सरल शब्दों में: हिग्स बोसॉन - यह क्या है? हिग्स बोसोन क्या है?

हिग्स बॉसन सरल भाषाइसकी तुलना गपशप से की जा सकती है जो एक बड़े हॉल के एक छोर पर शुरू की गई थी, और जो भी उसमें था वह इसे श्रृंखला के साथ पारित करना शुरू कर दिया। हिग्स बोसोन सर्न (द विंची कोड में उल्लिखित) में पाया गया था। पहले से ही, दुनिया भर के भौतिकविदों का मानना ​​है कि हिग्स बोसोन की खोज है सबसे बड़ी खोजदुनिया में प्राथमिक कण.

हिग्स बोसॉन: यह क्या है?

सरल शब्दों में हिग्स बोसॉनबहुत देर तक समझाने की कोशिश की। 1993 में, ब्रिटिश विज्ञान मंत्री विलियम वाल्डग्रेव ने हिग्स बोसोन की सबसे सरल व्याख्या के लिए एक प्रतियोगिता शुरू की। सबसे आम संस्करण एक पार्टी वाला संस्करण था। यह समझने के लिए कि हिग्स बोसोन क्या है, किसी को एक बड़े कमरे की कल्पना करनी होगी जिसमें एक पार्टी हो रही हो।

हिग्स बोसॉन पाया गया

किन्हीं बिंदुओं परएक व्यक्ति (उदाहरण के लिए, एक रॉक स्टार) उस कमरे में प्रवेश करता है जिसके साथ हर कोई चैट करना चाहता है। जब कोई व्यक्ति चलता है, तो पार्टी के कई मेहमान उसका पीछा करते हैं - ऐसा लग सकता है कि लोगों की भीड़ उसका पीछा कर रही है। वहीं, रॉक स्टार की गति अन्य मेहमानों की तुलना में कम होती है। पार्टी के मेहमान खुद समूहों में एकजुट हो सकते हैं - अगर भीड़ में गपशप की चर्चा शुरू हो जाती है, तो लोग छोटे-छोटे संघनन बनाते हुए एक-दूसरे को सुनवाई प्रसारित करना शुरू कर देंगे।

भौतिकी में आज तक ऐसी कई अवधारणाएँ और घटनाएँ हैं जो सामान्य मानव धारणा के लिए समझ से बाहर हैं। इन मूल अवधारणाओं में से एक को हिग्स बोसोन कहा जा सकता है। यह अधिक विस्तार से विचार करने योग्य है कि हम इसके बारे में क्या जानते हैं और इस घटना को आम लोगों के सामने कैसे प्रकट किया जा सकता है।

हिग्स बोसोन को एक प्राथमिक कण कहा जाता है, जो प्राथमिक कण भौतिकी के मानक मॉडल में इलेक्ट्रोवेक समरूपता के सहज उल्लंघन के हिग्स तंत्र की प्रक्रिया में प्रकट होता है।

प्राथमिक कण की लंबी खोज

कण को ​​ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी पीटर हिग्स ने 1964 में प्रकाशित मौलिक पत्रों में पोस्ट किया था। और केवल कुछ दशकों के बाद, सैद्धांतिक रूप से अनुमानित अवधारणा को विशिष्ट खोज परिणामों द्वारा समेकित किया गया था। 2012 में, एक नए कण की खोज की गई, जो इस भूमिका के लिए सबसे स्पष्ट उम्मीदवार बन गया। और पहले से ही मार्च 2013 में, व्यक्तिगत शोधकर्ताओं द्वारा जानकारी की पुष्टि की गई थी सर्न, और पाए गए कण को ​​हिग्स बोसोन के रूप में पहचाना गया।

इस तरह के गंभीर शोध के लिए, जिस पर कई वर्षों तक परीक्षण और विकास जारी रहा। लेकिन यहां तक ​​​​कि सामने आए परिणाम, विशेषज्ञ खुले तौर पर प्रकाशित करने की जल्दी में नहीं हैं, डबल-चेक करना पसंद करते हैं और सब कुछ अधिक सावधानी से साबित करते हैं।

हिग्स बोसोन मानक मॉडल का नवीनतम पाया गया कण है। उसी समय, मीडिया में, आधिकारिक भौतिक शब्द को "शापित कण" कहा जाता है - लियोन लेडरमैन द्वारा प्रस्तावित संस्करण के अनुसार। हालांकि उनकी किताब का शीर्षक नोबेल पुरस्कार विजेता"भगवान के कण" अभिव्यक्ति का इस्तेमाल किया, जो बाद में जड़ नहीं लिया।

सरल भाषा में हिग्स बोसॉन

हिग्स बोसॉन क्या है, कई वैज्ञानिकों ने औसत सोच के लिए सबसे सुलभ तरीके से समझाने की कोशिश की। 1993 में, ब्रिटिश विज्ञान मंत्री ने इस भौतिक अवधारणा की सबसे सरल व्याख्या के लिए एक प्रतियोगिता की भी घोषणा की। उसी समय, एक पार्टी के साथ तुलनात्मक संस्करण को अधिक सुलभ माना गया। विकल्प इस तरह दिखता है:

• एक बड़े कमरे में जिसमें पार्टी शुरू होती है, एक निश्चित क्षण में एक प्रसिद्ध व्यक्ति प्रवेश करता है;
• एक प्रसिद्ध व्यक्ति के बाद मेहमान आते हैं जो किसी व्यक्ति के साथ संवाद करना चाहते हैं, जबकि यह व्यक्ति अन्य सभी की तुलना में धीमी गति से चलता है;
• फिर, सामान्य जन में, अलग-अलग समूह (लोगों के समूह) इकट्ठा होने लगते हैं, किसी तरह की खबरों, गपशप पर चर्चा करते हैं;
• लोग एक समूह से दूसरे समूह में समाचार भेजते हैं, जिसके परिणामस्वरूप लोगों के बीच छोटे घनत्व बनते हैं;
• नतीजतन, ऐसा लगता है कि लोगों के समूह गपशप पर चर्चा कर रहे हैं, एक प्रसिद्ध व्यक्ति के आस-पास, लेकिन उसकी भागीदारी के बिना।

तुलनात्मक अनुपात में, यह पता चलता है कि कमरे में लोगों की कुल संख्या हिग्स क्षेत्र है, लोगों के समूह क्षेत्र की गड़बड़ी हैं, और प्रसिद्ध व्यक्ति स्वयं एक कण है जो इस क्षेत्र में चलता है।

हिग्स बोसोन का निर्विवाद महत्व

मौलिक कण का महत्व, चाहे वह इसे अंततः कैसे भी कहा जाए, नकारा नहीं जा सकता है। सबसे पहले, ब्रह्मांड की संरचना का अध्ययन करने के लिए सैद्धांतिक भौतिकी में की गई गणनाओं के कार्यान्वयन के दौरान यह आवश्यक है।

सैद्धांतिक भौतिकविदों ने सुझाव दिया है कि हिग्स बोसॉन हमारे चारों ओर के सभी स्थान को भर देता है। और जब अन्य प्रकार के कणों के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, तो बोसॉन उन्हें अपना द्रव्यमान प्रदान करते हैं। यह पता चला है कि यदि प्राथमिक कणों के द्रव्यमान की गणना करना संभव है, तो हिग्स बोसोन की गणना को ही एक सौदा माना जा सकता है।

आप एक बड़ी राशि के लिए शर्त लगा सकते हैं कि आप में से अधिकांश (विज्ञान में रुचि रखने वाले लोगों सहित) को इस बात का बहुत अच्छा विचार नहीं है कि लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में भौतिकविदों को क्या मिला, वे इतने लंबे समय से इसकी तलाश क्यों कर रहे हैं, और क्या आगे होगा।

इसलिए, हिग्स बोसॉन क्या है, इसके बारे में एक छोटी कहानी।

आपको इस तथ्य से शुरू करने की आवश्यकता है कि सामान्य रूप से लोग अपने दिमाग में कल्पना करने में बहुत बुरे हैं कि सूक्ष्म जगत में प्राथमिक कणों के पैमाने पर क्या हो रहा है।

उदाहरण के लिए, स्कूल के कई लोग कल्पना करते हैं कि इलेक्ट्रॉन ऐसे छोटे पीले रंग के गोले हैं, जैसे किसी परमाणु के नाभिक के चारों ओर घूमने वाले मिनी-ग्रह, अन्यथा यह लाल और नीले प्रोटॉन-न्यूट्रॉन से बने रास्पबेरी की तरह दिखता है। जो लोग लोकप्रिय पुस्तकों से क्वांटम यांत्रिकी से थोड़ा परिचित हैं, वे धुंधले बादलों के रूप में प्राथमिक कणों का प्रतिनिधित्व करते हैं। जब हमें बताया जाता है कि कोई भी प्राथमिक कण एक साथ एक लहर है, तो हम समुद्र पर (या समुद्र में) तरंगों की कल्पना करते हैं: एक त्रि-आयामी माध्यम की सतह जो समय-समय पर दोलन करती है। यदि हम कहते हैं कि एक कण किसी क्षेत्र में एक घटना है, तो हम एक क्षेत्र की कल्पना करते हैं (शून्य में गुलजार कुछ, जैसे ट्रांसफार्मर बॉक्स)।

यह सब बहुत बुरा है। शब्द "कण", "क्षेत्र" और "लहर" वास्तविकता को बेहद खराब तरीके से दर्शाते हैं, और किसी भी तरह से उनकी कल्पना करना असंभव है। आपके दिमाग में जो भी दृश्य छवि आती है, वह गलत होगी और समझ में हस्तक्षेप करेगी। प्राथमिक कण कुछ ऐसा नहीं है, जिसे सिद्धांत रूप में देखा या "स्पर्श" किया जा सकता है, और हम, बंदरों के वंशज, केवल ऐसी चीजों की कल्पना करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। यह सच नहीं है कि एक इलेक्ट्रॉन (या फोटॉन, या हिग्स बोसॉन) "एक कण और एक तरंग दोनों है"; यह कुछ तीसरा है, जिसके लिए हमारी भाषा में कभी शब्द नहीं रहे (अनावश्यक)। हम (मानवता के अर्थ में) जानते हैं कि वे कैसे व्यवहार करते हैं, हम कुछ गणना कर सकते हैं, हम उनके साथ प्रयोगों की व्यवस्था कर सकते हैं, लेकिन हम उनके लिए एक अच्छी मानसिक छवि नहीं ढूंढ सकते हैं, क्योंकि चीजें जो मोटे तौर पर प्राथमिक कणों के समान होती हैं, हमारे तराजू पर होती हैं बिल्कुल नहीं होता है।

पेशेवर भौतिक विज्ञानी सूक्ष्म जगत में क्या हो रहा है, इसकी कल्पना करने के लिए नेत्रहीन (या मानवीय भावनाओं के संदर्भ में किसी अन्य तरीके से) प्रयास नहीं करते हैं; यह एक बुरा रास्ता है, यह कहीं नहीं जाता है। वे धीरे-धीरे इस बारे में कुछ अंतर्ज्ञान विकसित करते हैं कि कौन सी वस्तुएं वहां रहती हैं, और यदि वे ऐसा करते हैं और ऐसा करते हैं तो उनका क्या होगा, लेकिन आम आदमी को इसकी नकल करने में सक्षम होने की संभावना नहीं है।

इसलिए, मुझे आशा है कि आप अब छोटी गेंदों के बारे में नहीं सोचेंगे। अब इस बारे में कि वे लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में क्या खोज रहे थे और क्या पाया।

दुनिया सबसे छोटे पैमाने पर कैसे काम करती है, इस बारे में आम तौर पर स्वीकृत सिद्धांत को मानक मॉडल कहा जाता है। उनके मुताबिक हमारी दुनिया ऐसे ही काम करती है। इसमें कई मौलिक रूप से भिन्न प्रकार के पदार्थ होते हैं, जो विभिन्न तरीकेएक - दूसरे से बात करें। कुछ "वस्तुओं" के आदान-प्रदान के रूप में इस तरह की बातचीत के बारे में बात करना कभी-कभी सुविधाजनक होता है, जिसके लिए आप गति, द्रव्यमान को माप सकते हैं, आप उन्हें तितर-बितर कर सकते हैं या एक दूसरे से टकरा सकते हैं, आदि। कुछ मामलों में उन्हें वाहक कणों के रूप में कॉल करना (और उनके बारे में सोचना) सुविधाजनक है। मॉडल में 12 प्रकार के ऐसे कण होते हैं। मैं आपको याद दिलाता हूं कि अब मैं जो कुछ भी लिख रहा हूं वह अभी भी गलत और अपवित्र है; लेकिन उम्मीद है कि अधिकांश मीडिया रिपोर्टों की तुलना में अभी भी बहुत छोटा है। (उदाहरण के लिए, 4 जुलाई को "मॉस्को की इको" ने "सिग्मा स्केल पर 5 अंक" वाक्यांश के साथ खुद को प्रतिष्ठित किया; जो लोग जानते हैं वे इसकी सराहना करेंगे)।

एक तरह से या किसी अन्य, 12 मानक मॉडल कणों में से 11 पहले ही देखे जा चुके हैं। 12वां हिग्स क्षेत्र के अनुरूप एक बोसॉन है, जो कि कई अन्य कणों को उनका द्रव्यमान देता है। एक बहुत अच्छा (लेकिन, निश्चित रूप से, गलत भी) सादृश्य, जिसके साथ मैं नहीं आया: एक पूरी तरह से चिकनी बिलियर्ड टेबल की कल्पना करें, जिस पर बिलियर्ड बॉल्स-प्राथमिक कण हैं। वे आसानी से अलग-अलग दिशाओं में बिखर जाते हैं और बिना किसी व्यवधान के कहीं भी चले जाते हैं। अब कल्पना करें कि तालिका किसी प्रकार के चिपचिपे द्रव्यमान से ढकी हुई है जो कणों की गति को बाधित करती है: यह हिग्स क्षेत्र है, और कण इस तरह के लेप से कितना चिपकता है इसका द्रव्यमान है। कुछ कणों के साथ, हिग्स क्षेत्र किसी भी तरह से बातचीत नहीं करता है, उदाहरण के लिए, फोटॉन के साथ, और उनका द्रव्यमान क्रमशः शून्य के बराबर होता है; कोई कल्पना कर सकता है कि फोटॉन एयर हॉकी पक की तरह होते हैं, और कोटिंग पर बिल्कुल भी ध्यान नहीं दिया जाता है।

यह पूरा सादृश्य गलत है, उदाहरण के लिए, क्योंकि द्रव्यमान, हमारे चिपचिपा कोटिंग के विपरीत, कण को ​​​​चलने से रोकता है, लेकिन तेज होने से, लेकिन यह किसी प्रकार की समझ का भ्रम देता है।

