчните теории с нарушена симетрия

a drawing of their most important discovery 22

Лагранжиан на Стандартния Модел

2

Gauge sector

| | ( ) ElectroWeak Symmetry Breaking

Y Flavour sector

SM

i ij j

D F F

D V

L

04/11/2013 23

Откритие на слабите неутрални взаимодействия със Z бозона в експеримента с мехурчестата камера Gargamelle в ЦЕРН (1973)

Установяване на Стандартния Модел (експеримент)

sin2W ~ 0.30.5 MW =5070 GeV MZ =7580 GeV04/11/2013 24

J.R. Ellis, M.K. Gaillard and D.V. Nanopoulos, A Phenomenological Profile of the Higgs Boson, Nucl. Phys. B 106 (1976) 292.От космологични съображения предсказват лек Хигс ~ 2 MeV.

Ранно търсене нахигсовия бозон

946 цитати !

04/11/2013 25

We should perhaps finish with an apology and a caution. We apologize to experimentalists for having no idea what is the mass of the Higgs boson, unlike the case with charm [3,4] and for not being sure of its couplings to other particles, except that they are probably all very small. For these reasons we do not want to encourage big experimental searches for the Higgs boson, but we do feel that people performing experiments vulnerable to the Higgs boson should know how it may turn up.

0

04/11/2013

Теоретични предсказанияSidney Coleman & Erick Weinberg (1973)радиационни поправки MH > 10 GeV

Thatcher: “What do you do?”Ellis: “Think of things for the experiments to look for, and hope they find something different.”Thatcher: “Wouldn’t it be better if they found what you predicted?”Ellis: “Then we would not learn how to go further!”

4 2 24

4 20

22

2 22

3 2cos 1 ln

4sin 2

3 28 sin cos

ZH

W

W

WW W

M

V

MM

26

04/11/2013

Динамично нарушение на симетрията

27

1 1

2

, , в този модел и

или з

22 3 3

65 Ge80 Gа eV V

B B

B W H

m е m

m Mm

em m

04/11/2013

На лов за хигсовия бозон

28

John F. Gunion, Howard E. Haber, Gordon L. Kane, Sally Dawson, The Higgs Hunter's Guide, Upton, NY: Brookhaven Nat. Lab., 1989. - 404 p.

04/11/2013

Време на живот и канали на раждане и разпад на хигсовия бозон

cros

s sec

tion

(pb)

2210 s

2310 s

2410 s

2510 s

29

04/11/2013

започва работа на 30 ноември 1986 и завършва на 30 септември 2011

Теватрон във FNAL

@ 2 ТеВp p30

04/11/2013 31

Tevatron Higgs Exclusion

04/11/2013

Големия Електрон‒Позитроненколайдер (LEP) в ЦЕРН

започва работа през август 1989 и завършва в края на 2000

DELPHI

L3 ALEPH

OPAL

@ 100 200 ГеВe e 32

04/11/2013

Хигсовият бозон може да се роди, ако MH < 2E ‒ 91.2 ГеВ.Резултат: хигсовият бозон с маса по малка от 114.4 ГеВ не беше намерен.

LEP2 (1996 ‒ 2000)

33

04/11/2013 34

Непряко потвърждение на EBHGHK механизма

04/11/2013 35

Големия Адронен Колайдер

04/11/2013 36

109 interactions per second

1.51011 p

2 1380 bunches

@ 8 TeV !!!

04/11/2013

~3200 authors, 174 Institutions and 38 Countries, ~1000 PhD students

37

04/11/2013 38

Най-голям и най-сложен детектор

A T Л A С

04/11/2013 39

04/11/2013

Сигнал от хигсовия бозонпо последните данни на АТЛАС

Phys. Lett. B 726 (2013) 88 (4 юли 2013)

ATLA

S-C

ON

F-20

13-0

14

H

0.50.6

m 125.5 ГеВ 0.2(stat)

(sys)

40Phys

. Let

t. B

726

(201

3) 1

20

04/11/2013

Резултати от АТЛАС и CMS законстанти на взаимодействие на Хигс

Hm 125.7 0.3(stat) 0.3(sys) GeV

41

04/11/2013

Универсален фит (LHC+Tevatron)P.P. Giardino, K. Kannike, I. Masina, M. Raidal

and A. Strumia, arXiv:1303.3570 [hep-ph]

/

0.98 0.0 12

0.98 0.07

pm

p

42

2

2

( )2

( )2

2

t

t

Z

W

b

b

ymg hZZ

Mg hWW

Mym

ym

04/11/2013

Линеен лептонен колайдер? Michel E. Peskin, arXiv:1207.2516 [hep-ph] 11 юли 2012

43

04/11/2013

Песимистична гледна точка (MSM)arXiv:0708.3550 [hep-th] 27 Aug 2007

Phys. Lett. B683 (2010) 196

H + 3Rможе да обясни

baryon asymmetrydark matter

neutrino massesinflation

04/11/2013

Елементарните (фундаменталните) частици и взаимодействия на Стандартния Модел

2| | ( )

Y

SM

i ij j

D F F

D V

L

45

04/11/2013

Екстраполация на Стандартния Моделкъм Планкова енергия

D. Buttazzo, G. Degrassi, P.P. Giardino, G.F. Giudicе, F. Sala, A. Salvio, A. StrumiaarXiv:1307.3536 [hep-ph]

Figure from Giardino’s slides

46

Фундаменталните взаимодействия

силни

слаби

електромагнитни

гравитационни04/11/2013 47

0 00 0 H H

BH H

WWW

Z 00Im ReH H

5-та сила ли е взаимодействието на Хигс?

“…we are finally ready to change our introductions to particle physics courses, and tell our students that there are not four but five fundamental forces in Nature, mediated by spin-0, spin-1 and spin-2 bosons!” Theory summary talk (La Thuile, 2013) by Fabio Zwirner

04/11/2013 48

А защо не и на Z бозона !?(открит през 1983, а неговите взаимодействия през 1973)

04/11/2013 49

Стандартният модел на фундаменталните частици и техните взаимодействия е окончателно подтвърден и придоби статус на завършена теория на елементарните частици.

Не са намерени нови частици извън Стандартния Модел и няма отклонения от него на разстояния до 2.51018 cm, които са по-малки на два порядъка от радиуса на слабото взаимодействие!

През 2015 ни очаква почти двойно увеличение на енергията на ускорителя и още по-дълбоко проникване в тайните на Природата.

До 2022 се очаква да съберем 10 пъти повече данни, а до 2030 ‒ 100 пъти повече, отколкото имаме сега и с почти двойно по-висока енергия.

Заключение