हिग्स बोसोन इस "चिपचिपे क्षेत्र" के अनुरूप कण है। कल्पना कीजिए कि बिलियर्ड टेबल को बहुत जोरदार झटका लगा, कपड़े को नुकसान पहुंचा और चिपचिपा द्रव्यमान की एक छोटी मात्रा को एक तह-बुलबुले में कुचल दिया, जो बहुत जल्दी वापस फैल जाएगा। यहाँ, वह वही है।

वास्तव में, लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर इन सभी वर्षों से यही कर रहा है, और हिग्स बोसोन प्राप्त करने की प्रक्रिया इस तरह दिखती है: जब तक कपड़ा अपने आप बहुत स्थिर से मुड़ना शुरू नहीं हो जाता, तब तक हम अपनी पूरी ताकत से मेज पर वार करते हैं, कठोर और चिपचिपी सतह कुछ अधिक दिलचस्प (या जब तक कि कुछ और भी अद्भुत न हो जाए, सिद्धांत द्वारा भविष्यवाणी नहीं की जाती है)। यही कारण है कि एलएचसी इतना बड़ा और शक्तिशाली है: उन्होंने पहले ही कम ऊर्जा के साथ मेज पर हिट करने की कोशिश की है, लेकिन कोई फायदा नहीं हुआ।

अब कुख्यात 5 सिग्मा के बारे में। उपरोक्त प्रक्रिया के साथ समस्या यह है कि हम केवल दस्तक दे सकते हैं और आशा करते हैं कि इसमें से कुछ निकलेगा; हिग्स बोसॉन प्राप्त करने के लिए कोई गारंटीकृत नुस्खा नहीं है। इससे भी बदतर, जब वह अभी भी दुनिया में पैदा हुआ है, तो हमारे पास उसे पंजीकृत करने के लिए समय होना चाहिए (बेशक, आप उसे नहीं देख सकते हैं, और वह केवल एक सेकंड के एक तुच्छ अंश के लिए मौजूद है)। हम जो भी डिटेक्टर का उपयोग करते हैं, हम केवल इतना कह सकते हैं कि ऐसा लगता है कि हमने कुछ ऐसा ही देखा है।

अब कल्पना कीजिए कि हमारे पास एक विशेष पासा है; यह छह में से किसी एक फलक पर बेतरतीब ढंग से गिरता है, लेकिन अगर उसी समय उसके बगल में हिग्स बोसोन हो, तो छक्का कभी नहीं गिरेगा। यह एक विशिष्ट डिटेक्टर है। यदि हम एक पासे को एक बार फेंकते हैं और उसी समय मेज पर अपनी पूरी ताकत से प्रहार करते हैं, तो सामान्य तौर पर कोई परिणाम हमें कुछ भी नहीं बताएगा: क्या यह 4 लुढ़क गया? एक बहुत ही संभावित घटना। लुढ़का 6? शायद हमने गलत समय पर मेज पर थोड़ा सा प्रहार किया, और बोसोन, हालांकि विद्यमान था, सही समय पर पैदा होने का प्रबंधन नहीं कर पाया, या इसके विपरीत, क्षय होने में कामयाब रहा।

लेकिन हम इस प्रयोग को कई बार कर सकते हैं, और कई बार भी! बढ़िया, आइए पासे को 60,000,000 बार घुमाते हैं। मान लीजिए, इस मामले में, छः "केवल" 9,500,000 बार गिरे, न कि 10,000,000; क्या इसका मतलब यह है कि समय-समय पर बोसोन प्रकट होता है, या यह सिर्फ एक स्वीकार्य दुर्घटना है - हम यह नहीं मानते कि पासा एक छक्के के साथ होना चाहिए चिकना 60 में से 10 मिलियन बार?

अच्छा उह। आंख से, ऐसी चीजों का मूल्यांकन नहीं किया जाता है, आपको यह विचार करने की आवश्यकता है कि विचलन कितना बड़ा है, और यह संभावित दुर्घटनाओं से कैसे संबंधित है। विचलन जितना अधिक होगा, उतनी ही कम संभावना है कि हड्डी बस उसी तरह गिर गई, और अधिक संभावना है कि समय-समय पर (हमेशा नहीं) एक नया प्राथमिक कण दिखाई दिया, जो इसे छः की तरह झूठ बोलने से रोकता था। माध्य से विचलन आसानी से "सिग्मा" में व्यक्त किया जाता है। "वन सिग्मा" विचलन का स्तर है जो "सबसे अधिक अपेक्षित" है (इसके विशिष्ट मूल्य की गणना भौतिकी या गणित संकाय के किसी भी तीसरे वर्ष के छात्र द्वारा की जा सकती है)। यदि पर्याप्त प्रयोग हैं, तो 5 सिग्मा का विचलन वह स्तर है जब राय "गलती से असंभव" पूरी तरह से निश्चित निश्चितता में बदल जाती है।

भौतिकविदों द्वारा 4 जुलाई को दो अलग-अलग डिटेक्टरों पर एक साथ विचलन के इस स्तर की उपलब्धि की घोषणा की गई थी। दोनों डिटेक्टरों ने बहुत समान व्यवहार किया कि वे कैसे व्यवहार करेंगे यदि मेज पर मजबूत प्रभाव से उत्पन्न कण वास्तव में हिग्स बोसोन थे; कड़ाई से बोलते हुए, इसका मतलब यह नहीं है कि यह वह है जो हमारे सामने है, हमें उसकी सभी अन्य विशेषताओं को अन्य डिटेक्टरों के साथ मापने की जरूरत है। लेकिन कुछ संदेह बाकी हैं।

अंत में, भविष्य में हमारा क्या इंतजार है। क्या एक "नई भौतिकी" की खोज की गई है, और क्या एक ऐसी सफलता प्राप्त हुई है जो हाइपरस्पेस इंजन और पूर्ण ईंधन बनाने के लिए हमारे लिए उपयोगी होगी? नहीं; और इसके विपरीत भी: यह स्पष्ट हो गया कि भौतिकी के उस हिस्से में जो प्राथमिक कणों का अध्ययन करता है, चमत्कार नहीं होते हैं, और प्रकृति को व्यावहारिक रूप से उस तरह से व्यवस्थित किया जाता है जिस तरह से भौतिकविदों ने सभी तरह से उम्मीद की थी (ठीक है, या लगभग ऐसा ही)। यह थोड़ा दुखद भी है।

स्थिति इस तथ्य से जटिल है कि हम निश्चित रूप से जानते हैं कि इसे सैद्धांतिक रूप से इस तरह से व्यवस्थित नहीं किया जा सकता है। मानक मॉडल विशुद्ध रूप से गणितीय रूप से आइंस्टीन के सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत के साथ असंगत है, और दोनों एक ही समय में सत्य नहीं हो सकते।

और अब कहां खोदना है यह अभी तक बहुत स्पष्ट नहीं है (ऐसा नहीं है कि कोई विचार नहीं हैं, बल्कि, इसके विपरीत: बहुत अधिक सैद्धांतिक संभावनाएं हैं, और उन्हें जांचने के बहुत कम तरीके हैं)। ठीक है, शायद कोई समझता है, लेकिन निश्चित रूप से मुझे नहीं। और इसलिए इस पोस्ट में बहुत समय पहले मैं अपनी क्षमता से परे चला गया था। अगर मैंने कहीं बहुत झूठ बोला है, तो कृपया मुझे सुधारें।

शिक्षाविद वालेरी रुबाकोव, रूसी विज्ञान अकादमी और मॉस्को स्टेट यूनिवर्सिटी के परमाणु अनुसंधान संस्थान।

4 जुलाई 2012 को, भौतिकी के लिए उत्कृष्ट महत्व की एक घटना हुई: सर्न (यूरोपियन सेंटर फॉर न्यूक्लियर रिसर्च) में एक संगोष्ठी में, एक नए कण की खोज की घोषणा की गई, जो कि खोज के लेखक सावधानी से घोषणा करते हैं, मेल खाती है प्राथमिक भौतिकी कणों के मानक मॉडल के सैद्धांतिक रूप से अनुमानित प्राथमिक बोसॉन के गुणों में। इसे आमतौर पर हिग्स बोसोन कहा जाता है, हालांकि यह नाम काफी पर्याप्त नहीं है। वैसे भी, हम मुख्य वस्तुओं में से एक की खोज के बारे में बात कर रहे हैं मौलिक भौतिकी, जिसका ज्ञात प्राथमिक कणों के बीच कोई एनालॉग नहीं है और दुनिया की भौतिक तस्वीर में एक अद्वितीय स्थान रखता है (देखें "विज्ञान और जीवन" नंबर 1, 1996, लेख "हिग्स बोसॉन आवश्यक है!")।

एलएचसी-बी डिटेक्टर को बी-मेसन - हैड्रॉन के गुणों का अध्ययन करने के लिए डिज़ाइन किया गया है जिसमें बी-क्वार्क होता है। ये कण जल्दी से क्षय हो जाते हैं, केवल एक मिलीमीटर के अंशों द्वारा कण बीम से दूर उड़ने में कामयाब होते हैं। फोटो: मैक्सिमिलियन ब्राइस, सर्न।

मानक मॉडल के प्राथमिक कण। उनमें से लगभग सभी के अपने-अपने एंटीपार्टिकल्स होते हैं, जिन्हें शीर्ष पर एक टिल्ड के साथ एक प्रतीक द्वारा दर्शाया जाता है।

सूक्ष्म जगत में सहभागिता। फोटोन (ए) के उत्सर्जन और अवशोषण के कारण विद्युत चुम्बकीय संपर्क होता है। कमजोर अंतःक्रियाएं एक समान प्रकृति की होती हैं: वे जेड-बोसोन (बी) या डब्ल्यू-बोसोन (सी) के उत्सर्जन, अवशोषण या क्षय के कारण होती हैं।

हिग्स बोसॉन एच (स्पिन 0) दो फोटॉन (स्पिन 1) में विघटित हो जाता है, जिनके स्पिन एंटीपैरलल होते हैं और 0 तक जोड़ते हैं।

जब एक फोटॉन उत्सर्जित होता है या एक तेज इलेक्ट्रॉन द्वारा Z-बोसोन उत्सर्जित होता है, तो गति की दिशा में इसके घूमने का प्रक्षेपण नहीं बदलता है। गोल तीर इलेक्ट्रॉन के आंतरिक घूर्णन को दर्शाता है।

एक समान चुंबकीय क्षेत्र में, एक इलेक्ट्रॉन क्षेत्र के साथ एक सीधी रेखा में और किसी अन्य दिशा में एक सर्पिल में चलता है।

एक बड़े तरंग दैर्ध्य का एक फोटॉन और इसलिए, कम ऊर्जा वाला π-मेसन - एक क्वार्क-एंटीक्वार्क जोड़ी की संरचना को हल करने में सक्षम नहीं है।

लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में गतिमान कण भारी ऊर्जाओं से टकराते हैं, जिससे कई माध्यमिक कणों - प्रतिक्रिया उत्पादों को जन्म मिलता है। उनमें से हिग्स बोसोन की खोज थी, जिसे भौतिकविदों को लगभग आधी सदी तक खोजने की उम्मीद थी।

1960 के दशक की शुरुआत में अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी पीटर वी। हिग्स ने साबित कर दिया कि प्राथमिक कणों के मानक मॉडल में एक और बोसोन होना चाहिए - एक क्षेत्र क्वांटम जो पदार्थ में द्रव्यमान बनाता है।

संगोष्ठी में और उससे पहले क्या हुआ था

संगोष्ठी की घोषणा जून के अंत में की गई थी, और यह तुरंत स्पष्ट हो गया कि यह असाधारण होगा। तथ्य यह है कि नए बोसॉन के अस्तित्व के पहले संकेत दिसंबर 2011 में सीईआरएन में लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (एलएचसी - लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर) में किए गए एटलस और सीएमएस प्रयोगों में प्राप्त हुए थे। इसके अलावा, संगोष्ठी से कुछ समय पहले, एक संदेश सामने आया कि प्रोटॉन-एंटीप्रोटॉन कोलाइडर टेवेट्रॉन (फर्मिलैब, यूएसए) के प्रायोगिक डेटा भी एक नए बोसॉन के अस्तित्व का संकेत देते हैं। यह सब अभी भी खोज के बारे में बात करने के लिए पर्याप्त नहीं था। लेकिन दिसंबर के बाद से, एलएचसी में एकत्र किए गए डेटा की मात्रा दोगुनी हो गई है और इसे संसाधित करने के तरीके और अधिक परिष्कृत हो गए हैं। परिणाम प्रभावशाली था: प्रत्येक एटलस और सीएमएस प्रयोगों में अलग-अलग, संकेत का सांख्यिकीय महत्व उस मूल्य तक पहुंच गया जिसे कण भौतिकी (पांच मानक विचलन) में खोज का स्तर माना जाता है।

उत्सव के माहौल में सेमिनार का आयोजन किया गया। सर्न में काम करने वाले शोधकर्ताओं और गर्मियों के कार्यक्रमों में शामिल छात्रों के अलावा, उच्च ऊर्जा भौतिकी पर सबसे बड़े सम्मेलन में प्रतिभागियों द्वारा इंटरनेट के माध्यम से "विज़िट" किया गया था, जो उसी दिन मेलबर्न में खोला गया था। संगोष्ठी पर वेबकास्ट किया गया था वैज्ञानिक केंद्रऔर दुनिया भर के विश्वविद्यालय, निश्चित रूप से, रूस सहित। सीएमएस सहयोगी जो इंकंडेला और एटलस सहयोगी फैबियोला जियानोटी द्वारा प्रभावशाली प्रदर्शन के बाद सीईओसर्न रॉल्फ ह्यूअर ने निष्कर्ष निकाला: "मुझे लगता है कि हमारे पास है!" ("मुझे लगता है कि हमारे हाथ में है!")।

तो "हमारे हाथ में" क्या है और सिद्धांतकार इसके साथ क्यों आए?

नया कण क्या है

माइक्रोवर्ल्ड के सिद्धांत का न्यूनतम संस्करण मानक मॉडल का अनाड़ी नाम रखता है। इसमें सभी ज्ञात प्राथमिक कण (हम उन्हें नीचे सूचीबद्ध करते हैं) और उनके बीच सभी ज्ञात बातचीत शामिल हैं। गुरुत्वाकर्षण संपर्क अलग है: यह प्राथमिक कणों के प्रकार पर निर्भर नहीं करता है, लेकिन आइंस्टीन के सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत द्वारा वर्णित है। हिग्स बोसोन मानक मॉडल का एकमात्र तत्व था जिसे हाल तक खोजा नहीं गया था।

हमने मानक मॉडल को न्यूनतम सटीक कहा क्योंकि इसमें कोई अन्य प्राथमिक कण नहीं हैं। विशेष रूप से, इसमें एक, और केवल एक, हिग्स बोसॉन है, और यह एक प्राथमिक कण है, न कि एक मिश्रित (अन्य संभावनाओं पर नीचे चर्चा की जाएगी)। मानक मॉडल के अधिकांश पहलुओं, नए क्षेत्र के अपवाद के साथ, जिसमें हिग्स बोसोन संबंधित है, को कई प्रयोगों में सत्यापित किया गया है, और एलएचसी कार्य कार्यक्रम में मुख्य कार्य यह पता लगाना है कि सिद्धांत का न्यूनतम संस्करण वास्तव में है या नहीं। प्रकृति में महसूस किया गया है और यह सूक्ष्म जगत का पूरी तरह से वर्णन करता है।

इस कार्यक्रम के निष्पादन के दौरान, एक नए कण की खोज की गई, जो कि माइक्रोवर्ल्ड के भौतिकी के मानकों से काफी भारी है। विज्ञान के इस क्षेत्र में द्रव्यमान को ऊर्जा की इकाइयों में मापा जाता है, जिसका अर्थ है द्रव्यमान और शेष ऊर्जा के बीच संबंध E = mc 2। ऊर्जा की इकाई इलेक्ट्रॉन वोल्ट (eV) है - वह ऊर्जा जो एक इलेक्ट्रॉन 1 वोल्ट के संभावित अंतर को पार करने के बाद प्राप्त करता है, और इसके डेरिवेटिव - MeV (मिलियन, 10 6 eV), GeV (अरब, 10 9 eV), TeV (ट्रिलियन, 10 12 ईवी)। इन इकाइयों में एक इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान 0.5 MeV है, एक प्रोटॉन लगभग 1 GeV है, और सबसे भारी ज्ञात प्राथमिक कण, t-क्वार्क, 173 GeV है। तो, नए कण का द्रव्यमान 125-126 GeV है (अनिश्चितता माप त्रुटि से संबंधित है)। आइए इस नए कण को ​​एच कहते हैं।

इसका कोई विद्युत आवेश नहीं है, अस्थिर है और विभिन्न तरीकों से क्षय हो सकता है। यह सर्न लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में दो फोटोन, एच → , और दो इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन और/या म्यूऑन-एंटीमुऑन जोड़े, एच ​​→ ई + ई - ई + ई -, एच → ई + ई में क्षय का अध्ययन करके खोजा गया था। - μ + μ - , एच → μ + μ - μ + μ-। दूसरे प्रकार की प्रक्रियाओं को एच → 4ℓ के रूप में लिखा जाता है, जहां कणों में से एक ई +, ई -, μ + या μ - को दर्शाता है (उन्हें लेप्टन कहा जाता है)। CMS और ATLAS दोनों ही कुछ अधिक घटनाओं की रिपोर्ट करते हैं, जिन्हें H → 2ℓ2ν क्षय द्वारा समझाया जा सकता है, जहाँ एक न्यूट्रिनो है। हालाँकि, इस अधिकता का अभी तक उच्च सांख्यिकीय महत्व नहीं है।

सामान्य तौर पर, नए कण के बारे में अब जो कुछ भी जाना जाता है, वह हिग्स बोसोन के रूप में इसकी व्याख्या के अनुरूप है, जिसकी भविष्यवाणी प्राथमिक कणों के सिद्धांत के सबसे सरल संस्करण - मानक मॉडल द्वारा की जाती है। मानक मॉडल के ढांचे के भीतर, लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में प्रोटॉन-प्रोटॉन टकराव में हिग्स बोसोन के उत्पादन की संभावना और इसके क्षय की संभावनाओं की गणना करना संभव है, और इस तरह अपेक्षित घटनाओं की संख्या की भविष्यवाणी करना संभव है। प्रयोगों द्वारा भविष्यवाणियों की अच्छी तरह से पुष्टि की जाती है, लेकिन निश्चित रूप से, त्रुटियों की सीमा के भीतर। प्रयोगात्मक त्रुटियां अभी भी बड़ी हैं, और अभी भी बहुत कम मापा मान हैं। फिर भी, यह संदेह करना मुश्किल है कि यह हिग्स बोसोन या उससे मिलता-जुलता कुछ था जिसे खोजा गया था, विशेष रूप से यह देखते हुए कि ये क्षय बहुत दुर्लभ होना चाहिए: 1000 में से 2 हिग्स बोसोन दो फोटॉन में क्षय हो जाते हैं, और 10,000 में से 1 में 4ℓ.

आधे से अधिक मामलों में, हिग्स बोसोन को बी-क्वार्क - बी-एंटीक्वार्क: एच → बीबी̃ की एक जोड़ी में क्षय होना चाहिए। प्रोटॉन-प्रोटॉन (और प्रोटॉन-एंटीप्रोटॉन) टकरावों में बीबीओ जोड़ी का जन्म एक बहुत ही लगातार घटना है और बिना किसी हिग्स बोसॉन के, और इस "शोर" से सिग्नल को अलग करना अभी तक संभव नहीं है (भौतिकविदों का कहना है - पृष्ठभूमि) एलएचसी में प्रयोगों में। यह आंशिक रूप से टेवेट्रॉन कोलाइडर पर हासिल किया गया था, और यद्यपि सांख्यिकीय महत्व काफी कम है, ये डेटा मानक मॉडल की भविष्यवाणियों के अनुरूप भी हैं।

सभी प्राथमिक कणों में स्पिन - आंतरिक कोणीय गति होती है। प्लैंक के स्थिरांक की इकाइयों में एक कण का चक्कर पूर्णांक (शून्य सहित) या आधा-पूर्णांक हो सकता है। पूर्णांक स्पिन वाले कणों को बोसॉन कहा जाता है, आधे पूर्णांक वाले कणों को फ़र्मियन कहा जाता है। एक इलेक्ट्रॉन का स्पिन 1/2 होता है, एक फोटॉन का स्पिन 1 होता है। एक नए कण के क्षय उत्पादों के विश्लेषण से यह पता चलता है कि इसका स्पिन पूर्णांक है, यानी यह एक बोसॉन है। यह फोटॉन एच → की एक जोड़ी में एक कण के क्षय में कोणीय गति के संरक्षण से निम्नानुसार है कि प्रत्येक फोटॉन का स्पिन पूर्णांक है; अंतिम स्थिति (फोटॉन की एक जोड़ी) का कुल कोणीय गति हमेशा बरकरार रहती है। इसका मतलब है कि प्रारंभिक अवस्था में भी एक पूर्णांक मान होता है।

इसके अलावा, यह एकता के बराबर नहीं है: स्पिन 1 का एक कण स्पिन 1 के साथ दो फोटॉनों में क्षय नहीं हो सकता है। स्पिन 0 रहता है; 2 या अधिक। हालांकि नए कण के स्पिन को अभी तक मापा नहीं गया है, यह बेहद कम संभावना है कि हम स्पिन 2 या अधिक के कण के साथ काम कर रहे हैं। लगभग निश्चित रूप से स्पिन शून्य, और जैसा कि हम देखेंगे, यही हिग्स बोसोन होना चाहिए।

नए कण के ज्ञात गुणों के विवरण को समाप्त करते हुए, मान लें कि यह सूक्ष्म जगत के भौतिकी के मानकों के अनुसार काफी लंबे समय तक रहता है। प्रयोगात्मक डेटा के आधार पर, इसके जीवनकाल का कम अनुमान Т एच > 10 -24 सेकेंड देता है, जो मानक मॉडल की भविष्यवाणी का खंडन नहीं करता है: Т एच = 1.6·10 -22 एस। तुलना के लिए: टी-क्वार्क टी टी = 3·10 -25 एस का जीवनकाल। ध्यान दें कि एलएचसी पर एक नए कण के जीवनकाल का प्रत्यक्ष माप शायद ही संभव है।

एक और बोसॉन क्यों?

पर क्वांटम भौतिकीप्रत्येक प्राथमिक कण कुछ क्षेत्र की मात्रा के रूप में कार्य करता है, और इसके विपरीत: प्रत्येक क्षेत्र का अपना कण-क्वांटम होता है; सबसे प्रसिद्ध उदाहरण विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र और इसकी क्वांटम, फोटॉन है। इसलिए, शीर्षक में उठाए गए प्रश्न को निम्नानुसार सुधारा जा सकता है:

नए क्षेत्र की आवश्यकता क्यों है और इसके अपेक्षित गुण क्या हैं?

संक्षिप्त उत्तर यह है कि माइक्रोवर्ल्ड के सिद्धांत की समरूपता - चाहे वह मानक मॉडल हो या कुछ और जटिल सिद्धांत - प्राथमिक कणों को द्रव्यमान रखने से मना करता है, और नया क्षेत्र इन समरूपताओं को तोड़ता है और कण द्रव्यमान के अस्तित्व को सुनिश्चित करता है। मानक मॉडल में - सिद्धांत का सबसे सरल संस्करण (लेकिन केवल इसमें!) - नए क्षेत्र के सभी गुण और, तदनुसार, नए बोसॉन, इसके द्रव्यमान के अपवाद के साथ, समरूपता के आधार पर फिर से स्पष्ट रूप से भविष्यवाणी की जाती है विचार जैसा कि हमने कहा, उपलब्ध प्रायोगिक डेटा सिद्धांत के सबसे सरल संस्करण के अनुरूप हैं, लेकिन ये डेटा अभी भी दुर्लभ हैं, और यह स्पष्ट करने के लिए एक लंबा काम किया जाना बाकी है कि प्राथमिक कण भौतिकी का नया क्षेत्र वास्तव में कैसे संरचित है।

आइए, कम से कम सामान्य शब्दों में, सूक्ष्म जगत के भौतिकी में समरूपता की भूमिका पर विचार करें।

समरूपता, संरक्षण कानून और निषेध

भौतिक सिद्धांतों की एक सामान्य संपत्ति, चाहे वह न्यूटनियन यांत्रिकी हो, सापेक्षता के विशेष सिद्धांत के यांत्रिकी, क्वांटम यांत्रिकी या माइक्रोवर्ल्ड के सिद्धांत, यह है कि प्रत्येक समरूपता का अपना संरक्षण कानून होता है। उदाहरण के लिए, समय में बदलाव के संबंध में समरूपता (अर्थात, तथ्य यह है कि भौतिकी के नियम हर समय समान हैं) ऊर्जा के संरक्षण के कानून के अनुरूप हैं, अंतरिक्ष में बदलाव के संबंध में समरूपता कानून के अनुरूप है संवेग के संरक्षण का, और इसमें घूर्णन के संबंध में समरूपता (अंतरिक्ष में सभी दिशाएँ समान हैं) कोणीय गति के संरक्षण का नियम है। संरक्षण कानूनों की व्याख्या निषेध के रूप में भी की जा सकती है: सूचीबद्ध समरूपता इसके विकास के दौरान एक बंद प्रणाली की ऊर्जा, गति और कोणीय गति में परिवर्तन को प्रतिबंधित करती है।

और इसके विपरीत: प्रत्येक संरक्षण कानून की अपनी समरूपता होती है; क्वांटम सिद्धांत में भी यह कथन बिल्कुल सटीक है। प्रश्न यह है कि विद्युत आवेश के संरक्षण के नियम से कौन सी समरूपता मेल खाती है? यह स्पष्ट है कि अंतरिक्ष और समय की समरूपता, जिसका हमने अभी उल्लेख किया है, का इससे कोई लेना-देना नहीं है। फिर भी, स्पष्ट, अंतरिक्ष-समय समरूपता के अलावा, गैर-स्पष्ट, "आंतरिक" समरूपताएं हैं। उनमें से एक विद्युत आवेश के संरक्षण की ओर ले जाता है। हमारे लिए यह महत्वपूर्ण है कि यह वही आंतरिक समरूपता (केवल एक विस्तारित अर्थ में समझा जाता है - भौतिक विज्ञानी "गेज इनवेरिएंस" शब्द का उपयोग करते हैं) बताते हैं कि फोटॉन का कोई द्रव्यमान क्यों नहीं है। एक फोटॉन में द्रव्यमान की अनुपस्थिति, बदले में, इस तथ्य से निकटता से संबंधित है कि प्रकाश में केवल दो प्रकार के ध्रुवीकरण होते हैं - बाएं और दाएं।

केवल दो प्रकार के प्रकाश ध्रुवीकरण की उपस्थिति और एक फोटॉन में द्रव्यमान की अनुपस्थिति के बीच संबंध की व्याख्या करने के लिए, आइए कुछ समय के लिए समरूपता के बारे में बात करें और फिर से याद करें कि प्राथमिक कणों की विशेषता स्पिन, अर्ध-पूर्णांक या इकाइयों में पूर्णांक है। प्लैंक स्थिरांक . प्राथमिक फर्मियन (अर्ध-पूर्णांक स्पिन के कण) में स्पिन 1/2 होता है। ये हैं इलेक्ट्रॉन ई, इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो ई, इलेक्ट्रॉन के भारी एनालॉग - म्यूऑन μ और ताऊ लेप्टन τ, उनके न्यूट्रिनो ν μ और ν , छह प्रकार के क्वार्क यू, डी, सी, एस, टी, बी और उन सभी के अनुरूप एंटीपार्टिकल्स (पॉज़िट्रॉन ई +, इलेक्ट्रॉनिक एंटीन्यूट्रिनो ν̃ ई, एंटीक्वार्क ũ, आदि)। यू और डी क्वार्क हल्के होते हैं, और वे प्रोटॉन (क्वार्क संरचना यूयूडी) और न्यूट्रॉन (यूडीडी) बनाते हैं। शेष क्वार्क (सी, टी, एस, बी) भारी हैं; वे अल्पकालिक कणों का हिस्सा हैं, उदाहरण के लिए, के-मेसन।

बोसॉन, एक पूरे स्पिन के कणों में न केवल फोटॉन, बल्कि इसके दूर के समकक्ष भी शामिल हैं - ग्लून्स (स्पिन 1)। ग्लून्स क्वार्क के बीच परस्पर क्रिया के लिए जिम्मेदार होते हैं और उन्हें एक प्रोटॉन, न्यूट्रॉन और अन्य यौगिक कणों में बांधते हैं। इसके अलावा, स्पिन 1 के तीन और कण हैं - विद्युत आवेशित W + , W - -बोसोन और एक तटस्थ Z-बोसोन, जिसकी चर्चा नीचे की जाएगी। ठीक है, हिग्स बोसोन, जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, शून्य स्पिन होना चाहिए। अब हमने मानक मॉडल में उपलब्ध सभी प्राथमिक कणों को सूचीबद्ध किया है।

स्पिन s (ћ की इकाइयों में) के एक विशाल कण में किसी दिए गए अक्ष पर विभिन्न स्पिन अनुमानों के साथ 2s + 1 राज्य होते हैं (स्पिन एक आंतरिक कोणीय गति एक वेक्टर है, इसलिए किसी दिए गए अक्ष पर इसके प्रक्षेपण की अवधारणा का सामान्य अर्थ है ) उदाहरण के लिए, एक इलेक्ट्रॉन (एस = 1/2) के अपने बाकी फ्रेम में स्पिन को निर्देशित किया जा सकता है, कह सकते हैं, ऊपर (एस 3 = +1/2) या नीचे (एस 3 = -1/2)। बोसॉन जेड में एक गैर-शून्य द्रव्यमान है और स्पिन s = 1 है, इसलिए इसकी तीन अवस्थाएँ अलग-अलग स्पिन अनुमानों के साथ हैं: s 3 = +1, 0 या -1। द्रव्यमान रहित कणों के साथ स्थिति काफी अलग है। चूंकि वे प्रकाश की गति से उड़ते हैं, इसलिए एक संदर्भ फ्रेम में जाना असंभव है जहां ऐसा कण आराम पर है। फिर भी, हम इसके हेलीकॉप्टर के बारे में बात कर सकते हैं - गति की दिशा में स्पिन का प्रक्षेपण। इसलिए, हालांकि एक फोटॉन का स्पिन एक के बराबर होता है, ऐसे केवल दो अनुमान होते हैं - गति की दिशा में और इसके विपरीत। यह प्रकाश (फोटॉन) का दायां और बायां ध्रुवीकरण है। शून्य स्पिन प्रक्षेपण के साथ तीसरा राज्य, जो फोटॉन के द्रव्यमान होने पर अस्तित्व में होगा, इलेक्ट्रोडायनामिक्स की गहरी आंतरिक समरूपता से मना किया जाता है, बहुत समरूपता जो विद्युत चार्ज के संरक्षण की ओर ले जाती है। इस प्रकार, यह आंतरिक समरूपता एक फोटॉन के द्रव्यमान के अस्तित्व को भी मना करती है!

कुछ गड़बड़ है

हालांकि, हमारे लिए दिलचस्पी फोटॉन नहीं है, लेकिन डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन हैं। इन कणों की खोज 1983 में सीईआरएन में एसपीपीएस प्रोटॉन-एंटीप्रोटॉन कोलाइडर में की गई थी और सिद्धांतकारों द्वारा बहुत पहले भविष्यवाणी की गई थी, इनका द्रव्यमान काफी बड़ा है: डब्ल्यू ± -बोसोन का द्रव्यमान 80 जीवी (प्रोटॉन से लगभग 80 गुना भारी) होता है, और जेड -बोसोन - 91 जीवी। डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन के गुण मुख्य रूप से इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर एलईपी (सीईआरएन) और एसएलसी (एसएलएसी, यूएसए) और प्रोटॉन-एंटीप्रोटॉन कोलाइडर टेवेट्रॉन (फर्मिलाब, यूएसए) में प्रयोगों के कारण जाने जाते हैं: माप सटीकता डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन से संबंधित कई मात्राओं में, 0.1% से बेहतर। उनके गुण, और अन्य कण भी, मानक मॉडल द्वारा पूरी तरह से वर्णित हैं। यह इलेक्ट्रॉनों, न्यूट्रिनो, क्वार्क और अन्य कणों के साथ डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन की बातचीत पर भी लागू होता है। वैसे, इस तरह की बातचीत को कमजोर कहा जाता है। उनका विस्तार से अध्ययन किया गया है; बहुत समय पहले में से एक प्रसिद्ध उदाहरणउनकी अभिव्यक्तियाँ म्यूऑन, न्यूट्रॉन और नाभिक के बीटा क्षय हैं।

जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन में से प्रत्येक तीन स्पिन राज्यों में हो सकता है, और दो में नहीं, एक फोटॉन की तरह। हालांकि, वे सैद्धांतिक रूप से फोटॉन की तरह ही फ़र्मियन (न्यूट्रिनो, क्वार्क, इलेक्ट्रॉन, आदि) के साथ बातचीत करते हैं। उदाहरण के लिए, एक फोटॉन एक इलेक्ट्रॉन के विद्युत आवेश और गतिमान इलेक्ट्रॉन द्वारा निर्मित विद्युत प्रवाह के साथ परस्पर क्रिया करता है। उसी तरह, Z-बोसोन इलेक्ट्रॉन के एक निश्चित आवेश और इलेक्ट्रॉन के चलने पर होने वाली धारा के साथ परस्पर क्रिया करता है, केवल यह आवेश और धारा एक गैर-विद्युत प्रकृति के होते हैं। एक महत्वपूर्ण विशेषता तक, जिस पर शीघ्र ही चर्चा की जाएगी, सादृश्य पूर्ण हो जाएगा, यदि विद्युत आवेश के अलावा, एक Z- आवेश को भी इलेक्ट्रॉन के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है। क्वार्क और न्यूट्रिनो दोनों के अपने-अपने Z-आवेश होते हैं।

इलेक्ट्रोडायनामिक्स के साथ सादृश्य और भी आगे बढ़ता है। फोटॉन सिद्धांत की तरह, डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन के सिद्धांत में एक गहरी आंतरिक समरूपता है, जो उसके करीब है जो विद्युत चार्ज के संरक्षण के कानून की ओर ले जाती है। फोटॉन के साथ पूर्ण सादृश्य में, यह W ± - और Z-bosons को तीसरे ध्रुवीकरण के लिए मना करता है, और इसलिए, एक द्रव्यमान। यह वह जगह है जहां विसंगति निकलती है: स्पिन 1 के कण के द्रव्यमान पर समरूपता निषेध एक फोटॉन के लिए काम करता है, लेकिन डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन के लिए नहीं!

आगे। इलेक्ट्रॉनों, न्यूट्रिनो, क्वार्क और अन्य कणों की W ± - और Z-बोसोन के साथ कमजोर अंतःक्रियाएं होती हैं जैसे कि इन फ़र्मियनों का कोई द्रव्यमान नहीं था! ध्रुवीकरण की संख्या का इससे कोई लेना-देना नहीं है: बड़े पैमाने पर और द्रव्यमान रहित दोनों प्रकार के फ़र्मों में दो ध्रुवीकरण (स्पिन दिशाएँ) होते हैं। मुद्दा यह है कि कैसे फर्मियन डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन के साथ बातचीत करते हैं।

समस्या के सार को स्पष्ट करने के लिए, हम पहले इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान को बंद करते हैं (सिद्धांत रूप में इसकी अनुमति है) और एक काल्पनिक दुनिया पर विचार करें जिसमें इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान शून्य हो। ऐसी दुनिया में, एक इलेक्ट्रॉन प्रकाश की गति से उड़ता है और गति की दिशा में या इसके विपरीत एक स्पिन को निर्देशित कर सकता है। फोटॉन के लिए, पहले मामले में यह सही ध्रुवीकरण के साथ एक इलेक्ट्रॉन के बारे में बात करने के लिए समझ में आता है, या, संक्षेप में, दाएं इलेक्ट्रॉन के बारे में, दूसरे में, बाएं।

चूंकि हम अच्छी तरह से जानते हैं कि विद्युत चुम्बकीय और कमजोर बातचीत(और केवल उनमें इलेक्ट्रॉन भाग लेता है), हम अपनी काल्पनिक दुनिया में इलेक्ट्रॉन के गुणों का वर्णन करने में काफी सक्षम हैं। और वे कर रहे हैं।

सबसे पहले, इस दुनिया में, दाएं और बाएं इलेक्ट्रॉन दो पूरी तरह से अलग कण हैं: दायां इलेक्ट्रॉन कभी भी बाएं में नहीं बदलता है और इसके विपरीत। यह कोणीय गति (इस मामले में, स्पिन) के संरक्षण के कानून द्वारा निषिद्ध है, और एक फोटॉन और जेड-बोसोन के साथ एक इलेक्ट्रॉन की बातचीत इसके ध्रुवीकरण को नहीं बदलती है। दूसरे, केवल बायां इलेक्ट्रॉन W-बोसोन के साथ एक इलेक्ट्रॉन की बातचीत का अनुभव करता है, जबकि दायां इलेक्ट्रॉन इसमें बिल्कुल भी भाग नहीं लेता है। तीसरी महत्वपूर्ण विशेषता जिसका हमने पहले इस चित्र में उल्लेख किया है, वह यह है कि बाएँ और दाएँ इलेक्ट्रॉनों के Z-आवेश अलग-अलग होते हैं, और बायाँ इलेक्ट्रॉन Z-बोसोन के साथ दाएँ से अधिक दृढ़ता से संपर्क करता है। म्यूऑन, ताऊ लेप्टन और क्वार्क में समान गुण होते हैं।

हम इस बात पर जोर देते हैं कि एक काल्पनिक दुनिया में बड़े पैमाने पर फर्मियन के साथ, इस तथ्य के साथ कोई समस्या नहीं है कि बाएं और दाएं इलेक्ट्रॉन डब्ल्यू- और जेड-बोसोन के साथ अलग-अलग बातचीत करते हैं और विशेष रूप से, "बाएं" और "दाएं" जेड-चार्ज हैं को अलग। इस दुनिया में, बाएं और दाएं इलेक्ट्रॉन अलग-अलग कण हैं, और यही वह है: हम आश्चर्यचकित नहीं हैं, उदाहरण के लिए, एक इलेक्ट्रॉन और न्यूट्रिनो के अलग-अलग विद्युत आवेश होते हैं: -1 और 0।

इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान सहित, हम तुरंत एक विरोधाभास पर आते हैं। एक तेज इलेक्ट्रॉन, जिसकी गति प्रकाश की गति के करीब है, और जिसका स्पिन गति की दिशा के विपरीत है, लगभग हमारी काल्पनिक दुनिया के बाएं इलेक्ट्रॉन के समान दिखता है। और इसे उसी तरह से बातचीत करनी चाहिए। यदि इसकी परस्पर क्रिया को Z- आवेश से जोड़ा जाता है, तो इसका Z- आवेश मान "बाएं" होता है, जो काल्पनिक दुनिया के बाएं इलेक्ट्रॉन के समान होता है। हालांकि, एक विशाल इलेक्ट्रॉन की गति अभी भी प्रकाश की गति से कम है, और हमेशा तेजी से आगे बढ़ने वाले संदर्भ फ्रेम पर स्विच करना हमेशा संभव होता है। पर नई प्रणालीइलेक्ट्रॉन की गति की दिशा विपरीत दिशा में बदल जाएगी, और स्पिन की दिशा वही रहेगी।

गति की दिशा में स्पिन का प्रक्षेपण अब सकारात्मक होगा, और ऐसा इलेक्ट्रॉन बाएं नहीं बल्कि दाएं जैसा दिखेगा। तदनुसार, इसका Z-आवेश वैसा ही होना चाहिए जैसा कि काल्पनिक दुनिया से सही इलेक्ट्रॉन का होता है। लेकिन यह नहीं हो सकता: चार्ज का मूल्य संदर्भ के फ्रेम पर निर्भर नहीं होना चाहिए। एक अंतर्विरोध है। हम इस बात पर जोर देते हैं कि हम यह मानकर पहुंचे कि Z- चार्ज संरक्षित है; अन्यथा, किसी दिए गए कण के लिए इसके महत्व के बारे में बात करने की आवश्यकता नहीं है।

इस विरोधाभास से पता चलता है कि मानक मॉडल की समरूपता (निश्चितता के लिए, हम इसके बारे में बात करेंगे, हालांकि जो कुछ भी कहा गया है वह सिद्धांत के किसी अन्य संस्करण पर लागू होता है) को न केवल डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन के लिए जनता के अस्तित्व को रोकना चाहिए, बल्कि फर्मियन के लिए भी। लेकिन समरूपता के बारे में क्या?

यह देखते हुए कि उन्हें जेड-चार्ज के संरक्षण का नेतृत्व करना चाहिए था। एक इलेक्ट्रॉन के Z-आवेश को मापकर, हम स्पष्ट रूप से कह सकते हैं कि यह इलेक्ट्रॉन बाएँ या दाएँ है। और यह तभी संभव है जब इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान शून्य हो।

इस प्रकार, ऐसी दुनिया में जहां मानक मॉडल की सभी समरूपताएं उसी तरह महसूस की जाएंगी जैसे इलेक्ट्रोडायनामिक्स में, सभी प्राथमिक कणों में शून्य द्रव्यमान होगा। लेकिन वास्तविक दुनिया में, उनके पास द्रव्यमान है, जिसका अर्थ है कि मानक मॉडल की समरूपता के साथ कुछ होना चाहिए।

समरूपता तोड़ना

संरक्षण कानूनों और निषेधों के साथ समरूपता के संबंध के बारे में बोलते हुए, हमने एक परिस्थिति को खो दिया है। यह इस तथ्य में निहित है कि संरक्षण कानून और समरूपता निषेध तभी संतुष्ट होते हैं जब समरूपता स्पष्ट रूप से मौजूद होती है। हालाँकि, समरूपता को भी तोड़ा जा सकता है। उदाहरण के लिए, कमरे के तापमान पर लोहे के सजातीय नमूने में, एक दिशा में निर्देशित एक चुंबकीय क्षेत्र हो सकता है; तो नमूना एक चुंबक है। यदि इसके अंदर सूक्ष्म जीव रहते हैं, तो वे पाएंगे कि अंतरिक्ष की सभी दिशाएँ समान नहीं हैं। चुंबकीय क्षेत्र में उड़ने वाला एक इलेक्ट्रॉन चुंबकीय क्षेत्र से लोरेंत्ज़ बल से प्रभावित होता है, जबकि इसके साथ उड़ने वाला इलेक्ट्रॉन बल से प्रभावित नहीं होता है। एक इलेक्ट्रॉन एक चुंबकीय क्षेत्र के साथ एक सीधी रेखा में, पूरे क्षेत्र में एक वृत्त में, और सामान्य स्थिति में - एक सर्पिल में चलता है। इसलिए, नमूने के अंदर चुंबकीय क्षेत्र अंतरिक्ष में घूर्णन के संबंध में समरूपता को तोड़ता है। इस संबंध में, चुंबक के अंदर कोणीय गति के संरक्षण का नियम भी पूरा नहीं होता है: जब एक इलेक्ट्रॉन एक सर्पिल में चलता है, तो चुंबकीय क्षेत्र के लंबवत अक्ष पर कोणीय गति का प्रक्षेपण समय के साथ बदलता है।

यहां हम सहज समरूपता के टूटने से निपट रहे हैं। बाहरी प्रभावों की अनुपस्थिति में (उदाहरण के लिए, पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र), लोहे के विभिन्न नमूनों में, चुंबकीय क्षेत्र को अलग-अलग दिशाओं में निर्देशित किया जा सकता है, और इनमें से कोई भी दिशा दूसरे के लिए बेहतर नहीं है। घूर्णन के संबंध में मूल समरूपता अभी भी मौजूद है और स्वयं को इस तथ्य में प्रकट करती है कि नमूने में चुंबकीय क्षेत्र को कहीं भी निर्देशित किया जा सकता है। लेकिन जब से चुंबकीय क्षेत्र प्रकट हुआ, एक पसंदीदा दिशा दिखाई दी, और चुंबक के अंदर की समरूपता टूट गई। अधिक औपचारिक स्तर पर, एक दूसरे के साथ और चुंबकीय क्षेत्र के साथ लोहे के परमाणुओं की बातचीत को नियंत्रित करने वाले समीकरण अंतरिक्ष में घूर्णन के संबंध में सममित हैं, लेकिन इन परमाणुओं की प्रणाली की स्थिति-एक लोहे का नमूना-सममित नहीं है। यह सहज समरूपता के टूटने की घटना है। ध्यान दें कि हम यहां सबसे अनुकूल राज्य के बारे में बात कर रहे हैं, जिसमें सबसे कम ऊर्जा है; इस राज्य को मुख्य राज्य कहा जाता है। यह वह जगह है जहां लोहे का नमूना अंततः समाप्त हो जाएगा, भले ही वह मूल रूप से अचुंबकीय था।

तो, कुछ समरूपता का स्वतःस्फूर्त टूटना तब होता है जब सिद्धांत के समीकरण सममित होते हैं, लेकिन जमीनी अवस्था नहीं होती है। इस मामले में "सहज" शब्द का प्रयोग इस तथ्य के कारण किया जाता है कि सिस्टम स्वयं, हमारी भागीदारी के बिना, एक असममित राज्य चुनता है, क्योंकि यह वह राज्य है जो ऊर्जावान रूप से सबसे अधिक फायदेमंद है। उपरोक्त उदाहरण से यह स्पष्ट है कि यदि समरूपता अनायास टूट जाती है, तो इससे उत्पन्न होने वाले संरक्षण नियम और निषेध काम नहीं करते हैं; हमारे उदाहरण में, यह कोणीय गति के संरक्षण को संदर्भित करता है। हम इस बात पर जोर देते हैं कि सिद्धांत की पूर्ण समरूपता को केवल आंशिक रूप से तोड़ा जा सकता है: हमारे उदाहरण में, अंतरिक्ष में सभी घूर्णन के संबंध में पूर्ण समरूपता से, चुंबकीय क्षेत्र की दिशा के चारों ओर घूर्णन के संबंध में समरूपता स्पष्ट, अखंड रहती है।

चुंबक के अंदर रहने वाले सूक्ष्म जीव खुद से सवाल पूछ सकते हैं: "हमारी दुनिया में, सभी दिशाएं समान नहीं हैं, कोणीय गति संरक्षित नहीं है, लेकिन क्या घूर्णन के संबंध में अंतरिक्ष वास्तव में विषम है?" इलेक्ट्रॉनों की गति का अध्ययन करने और संबंधित सिद्धांत (इस मामले में, इलेक्ट्रोडायनामिक्स) का निर्माण करने के बाद, वे समझेंगे कि इस प्रश्न का उत्तर नकारात्मक है: इसके समीकरण सममित हैं, लेकिन चुंबकीय क्षेत्र "स्पिल" के कारण यह समरूपता अनायास टूट जाती है। हर जगह। सिद्धांत को और विकसित करते हुए, वे भविष्यवाणी करेंगे कि स्वतःस्फूर्त समरूपता तोड़ने के लिए जिम्मेदार क्षेत्र का अपना क्वांटा, फोटॉन होना चाहिए। और, चुंबक के अंदर एक छोटा त्वरक बनाने के बाद, उन्हें यह आश्वस्त होने में खुशी होगी कि ये क्वांटा वास्तव में मौजूद हैं - वे इलेक्ट्रॉनों के टकराव में पैदा हुए हैं!

सामान्य शब्दों में, प्राथमिक कण भौतिकी में स्थिति वर्णित के समान है। लेकिन महत्वपूर्ण अंतर भी हैं। सबसे पहले, लोहे के परमाणुओं की क्रिस्टल जाली जैसे किसी माध्यम के बारे में बात करने की आवश्यकता नहीं है। प्रकृति में, न्यूनतम ऊर्जा अवस्था निर्वात है (परिभाषा के अनुसार!)। इसका मतलब यह नहीं है कि एक निर्वात में, प्रकृति की जमीनी स्थिति, हमारे उदाहरण में चुंबकीय क्षेत्र की तरह समान रूप से "फैलाना" क्षेत्र नहीं हो सकता है। इसके विपरीत, हमने जिन विसंगतियों के बारे में बात की थी, वे संकेत देते हैं कि मानक मॉडल की समरूपता (अधिक सटीक, उनमें से एक हिस्सा) को अनायास टूट जाना चाहिए, और इससे पता चलता है कि निर्वात में किसी प्रकार का क्षेत्र है जो इस उल्लंघन को सुनिश्चित करता है। दूसरे, हम अंतरिक्ष-समय के बारे में बात नहीं कर रहे हैं, जैसा कि हमारे उदाहरण में है, लेकिन आंतरिक समरूपता के बारे में। इसके विपरीत, रिक्त स्थान में एक क्षेत्र की उपस्थिति के कारण अंतरिक्ष-समय समरूपता का उल्लंघन नहीं किया जाना चाहिए। इससे एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष निकलता है: चुंबकीय क्षेत्र के विपरीत, इस क्षेत्र को अंतरिक्ष में किसी भी दिशा को अलग नहीं करना चाहिए (अधिक सटीक रूप से, अंतरिक्ष-समय में, क्योंकि हम सापेक्ष भौतिकी के साथ काम कर रहे हैं)। इस गुण वाले क्षेत्र को अदिश कहा जाता है; वे स्पिन 0 के कणों के अनुरूप हैं। इसलिए, निर्वात में "गिरा हुआ" क्षेत्र और समरूपता को तोड़ने के लिए अग्रणी अब तक अज्ञात, नया होना चाहिए। वास्तव में, ज्ञात क्षेत्र जिनका हमने स्पष्ट रूप से या परोक्ष रूप से ऊपर उल्लेख किया है - विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र, डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन, ग्लून्स के क्षेत्र - स्पिन के कणों के अनुरूप हैं। ऐसे क्षेत्र अंतरिक्ष-समय में दिशाओं को अलग करते हैं और वेक्टर कहलाते हैं, और हमें एक फील्ड स्केलर चाहिए। फ़र्मियन (स्पिन 1/2) से संबंधित फ़ील्ड भी अच्छे नहीं हैं। तीसरा, नए क्षेत्र को मानक मॉडल की समरूपता को पूरी तरह से नहीं तोड़ना चाहिए, इलेक्ट्रोडायनामिक्स की आंतरिक समरूपता अखंड रहना चाहिए। अंत में, और सबसे महत्वपूर्ण बात, नए क्षेत्र की बातचीत, वैक्यूम में "स्पिल्ड", डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन, इलेक्ट्रॉनों और अन्य फर्मों के साथ इन कणों के लिए द्रव्यमान की उपस्थिति का कारण बनना चाहिए।

स्पिन 1 (प्रकृति में, ये डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन हैं) के साथ कणों के द्रव्यमान को उत्पन्न करने के लिए तंत्र को सहज समरूपता तोड़ने के कारण ब्रसेल्स फ्रैंकोइस एंगलर और रॉबर्ट ब्रूट के सिद्धांतकारों द्वारा 1964 में प्राथमिक कण भौतिकी के संदर्भ में प्रस्तावित किया गया था। थोड़ी देर बाद एडिनबर्ग के भौतिक विज्ञानी पीटर हिग्स द्वारा।

शोधकर्ताओं ने सहज समरूपता तोड़ने की अवधारणा पर भरोसा किया (लेकिन वेक्टर क्षेत्रों के बिना सिद्धांतों में, यानी स्पिन 1 के कणों के बिना), जिसे 1960-1961 में वाई। नंबू के कार्यों में पेश किया गया था, उन्होंने जे। जोना के साथ मिलकर -लासिनियो, वी.जी. वाक्स और ए.आई. लार्किन, जे. गोल्डस्टोन (योइचिरो नंबू को इस कार्य के लिए प्राप्त हुआ) नोबेल पुरुस्कार 2008 में)। पिछले लेखकों के विपरीत, एंगलर, ब्राउट और हिग्स ने एक सिद्धांत (उस समय सट्टा) माना जिसमें एक स्केलर (स्पिन 0) और एक वेक्टर फ़ील्ड (स्पिन 1) दोनों होते हैं। इस सिद्धांत में एक आंतरिक समरूपता है, जो इलेक्ट्रोडायनामिक्स की समरूपता के काफी अनुरूप है, जो विद्युत आवेश के संरक्षण और फोटॉन के द्रव्यमान के निषेध की ओर ले जाती है। लेकिन इलेक्ट्रोडायनामिक्स के विपरीत, आंतरिक समरूपता निर्वात में मौजूद एक समान अदिश क्षेत्र द्वारा अनायास टूट जाती है। एंगलर, ब्रूट और हिग्स का उल्लेखनीय परिणाम इस तथ्य का प्रदर्शन था कि इस समरूपता को तोड़ना स्वचालित रूप से स्पिन 1 के एक कण के लिए द्रव्यमान की उपस्थिति पर जोर देता है - एक वेक्टर क्षेत्र की मात्रा!

एंगलर-ब्रौट-हिग्स तंत्र का एक सरल सामान्यीकरण, जो कि फ़र्मियन को शामिल करने और सिद्धांत में एक समरूपता-तोड़ने वाले स्केलर क्षेत्र के साथ उनकी बातचीत से जुड़ा है, साथ ही साथ फ़र्मियन में द्रव्यमान की उपस्थिति की ओर जाता है। सब कुछ ठीक होने लगा है! मानक मॉडल को एक और सामान्यीकरण के रूप में प्राप्त किया जाता है। अब इसमें एक नहीं, बल्कि कई वेक्टर क्षेत्र हैं - एक फोटॉन, डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन (ग्लून्स एक अलग कहानी है, उनका एंगलर-ब्रौट-हिग्स तंत्र से कोई लेना-देना नहीं है) और विभिन्न प्रकार के फ़र्मियन। अंतिम चरण वास्तव में काफी गैर-तुच्छ है; स्टीवन वेनबर्ग, शेल्डन ग्लासो और अब्दुस सलाम को 1979 में कमजोर और विद्युतचुंबकीय अंतःक्रियाओं के एक पूर्ण सिद्धांत को तैयार करने के लिए नोबेल पुरस्कार मिला।

आइए 1964 में वापस चलते हैं। अपने सिद्धांत का विश्लेषण करने के लिए, एंगलर और ब्रूट ने आज के मानकों के अनुसार एक काल्पनिक दृष्टिकोण का इस्तेमाल किया। शायद इसीलिए उन्होंने ध्यान नहीं दिया कि, स्पिन 1 के विशाल कण के साथ, सिद्धांत एक और कण के अस्तित्व की भविष्यवाणी करता है - स्पिन 0 के साथ बोसॉन। लेकिन हिग्स ने देखा, और अब इस नए स्पिन रहित कण को ​​अक्सर हिग्स बोसोन कहा जाता है। . जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, ऐसी शब्दावली पूरी तरह से सही नहीं है: एंगलर और ब्रूट ने सबसे पहले एक अदिश क्षेत्र का उपयोग करने का प्रस्ताव दिया था ताकि सहज समरूपता को तोड़ने और स्पिन 1 के कणों के बड़े पैमाने पर उत्पादन किया जा सके। अधिक शब्दावली में जाने के बिना, हम इस बात पर जोर देते हैं कि शून्य स्पिन वाला नया बोसॉन समरूपता को तोड़ने वाले बहुत ही अदिश क्षेत्र की मात्रा के रूप में कार्य करता है। और यही इसकी विशिष्टता है।

यहां स्पष्टीकरण की जरूरत है। हम दोहराते हैं कि यदि कोई स्वतःस्फूर्त समरूपता भंग नहीं होती, तो W ± - और Z-बोसोन द्रव्यमान रहित होते। तीन बोसॉन W + , W - , Z में से प्रत्येक में एक फोटॉन की तरह, दो ध्रुवीकरण होंगे। कुल मिलाकर, अलग-अलग ध्रुवीकरण वाले कणों को असमान मानते हुए, हमारे पास 2 × 3 = 6 प्रकार के डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन होंगे। मानक मॉडल में, डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन बड़े पैमाने पर होते हैं, उनमें से प्रत्येक में तीन स्पिन राज्य होते हैं, यानी तीन ध्रुवीकरण, कुल 3 × 3 = 9 प्रकार के कणों में - फ़ील्ड डब्ल्यू ±, जेड का क्वांटा। प्रश्न है, तीन "अतिरिक्त" प्रकार क्वांटा कहाँ थे? तथ्य यह है कि मानक मॉडल में एक नहीं, बल्कि चार एंगलर-ब्रौट-हिग्स स्केलर फ़ील्ड होने चाहिए। उनमें से एक की मात्रा हिग्स बोसॉन है। और अन्य तीन के क्वांटा, सहज समरूपता के टूटने के परिणामस्वरूप, बस तीन "अतिरिक्त" क्वांटा में बदल जाते हैं, जो बड़े पैमाने पर W ± - और Z-bosons के लिए उपलब्ध हैं। वे लंबे समय से पाए गए हैं, जब तक यह ज्ञात है कि डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन में द्रव्यमान होता है: डब्ल्यू + -, डब्ल्यू - और जेड-बोसोन के तीन "अतिरिक्त" स्पिन राज्य - यह वही है जो वे हैं।

यह अंकगणित, वैसे, इस तथ्य के अनुरूप है कि सभी चार एंगलर-ब्रौट-हिग्स फ़ील्ड स्केलर हैं, उनके क्वांटा में शून्य स्पिन है। मासलेस डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन में गति की दिशा में -1 और +1 के बराबर स्पिन अनुमान होंगे। बड़े पैमाने पर डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन के लिए, ये अनुमान -1, 0 और +1 मान लेते हैं, यानी, "अतिरिक्त" क्वांटा में शून्य प्रक्षेपण होता है। तीन एंगलर-ब्रौट-हिग्स फ़ील्ड जिनमें से ये "अतिरिक्त" क्वांटा प्राप्त किए जाते हैं, गति की दिशा पर शून्य स्पिन प्रक्षेपण भी होता है, क्योंकि उनका स्पिन वेक्टर शून्य होता है। सब कुछ जम जाता है।

तो, हिग्स बोसोन मानक मॉडल में चार एंगलर-ब्राउट-हिग्स स्केलर क्षेत्रों में से एक की मात्रा है। अन्य तीन W ± - और Z-bosons द्वारा खाए जाते हैं (वैज्ञानिक शब्द!), उनके तीसरे, लापता स्पिन राज्यों में बदल जाते हैं।

क्या वास्तव में एक नया बोसॉन आवश्यक है?

इस कहानी के बारे में सबसे आश्चर्यजनक बात यह है कि आज हम समझते हैं कि एंगलर-ब्रौट-हिग्स तंत्र किसी भी तरह से माइक्रोवर्ल्ड के भौतिकी और प्राथमिक कणों के द्रव्यमान की पीढ़ी में समरूपता को तोड़ने का एकमात्र संभव तंत्र नहीं है, और हिग्स बोसोन मौजूद नहीं हो सकता है। उदाहरण के लिए, संघनित पदार्थ (तरल पदार्थ, ठोस) के भौतिकी में सहज समरूपता टूटने के कई उदाहरण हैं और इस तोड़ने के लिए कई तरह के तंत्र हैं। और ज्यादातर मामलों में, उनमें हिग्स बोसोन जैसा कुछ भी नहीं होता है।

निर्वात में मानक मॉडल के स्वतःस्फूर्त समरूपता को तोड़ने का निकटतम ठोस-अवस्था एनालॉग एक सुपरकंडक्टर के थोक में इलेक्ट्रोडायनामिक्स की आंतरिक समरूपता का सहज टूटना है। यह इस तथ्य की ओर जाता है कि एक सुपरकंडक्टर में, एक निश्चित अर्थ में एक फोटॉन में द्रव्यमान होता है (जैसे डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन वैक्यूम में)। यह खुद को मीस्नर प्रभाव में प्रकट करता है - चुंबकीय क्षेत्र को सुपरकंडक्टर से बाहर धकेलता है। फोटॉन "नहीं चाहता" सुपरकंडक्टर के अंदर घुसना, जहां यह बड़े पैमाने पर हो जाता है: यह इसके लिए "कठिन" है, ऊर्जावान रूप से प्रतिकूल है (याद रखें: ई = एमसी 2)। चुंबकीय क्षेत्र, जिसे कुछ हद तक पारंपरिक रूप से फोटॉन का एक सेट माना जा सकता है, में समान गुण होते हैं: यह सुपरकंडक्टर में प्रवेश नहीं करता है। यह मीस्नर प्रभाव है।

सुपरकंडक्टिविटी का प्रभावी गिन्ज़बर्ग-लैंडौ सिद्धांत एंगलर-ब्रौट-हिग्स सिद्धांत के समान है (अधिक सटीक, इसके विपरीत: गिन्ज़बर्ग-लैंडौ सिद्धांत 14 वर्ष पुराना है)। इसमें एक अदिश क्षेत्र भी होता है, जो सुपरकंडक्टर पर समान रूप से "डाला" जाता है और सहज समरूपता को तोड़ता है। हालांकि, यह कुछ भी नहीं है कि गिन्ज़बर्ग-लैंडौ सिद्धांत को प्रभावी कहा जाता है: यह घटना के बाहरी पक्ष को, लाक्षणिक रूप से बोल रहा है, लेकिन अतिचालकता के मौलिक, सूक्ष्म कारणों को समझने के लिए पूरी तरह से अपर्याप्त है। वास्तव में, एक सुपरकंडक्टर में कोई अदिश क्षेत्र नहीं होता है, इसमें इलेक्ट्रॉन और एक क्रिस्टल जाली होती है, और सुपरकंडक्टिविटी उनके बीच बातचीत के कारण उत्पन्न होने वाले इलेक्ट्रॉनों की प्रणाली की जमीनी स्थिति के विशेष गुणों के कारण होती है (देखें "विज्ञान और लाइफ" नंबर 2, 2004, लेख ""। - लगभग। एड।)।

क्या ऐसी ही तस्वीर सूक्ष्म जगत में भी हो सकती है? क्या यह पता नहीं चलेगा कि निर्वात में कोई मौलिक अदिश क्षेत्र "स्पिल" नहीं है, और सहज समरूपता टूटना पूरी तरह से अलग कारणों से होता है? यदि हम विशुद्ध रूप से सैद्धांतिक रूप से सोचते हैं और प्रयोगात्मक तथ्यों की उपेक्षा करते हैं, तो इस प्रश्न का उत्तर सकारात्मक है। एक अच्छा उदाहरण तथाकथित टेक्नीकलर मॉडल है जिसे 1979 में पहले ही उल्लेख किए गए स्टीवन वेनबर्ग द्वारा और स्वतंत्र रूप से लियोनार्ड सुस्किंड द्वारा प्रस्तावित किया गया था।

इसमें न तो मौलिक अदिश क्षेत्र हैं और न ही हिग्स बोसॉन, बल्कि उनके बजाय कई नए प्राथमिक कण हैं, जो उनके गुणों में क्वार्क के समान हैं। यह उनके बीच की बातचीत है जो सहज समरूपता को तोड़ने और डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन के द्रव्यमान की पीढ़ी की ओर ले जाती है। ज्ञात fermions के द्रव्यमान के साथ, जैसे कि इलेक्ट्रॉन, स्थिति बदतर है, लेकिन इस समस्या को सिद्धांत को जटिल करके भी हल किया जा सकता है।

चौकस पाठक प्रश्न पूछ सकता है: "लेकिन पिछले अध्याय के तर्कों के बारे में क्या कहते हैं कि यह अदिश क्षेत्र है जो समरूपता को तोड़ना चाहिए?" यहाँ खामी यह है कि यह अदिश क्षेत्र मिश्रित हो सकता है, इस अर्थ में कि इसके अनुरूप कण-क्वांटा प्राथमिक नहीं हैं, लेकिन अन्य, "सच्चे" प्राथमिक कणों से मिलकर बने हैं।

आइए इस संबंध में हाइजेनबर्ग क्वांटम-मैकेनिकल अनिश्चितता संबंध ×Δр ≥ को याद करें, जहां Δх और Δр क्रमशः स्थिति और गति अनिश्चितताएं हैं। इसकी अभिव्यक्तियों में से एक यह है कि एक विशिष्ट आंतरिक आकार Δx के साथ मिश्रित वस्तुओं की संरचना केवल उन प्रक्रियाओं में दिखाई देती है जिनमें पर्याप्त उच्च गति р ≥ћ/Δх वाले कण शामिल होते हैं, और इसलिए, पर्याप्त रूप से उच्च ऊर्जा के साथ। यहां रदरफोर्ड को याद करना उचित है, जिन्होंने उस समय के लिए उच्च ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों के साथ परमाणुओं पर बमबारी की और इस प्रकार पाया कि परमाणुओं में नाभिक और इलेक्ट्रॉन होते हैं। सबसे उन्नत प्रकाशिकी (अर्थात, प्रकाश - कम-ऊर्जा फोटॉन का उपयोग करके) के साथ भी एक माइक्रोस्कोप के माध्यम से परमाणुओं को देखते हुए, यह खोजना असंभव है कि परमाणु मिश्रित हैं, और प्राथमिक नहीं, बिंदु कण: पर्याप्त संकल्प नहीं है।

तो, कम ऊर्जा पर, यौगिक कण एक प्राथमिक जैसा दिखता है। कम ऊर्जा पर ऐसे कणों का प्रभावी ढंग से वर्णन करने के लिए, उन्हें एक निश्चित क्षेत्र के क्वांटा के रूप में माना जा सकता है। यदि यौगिक कण का चक्रण शून्य है, तो यह क्षेत्र अदिश है।

इसी तरह की स्थिति का एहसास होता है, उदाहरण के लिए, मेसन के भौतिकी में, स्पिन 0 के साथ कण। 1960 के दशक के मध्य तक, यह ज्ञात नहीं था कि उनमें क्वार्क और एंटीक्वार्क (π + -, π - - की क्वार्क संरचना) शामिल हैं। और 0 मेसॉन हैं ये क्रमशः ud̃, dũ और uũ और dd̃ का संयोजन हैं)।

फिर प्राथमिक अदिश क्षेत्रों द्वारा मेसनों का वर्णन किया गया। अब हम जानते हैं कि ये कण मिश्रित हैं, लेकिन -मेसन का "पुराना" क्षेत्र सिद्धांत मान्य रहता है, क्योंकि कम ऊर्जा वाली प्रक्रियाओं पर विचार किया जाता है। केवल 1 GeV और उससे अधिक के क्रम की ऊर्जाओं पर ही उनकी क्वार्क संरचना प्रकट होने लगती है, और सिद्धांत काम करना बंद कर देता है। 1 GeV का ऊर्जा पैमाना यहाँ संयोग से प्रकट नहीं हुआ: यह मजबूत अंतःक्रियाओं का पैमाना है जो क्वार्क को मेसन, प्रोटॉन, न्यूट्रॉन आदि में बाँधता है, यह दृढ़ता से परस्पर क्रिया करने वाले कणों के द्रव्यमान का पैमाना है, जैसे कि प्रोटॉन . ध्यान दें कि π-मेसन स्वयं अलग हैं: इस कारण से कि हम यहां चर्चा नहीं करेंगे, उनके पास बहुत कम द्रव्यमान हैं: एम ± = 140 मेव, एम 0 = 135 मेव।

इस प्रकार, स्वतःस्फूर्त समरूपता के टूटने के लिए जिम्मेदार अदिश क्षेत्र, सिद्धांत रूप में, मिश्रित हो सकते हैं। यही स्थिति टेक्नीकलर मॉडल बताती है। इस मामले में, तीन स्पिन रहित क्वांटा, जो डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन द्वारा खाए जाते हैं और उनके लापता स्पिन राज्य बन जाते हैं, π + -, π - - और π 0 -मेसन के साथ घनिष्ठ समानता रखते हैं। केवल संबंधित ऊर्जा पैमाना अब 1 GeV नहीं, बल्कि कई TeV है। ऐसी तस्वीर में, कई नए यौगिक कणों के अस्तित्व की उम्मीद है - प्रोटॉन, न्यूट्रॉन आदि के एनालॉग्स। - कई टीवी के क्रम के द्रव्यमान के साथ। इसके विपरीत अपेक्षाकृत हल्का हिग्स बोसॉन इसमें अनुपस्थित होता है। मॉडल की एक और विशेषता यह है कि इसमें डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन आंशिक रूप से मिश्रित कण हैं, क्योंकि जैसा कि हमने कहा, उनके कुछ घटक π-मेसन के समान हैं। यह डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन की बातचीत में स्वयं प्रकट होना चाहिए था।

यह बाद की परिस्थिति है जिसने इस तथ्य को जन्म दिया कि टेक्नीकलर मॉडल (कम से कम इसके मूल फॉर्मूलेशन में) को एक नए बोसॉन की खोज से बहुत पहले खारिज कर दिया गया था: एलईपी और एसएलसी में डब्ल्यू ± - और जेड-बोसोन के गुणों का सटीक मापन मॉडल की भविष्यवाणियों से सहमत नहीं हैं।

इस सुंदर सिद्धांत को जिद्दी प्रयोगात्मक तथ्यों ने कुचल दिया और हिग्स बोसॉन की खोज ने इसे समाप्त कर दिया। फिर भी, मेरे लिए, कई अन्य सिद्धांतकारों के लिए, समग्र स्केलर फ़ील्ड का विचार प्राथमिक स्केलर फ़ील्ड वाले एंगलर-ब्रौट-हिग्स सिद्धांत से अधिक आकर्षक है। बेशक, सर्न में एक नए बोसॉन की खोज के बाद, रचना का विचार पहले की तुलना में और भी कठिन स्थिति में था: यदि यह कण मिश्रित है, तो इसे प्राथमिक हिग्स बोसोन की काफी सफलतापूर्वक नकल करनी चाहिए। फिर भी, आइए प्रतीक्षा करें और देखें कि एलएचसी के प्रयोग क्या दिखाएंगे, सबसे पहले, नए बोसॉन के गुणों के अधिक सटीक माप।

खोज की जा चुकी है। आगे क्या होगा?

आइए, एक कार्यशील परिकल्पना के रूप में, सिद्धांत के न्यूनतम संस्करण की ओर लौटते हैं - एक प्राथमिक हिग्स बोसॉन के साथ मानक मॉडल। चूंकि इस सिद्धांत में यह एंगलर-ब्रौट-हिग्स क्षेत्र (अधिक सटीक रूप से, क्षेत्र) है जो सभी प्राथमिक कणों को द्रव्यमान देता है, हिग्स बोसोन के साथ इन कणों में से प्रत्येक की बातचीत दृढ़ता से तय होती है। कण का द्रव्यमान जितना बड़ा होगा, अंतःक्रिया उतनी ही मजबूत होगी; बातचीत जितनी मजबूत होगी, हिग्स बोसोन के इस तरह के कणों की एक जोड़ी में क्षय होने की संभावना उतनी ही अधिक होगी। वास्तविक कणों tt̃, ZZ और W+W- के जोड़े में हिग्स बोसोन का क्षय ऊर्जा संरक्षण कानून द्वारा निषिद्ध है। यह आवश्यक है कि क्षय उत्पादों के द्रव्यमान का योग क्षयकारी कण के द्रव्यमान से कम हो (फिर से, E = mc 2 याद रखें), और हमें याद है कि m n 125 GeV, m t = 173 GeV, m z = 91 GeV और एम डब्ल्यू = 80 जीवी। m b = 4 GeV के साथ b क्वार्क द्रव्यमान में अगला है, यही कारण है कि, जैसा कि हमने कहा, हिग्स बोसोन सबसे आसानी से bb̃ की एक जोड़ी में बदल जाता है। हिग्स बोसोन का भारी -लेप्टान एच → τ + - (m = 1.8 GeV) की एक जोड़ी में क्षय, जो 6% की संभावना के साथ होता है, भी दिलचस्प है। क्षय H → μ + μ - (m μ = 106 MeV) 0.02% की और भी छोटी, लेकिन फिर भी गायब न होने की संभावना के साथ होना चाहिए। ऊपर चर्चा किए गए क्षय के अलावा एच → ; एच → 4ℓ और एच → 2ℓ2ν, हम क्षय एच → जेडγ पर ध्यान देते हैं, जिसकी संभावना 0.15% होनी चाहिए। इन सभी संभावनाओं को एलएचसी पर मापा जा सकता है, और इन भविष्यवाणियों से किसी भी विचलन का मतलब यह होगा कि हमारी कामकाजी परिकल्पना, मानक मॉडल गलत है। इसके विपरीत, मानक मॉडल की भविष्यवाणियों के साथ समझौता हमें इसकी वैधता के बारे में अधिक से अधिक आश्वस्त करेगा।

प्रोटॉन टक्करों में हिग्स बोसोन के उत्पादन के बारे में भी यही कहा जा सकता है। हिग्स बोसोन को दो ग्लून्स की परस्पर क्रिया में अकेले उत्पादित किया जा सकता है, साथ में उच्च-ऊर्जा प्रकाश क्वार्क की एक जोड़ी के साथ, एक W या Z बोसोन के साथ, या, अंत में, tt̃ की एक जोड़ी के साथ। हिग्स बोसोन के साथ मिलकर उत्पादित कणों का पता लगाया जा सकता है और उनकी पहचान की जा सकती है, इसलिए एलएचसी में अलग-अलग उत्पादन तंत्र का अलग-अलग अध्ययन किया जा सकता है। इस प्रकार, हिग्स बोसोन की डब्ल्यू ± -, जेड-बोसोन और टी-क्वार्क के साथ बातचीत के बारे में जानकारी निकालना संभव है।

अंत में, हिग्स बोसोन की एक महत्वपूर्ण संपत्ति इसकी स्वयं के साथ बातचीत है। इसे H* → HH प्रक्रिया में प्रकट होना चाहिए, जहाँ H* एक आभासी कण है। इस इंटरैक्शन के गुणों की भी मानक मॉडल द्वारा स्पष्ट रूप से भविष्यवाणी की गई है। हालाँकि, इसका अध्ययन दूर के भविष्य की बात है।

इसलिए, एलएचसी के पास नए बोसॉन की अंतःक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए एक व्यापक कार्यक्रम है। इसके कार्यान्वयन के परिणामस्वरूप, यह कमोबेश स्पष्ट हो जाएगा कि क्या मानक मॉडल प्रकृति का वर्णन करता है या हम किसी अन्य, अधिक जटिल (और संभवतः सरल) सिद्धांत के साथ काम कर रहे हैं। आगे की प्रगति माप की सटीकता में उल्लेखनीय वृद्धि के साथ जुड़ी हुई है; इस प्रकार की मशीन के लिए रिकॉर्ड ऊर्जा के साथ एक नए इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन त्वरक - ई + ई - कोलाइडर के निर्माण की आवश्यकता होगी। यह बहुत अच्छी तरह से हो सकता है कि रास्ते में बहुत सारे आश्चर्य हमारा इंतजार कर रहे हों।

निष्कर्ष के बजाय: "नई भौतिकी" की तलाश में

"तकनीकी" दृष्टिकोण से, मानक मॉडल आंतरिक रूप से सुसंगत है। यही है, इसके ढांचे के भीतर, यह संभव है - कम से कम सिद्धांत रूप में, लेकिन एक नियम के रूप में, व्यवहार में - किसी भी भौतिक मात्रा की गणना करने के लिए (बेशक, उन घटनाओं से संबंधित है जिनका वर्णन करने का इरादा है), और परिणाम नहीं होगा अनिश्चितताओं को समाहित करता है। फिर भी, कई, हालांकि सभी नहीं, सिद्धांतवादी मानक मॉडल में मामलों की स्थिति पर विचार करते हैं, इसे हल्के ढंग से रखने के लिए, पूरी तरह से संतोषजनक नहीं। और यह मुख्य रूप से इसके ऊर्जा पैमाने के कारण है।

जैसा कि पिछले एक से स्पष्ट है, मानक मॉडल का ऊर्जा पैमाना M cm = 100 GeV के क्रम का है (हम यहां 1 GeV के पैमाने के साथ मजबूत अंतःक्रियाओं के बारे में बात नहीं कर रहे हैं, इसके साथ सब कुछ सरल है)। यह W ± - और Z बोसॉन और हिग्स बोसॉन का द्रव्यमान पैमाना है। यह बहुत है या थोड़ा? प्रायोगिक दृष्टिकोण से - निष्पक्ष रूप से, लेकिन सैद्धांतिक रूप से ...

भौतिकी में ऊर्जा का एक और पैमाना है। यह गुरुत्वाकर्षण से संबंधित है और प्लैंक द्रव्यमान M pl = 10 19 GeV के बराबर है। कम ऊर्जा पर, कणों के बीच गुरुत्वाकर्षण बातचीत नगण्य होती है, लेकिन वे बढ़ती ऊर्जा के साथ बढ़ते हैं, और एम पीएल के क्रम की ऊर्जा पर गुरुत्वाकर्षण मजबूत हो जाता है। M pl से ऊपर की ऊर्जा क्वांटम गुरुत्व का क्षेत्र है, चाहे वह कुछ भी हो। हमारे लिए यह महत्वपूर्ण है कि गुरुत्वाकर्षण शायद सबसे मौलिक अंतःक्रिया है और गुरुत्वाकर्षण पैमाना M pl सबसे मौलिक ऊर्जा पैमाना है। फिर मानक मॉडल Mcm = 100 GeV का पैमाना M pl = 1019 GeV से इतना दूर क्यों है?

संकेतित समस्या का एक और, अधिक सूक्ष्म पहलू है। यह भौतिक निर्वात के गुणों से जुड़ा है। क्वांटम सिद्धांत में, निर्वात, प्रकृति की जमीनी स्थिति, एक बहुत ही गैर-तुच्छ संरचना है। आभासी कण इसमें हर समय पैदा और नष्ट होते रहते हैं; दूसरे शब्दों में, क्षेत्र में उतार-चढ़ाव बनते हैं और गायब हो जाते हैं। हम इन प्रक्रियाओं का प्रत्यक्ष रूप से निरीक्षण नहीं कर सकते हैं, लेकिन वे प्राथमिक कणों, परमाणुओं आदि के देखे गए गुणों को प्रभावित करते हैं। उदाहरण के लिए, आभासी इलेक्ट्रॉनों और फोटॉनों के साथ एक परमाणु में एक इलेक्ट्रॉन की परस्पर क्रिया परमाणु स्पेक्ट्रा में देखी गई घटना की ओर ले जाती है - लैम्ब शिफ्ट। एक अन्य उदाहरण: इलेक्ट्रॉन या म्यूऑन (एक विषम चुंबकीय क्षण) के चुंबकीय क्षण में सुधार भी आभासी कणों के साथ बातचीत के कारण होता है। इन और इसी तरह के प्रभावों की गणना और माप की गई है (इन मामलों में शानदार सटीकता के साथ!), ताकि हम सुनिश्चित हो सकें कि हमारे पास भौतिक वैक्यूम की सही तस्वीर है।

इस तस्वीर में, मूल रूप से सिद्धांत में शामिल सभी पैरामीटर, आभासी कणों के साथ बातचीत के कारण सुधार प्राप्त करते हैं, जिन्हें विकिरण वाले कहा जाता है। क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स में वे छोटे होते हैं, लेकिन एंगलर-ब्रौट-हिग्स सेक्टर में वे बहुत बड़े होते हैं। इस क्षेत्र को बनाने वाले प्राथमिक स्केलर क्षेत्रों की ख़ासियत ऐसी है; अन्य क्षेत्रों में यह संपत्ति नहीं है। यहां मुख्य प्रभाव यह है कि विकिरण सुधार मानक मॉडल एम सेमी के ऊर्जा पैमाने को गुरुत्वाकर्षण पैमाने एम पीएल तक "खींच" देते हैं। यदि हम मानक मॉडल के ढांचे के भीतर रहते हैं, तो सिद्धांत के प्रारंभिक मापदंडों को चुनने का एकमात्र तरीका है, ताकि विकिरण सुधारों के साथ, वे एम सेमी के सही मूल्य की ओर ले जाएं। हालांकि, यह पता चला है कि फिटिंग सटीकता एम सेमी 2 / एम पीएल 2 = 10-34 के करीब होनी चाहिए! यह मानक मॉडल की ऊर्जा पैमाने की समस्या का दूसरा पहलू है: यह असंभव लगता है कि प्रकृति में ऐसा समायोजन होता है।

कई (हालांकि, हम दोहराते हैं, सभी नहीं) सिद्धांतकारों का मानना ​​है कि यह समस्या स्पष्ट रूप से मानक मॉडल से आगे जाने की आवश्यकता को इंगित करती है। वास्तव में, यदि मानक मॉडल काम करना बंद कर देता है या "नई भौतिकी - NF" M nf के ऊर्जा पैमाने पर महत्वपूर्ण रूप से फैलता है, तो मापदंडों को फिट करने की आवश्यक सटीकता, मोटे तौर पर, M 2 सेमी / M 2 nf होगी, लेकिन वास्तव में यह कम परिमाण के दो क्रम हैं। यदि हम मानते हैं कि प्रकृति में मापदंडों की कोई ठीक ट्यूनिंग नहीं है, तो "नई भौतिकी" का पैमाना 1-2 TeV के क्षेत्र में होना चाहिए, अर्थात, लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में अनुसंधान के लिए सुलभ क्षेत्र में!

"नई भौतिकी" क्या हो सकती है? इस मुद्दे पर सिद्धांतकारों में एकता नहीं है। एक विकल्प अदिश क्षेत्रों की समग्र प्रकृति है, जो सहज समरूपता को तोड़ता है, जिस पर पहले ही चर्चा की जा चुकी है। एक और, लोकप्रिय (अभी तक?) संभावना सुपरसिमेट्री है, जिसके बारे में हम केवल यह कहेंगे कि यह सैकड़ों GeV - कई TeV की सीमा में द्रव्यमान वाले नए कणों के पूरे चिड़ियाघर की भविष्यवाणी करता है। बहुत ही आकर्षक विकल्पों पर भी चर्चा की जाती है, जैसे कि अंतरिक्ष के अतिरिक्त आयाम (कहते हैं, तथाकथित एम-सिद्धांत - "विज्ञान और जीवन" संख्या 2, 3, 1997 देखें, लेख "सुपरस्ट्रिंग्स: हर चीज के सिद्धांत के रास्ते पर" ।" - नोट एड। ।)

तमाम कोशिशों के बावजूद अब तक "नई भौतिकी" के कोई प्रायोगिक संकेत नहीं मिले हैं। यह, वास्तव में, पहले से ही चिंता को प्रेरित करना शुरू कर रहा है: क्या हम सब कुछ सही ढंग से समझते हैं? हालांकि, यह बहुत संभव है कि हम अभी तक ऊर्जा और एकत्र किए गए डेटा की मात्रा के मामले में "नई भौतिकी" तक नहीं पहुंचे हैं, और यह कि नई, क्रांतिकारी खोजों को इसके साथ जोड़ा जाएगा। यहां मुख्य उम्मीदें फिर से लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर पर रखी गई हैं, जो डेढ़ साल में 13-14 TeV की कुल ऊर्जा पर काम करना शुरू कर देगी और जल्दी से डेटा हासिल कर लेगी। खबर का पालन करें!

सटीक माप और खोजों के लिए मशीनें

कण भौतिकी, जो प्रकृति की सबसे नन्ही वस्तुओं का अध्ययन करती है, को विशाल अनुसंधान सुविधाओं की आवश्यकता होती है जहाँ ये कण गति, टकराते और क्षय होते हैं। उनमें से सबसे शक्तिशाली कोलाइडर हैं।

कोलाइडरटकराने वाले कण बीम के साथ एक त्वरक है, जिसमें कण आमने-सामने टकराते हैं, उदाहरण के लिए, ई + ई - कोलाइडर में इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन। अब तक, प्रोटॉन-एंटीप्रोटॉन, प्रोटॉन-प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन-प्रोटॉन, और न्यूक्लियस-न्यूक्लियस (या भारी-आयन) कोलाइडर भी बनाए गए हैं। अन्य संभावनाओं, उदाहरण के लिए, μ + μ - कोलाइडर, पर अभी तक केवल चर्चा की जा रही है। प्राथमिक कण भौतिकी के लिए मुख्य कोलाइडर प्रोटॉन-एंटीप्रोटॉन, प्रोटॉन-प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर हैं।

लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC)- प्रोटॉन-प्रोटॉन, यह प्रोटॉन के दो बीमों को एक दूसरे की ओर तेज करता है (यह भारी आयन कोलाइडर के रूप में भी काम कर सकता है)। प्रत्येक बीम में प्रोटॉन की डिजाइन ऊर्जा 7 TeV है, इसलिए कुल टक्कर ऊर्जा 14 TeV है। 2011 में, कोलाइडर इस ऊर्जा से आधी और 2012 में 8 TeV की कुल ऊर्जा पर संचालित हुआ। लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर एक 27 किमी लंबा वलय है जिसमें सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट द्वारा बनाए गए क्षेत्रों को धारण करते हुए प्रोटॉन विद्युत क्षेत्रों को तेज करते हैं। प्रोटॉन के टकराव चार स्थानों पर होते हैं जहां डिटेक्टर स्थित होते हैं जो टकराव में उत्पन्न कणों को पंजीकृत करते हैं। एटलस और सीएमएस को उच्च ऊर्जा कण भौतिकी अनुसंधान के लिए डिज़ाइन किया गया है; एलएचसी-बी उन कणों का अध्ययन करने के लिए है जिनमें बी-क्वार्क होते हैं, और एलिस गर्म और घने क्वार्क-ग्लूऑन पदार्थ का अध्ययन करने के लिए है।

एसपीपी (एस)- सर्न में प्रोटॉन-एंटीप्रोटॉन कोलाइडर। रिंग की लंबाई 6.9 किमी है, अधिकतम टक्कर ऊर्जा 630 GeV है। 1981 से 1990 तक काम किया।

एलईपी- एक रिंग इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर जिसकी अधिकतम टक्कर ऊर्जा 209 GeV है, जो LHC के समान सुरंग में स्थित है। 1989 से 2000 तक काम किया।

एसएलसी- एसएलएसी, यूएसए में रैखिक इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर। टक्कर ऊर्जा 91 GeV (Z-बोसोन द्रव्यमान)। 1989 से 1998 तक काम किया।

टेवाट्रॉन फर्मीलैब, यूएसए में एक रिंग प्रोटॉन-एंटीप्रोटॉन कोलाइडर है। रिंग की लंबाई 6 किमी है, अधिकतम टक्कर ऊर्जा 2 TeV है। 1987 से 2011 तक काम किया।

प्रोटॉन-प्रोटॉन और प्रोटॉन-एंटीप्रोटॉन कोलाइडर की तुलना इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर से करते समय, यह ध्यान रखना चाहिए कि प्रोटॉन एक मिश्रित कण है, इसमें क्वार्क और ग्लून्स होते हैं। इनमें से प्रत्येक क्वार्क और ग्लून्स प्रोटॉन की ऊर्जा का केवल एक अंश ही वहन करते हैं। इसलिए, लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में, उदाहरण के लिए, एक प्राथमिक टक्कर की ऊर्जा (दो क्वार्क के बीच, दो ग्लून्स के बीच, या एक ग्लूऑन के साथ क्वार्क) टकराने वाले प्रोटॉन की कुल ऊर्जा (डिजाइन मापदंडों पर 14 TeV) से काफी कम है। . इस वजह से, अध्ययन के लिए उपलब्ध ऊर्जा का क्षेत्र अध्ययन के तहत प्रक्रिया के आधार पर "केवल" 2-4 TeV तक पहुंचता है। इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर में ऐसी कोई विशेषता नहीं होती है: एक इलेक्ट्रॉन एक प्राथमिक, संरचनाहीन कण होता है।

प्रोटॉन-प्रोटॉन (और प्रोटॉन-एंटीप्रोटॉन) कोलाइडर का लाभ यह है कि इस विशेषता को ध्यान में रखते हुए भी, इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन की तुलना में उन पर उच्च टक्कर ऊर्जा प्राप्त करना तकनीकी रूप से आसान है। एक माइनस भी है। प्रोटॉन की मिश्रित संरचना के कारण, और इस तथ्य के कारण भी कि क्वार्क और ग्लून्स पॉज़िट्रॉन वाले इलेक्ट्रॉनों की तुलना में एक दूसरे के साथ बहुत अधिक दृढ़ता से बातचीत करते हैं, प्रोटॉन टकराव में कई और घटनाएँ होती हैं जो देखने के दृष्टिकोण से दिलचस्प नहीं हैं हिग्स बोसोन या अन्य नए कणों और परिघटनाओं की खोज करें। प्रोटॉन टकराव में दिलचस्प घटनाएं अधिक "गंदे" दिखती हैं, उनमें कई "विदेशी", निर्बाध कण पैदा होते हैं। यह सब "शोर" पैदा करता है, जिससे इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर की तुलना में उपयोगी संकेत निकालना अधिक कठिन होता है। तदनुसार, माप सटीकता कम है। इस सब के कारण, प्रोटॉन-प्रोटॉन (और प्रोटॉन-एंटीप्रोटॉन) कोलाइडर को खोज की मशीन कहा जाता है, और इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर को सटीक माप की मशीन कहा जाता है।

मानक विचलन(मानक विचलन) x - औसत मूल्य से मापा मूल्य के यादृच्छिक विचलन की विशेषता। संभावना है कि एक्स का मापा मूल्य यादृच्छिक रूप से वास्तविक मूल्य से 5σ x से भिन्न होगा, केवल 0.00006% है। यही कारण है कि प्राथमिक कण भौतिकी में पृष्ठभूमि से सिग्नल के विचलन को 5σ तक सिग्नल को सही मानने के लिए पर्याप्त माना जाता है।

कणोंमानक मॉडल में सूचीबद्ध, प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन, न्यूट्रिनो और उनके एंटीपार्टिकल्स को छोड़कर, अस्थिर हैं: वे अन्य कणों में क्षय हो जाते हैं। हालाँकि, तीन में से दो प्रकार के न्यूट्रिनो भी अस्थिर होने चाहिए, लेकिन उनका जीवनकाल बहुत लंबा होता है। सूक्ष्म जगत के भौतिकी में एक सिद्धांत है: जो कुछ भी हो सकता है, वास्तव में होता है। इसलिए, एक कण की स्थिरता किसी प्रकार के संरक्षण कानून से जुड़ी होती है। आवेश संरक्षण के नियम द्वारा इलेक्ट्रॉनों और पॉज़िट्रॉन को क्षय होने से मना किया जाता है। सबसे हल्का न्यूट्रिनो (स्पिन 1/2) कोणीय संवेग के संरक्षण के कारण क्षय नहीं होता है। एक प्रोटॉन का क्षय दूसरे "आवेश" के संरक्षण के कानून द्वारा निषिद्ध है, जिसे बेरियन संख्या कहा जाता है (एक प्रोटॉन की बेरियन संख्या, परिभाषा के अनुसार, 1 है, और हल्के कणों की, शून्य)।

एक अन्य आंतरिक समरूपता बेरियन संख्या से संबंधित है। चाहे वह सटीक या अनुमानित हो, चाहे प्रोटॉन स्थिर हो या परिमित हो, यद्यपि बहुत लंबा, जीवनकाल एक अलग चर्चा का विषय है।

क्वार्क्स- प्राथमिक कणों के प्रकारों में से एक। एक मुक्त अवस्था में, वे नहीं देखे जाते हैं, लेकिन हमेशा एक दूसरे से जुड़े रहते हैं और मिश्रित कण - हैड्रॉन बनाते हैं। एकमात्र अपवाद टी-क्वार्क है, जो हैड्रॉन बनाने के लिए अन्य क्वार्क या एंटीक्वार्क के साथ संयोजन करने से पहले ही क्षय हो जाता है। हैड्रॉन में प्रोटॉन, न्यूट्रॉन, -मेसन, के-मेसन आदि शामिल हैं।

बी क्वार्क छह प्रकार के क्वार्कों में से एक है, टी क्वार्क के बाद द्रव्यमान में दूसरा।

म्यूऑन इलेक्ट्रॉन का एक भारी अस्थिर एनालॉग है जिसका द्रव्यमान m μ = 106 MeV है। म्यूऑन का जीवनकाल T μ = 2·10 -6 सेकंड इतना लंबा होता है कि वह बिना विघटित हुए पूरे डिटेक्टर से उड़ सकता है।

आभासी कणवास्तविक कण से भिन्न होता है क्योंकि वास्तविक कण के लिए ऊर्जा और संवेग E 2 = p 2 s 2 + m 2 s 4 के बीच सामान्य सापेक्ष संबंध संतुष्ट होता है, लेकिन आभासी के लिए नहीं। ऊर्जा अनिश्चितता ΔЕ और प्रक्रिया की अवधि t के बीच क्वांटम यांत्रिक संबंध E·Δt ~ के कारण यह संभव है। इसलिए, एक आभासी कण लगभग तुरंत दूसरे के साथ क्षय या नष्ट हो जाता है (इसका जीवनकाल Δt बहुत छोटा है), जबकि एक वास्तविक कण काफी लंबा रहता है या आम तौर पर स्थिर होता है।

मेमने का स्तर शिफ्ट- आभासी फोटॉनों के उत्सर्जन और अवशोषण या आभासी उत्पादन और इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन जोड़े के विनाश के प्रभाव में हाइड्रोजन परमाणु और हाइड्रोजन जैसे परमाणुओं के स्तर की बारीक संरचना का मामूली विचलन। प्रभाव की खोज 1947 में अमेरिकी भौतिकविदों डब्ल्यू लैम्ब और आर. रदरफोर्ड ने की थी।

2012 में हिग्स बोसोन की खोज को लेकर जो चर्चा हुई थी, उसे हर कोई याद करता है। सभी को याद है, लेकिन कई अभी भी पूरी तरह से नहीं समझते हैं कि यह किस तरह की छुट्टी थी? हमने तय किया कि हिग्स बोसोन क्या है, इसे समझने, ज्ञानवर्धन करने और साथ ही साथ सरल शब्दों में बात करने का भी!

मानक मॉडल और हिग्स बोसोन

चलिए शुरू से ही शुरू करते हैं। कणों में विभाजित हैं बोसॉनतथा फरमिओन्स. बोसॉन पूर्णांक स्पिन वाले कण होते हैं। फ़र्मियन - एक आधा पूर्णांक के साथ।

हिग्स बोसॉन एक ऐसा प्राथमिक कण है जिसकी सैद्धांतिक रूप से 1964 में भविष्यवाणी की गई थी। इलेक्ट्रोवीक समरूपता के स्वतःस्फूर्त टूटने के तंत्र से उत्पन्न होने वाला एक प्राथमिक बोसॉन।

साफ़? ज़रुरी नहीं। इसे स्पष्ट करने के लिए, आपको इसके बारे में बात करने की आवश्यकता है मानक मॉडल.

मानक मॉडल- दुनिया का वर्णन करने वाले मुख्य आधुनिक मॉडलों में से एक। यह प्राथमिक कणों की परस्पर क्रिया का वर्णन करता है। जैसा कि हम जानते हैं, दुनिया में 4 हैं मौलिक बातचीत: गुरुत्वाकर्षण, मजबूत, कमजोर और विद्युत चुम्बकीय। हम तुरंत गुरुत्वाकर्षण पर विचार नहीं करते हैं, क्योंकि इसकी एक अलग प्रकृति है और यह मॉडल में शामिल नहीं है। लेकिन मानक मॉडल के ढांचे के भीतर मजबूत, कमजोर और विद्युत चुम्बकीय बातचीत का वर्णन किया गया है। इसके अलावा, इस सिद्धांत के अनुसार, पदार्थ में 12 मौलिक प्राथमिक कण होते हैं - फरमिओन्स. बोसॉनोंवे अंतःक्रियाओं के वाहक हैं। आप सीधे हमारी वेबसाइट पर आवेदन कर सकते हैं।

तो, मानक मॉडल के ढांचे में अनुमानित सभी कणों में से, प्रयोगात्मक रूप से ज्ञानी नहीं हिग्स बॉसन. मानक मॉडल के अनुसार, हिग्स क्षेत्र की मात्रा होने के कारण यह बोसॉन इस तथ्य के लिए जिम्मेदार है कि प्राथमिक कणों में द्रव्यमान होता है। आइए कल्पना करें कि कण टेबल के कपड़े पर रखे बिलियर्ड बॉल हैं। इस मामले में, कपड़ा हिग्स क्षेत्र है, जो कणों का द्रव्यमान प्रदान करता है।

हिग्स बोसोन की खोज कैसे हुई?

हिग्स बोसोन की खोज कब हुई, इस सवाल का सटीक जवाब नहीं दिया जा सकता है। आखिरकार, इसकी सैद्धांतिक रूप से 1964 में भविष्यवाणी की गई थी, और इसके अस्तित्व की पुष्टि 2012 में ही प्रयोगात्मक रूप से की गई थी। और इस समय वे मायावी बोसॉन की तलाश में थे! लंबी और कड़ी खोज की। एलएचसी से पहले, एक अन्य त्वरक, इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर, सर्न में काम करता था। इलिनोइस में एक टेवेट्रॉन भी था, लेकिन इसकी क्षमता कार्य को पूरा करने के लिए पर्याप्त नहीं थी, हालांकि प्रयोगों ने निश्चित रूप से कुछ परिणाम दिए।

तथ्य यह है कि हिग्स बोसोन एक भारी कण है, और इसका पता लगाना बहुत मुश्किल है। प्रयोग का सार सरल है, परिणामों का कार्यान्वयन और व्याख्या कठिन है। दो प्रोटॉन निकट-प्रकाश गति से लिए जाते हैं और आमने-सामने टकराते हैं। क्वार्क और एंटीक्वार्क से युक्त प्रोटॉन इतनी शक्तिशाली टक्कर से अलग हो जाते हैं और कई माध्यमिक कण दिखाई देते हैं। उनमें से ही उन्होंने हिग्स बोसोन की खोज की थी।

समस्या यह है कि इस बोसॉन के अस्तित्व की पुष्टि अप्रत्यक्ष रूप से ही की जा सकती है। जिस अवधि में हिग्स बोसोन मौजूद होता है, वह बहुत कम होता है, साथ ही गायब होने और घटना के बिंदुओं के बीच की दूरी भी होती है। ऐसे समय और दूरी को सीधे मापना असंभव है। लेकिन हिग्स ट्रेस के बिना गायब नहीं होता है, और इसकी गणना "क्षय उत्पादों" से की जा सकती है।

हालांकि इस तरह की खोज बहुत हद तक भूसे के ढेर में सुई खोजने के समान है। और एक में नहीं, वरन भूसे के सारे खेत में। तथ्य यह है कि हिग्स बोसोन विभिन्न संभावनाओं के साथ कणों के अलग-अलग "सेट" में क्षय हो जाता है। यह क्वार्क-एंटीक्वार्क जोड़ी, डब्ल्यू-बोसोन या सबसे बड़े लेप्टान, ताऊ कण हो सकते हैं। कुछ मामलों में, इन क्षयों को हिग्स के अलावा अन्य कणों के क्षय से अलग करना बेहद मुश्किल है। दूसरों में, डिटेक्टरों के साथ मज़बूती से पता लगाना असंभव है। हालांकि एलएचसी डिटेक्टर इंसानों द्वारा बनाए गए अब तक के सबसे सटीक और शक्तिशाली मापक यंत्र हैं, लेकिन वे सब कुछ नहीं माप सकते। चार लेप्टानों में हिग्स परिवर्तन का सबसे अच्छा पता डिटेक्टरों द्वारा लगाया जाता है। हालांकि, इस घटना की संभावना बहुत कम है - केवल 0.013%।

फिर भी, आधे साल के प्रयोगों में, जब एक सेकंड में एक कोलाइडर में करोड़ों प्रोटॉन टकराव होते हैं, तो ऐसे 5 चार-लेप्टन मामले सामने आए थे। इसके अलावा, वे दो अलग-अलग विशाल डिटेक्टरों पर दर्ज किए गए थे: एटलस और सीएमएस। दोनों डिटेक्टरों के डेटा के साथ एक स्वतंत्र गणना के अनुसार, कण का द्रव्यमान लगभग 125 GeV था, जो हिग्स बोसोन के लिए सैद्धांतिक भविष्यवाणी के अनुरूप है।

पूरी तरह से और सटीक रूप से पुष्टि करने के लिए कि पाया गया कण हिग्स बोसोन था, कई और प्रयोग किए जाने थे। और इस तथ्य के बावजूद कि अब हिग्स बोसोन की खोज हो गई है, कुछ मामलों में प्रयोग सिद्धांत से असहमत हैं, ताकि मानक मॉडल, कई वैज्ञानिकों के अनुसार, संभवतः एक अधिक उन्नत सिद्धांत का हिस्सा है जिसे अभी खोजा जाना बाकी है।

हिग्स बोसॉन की खोज निश्चित रूप से 21वीं सदी की प्रमुख खोजों में से एक है। इसकी खोज दुनिया की संरचना को समझने की दिशा में एक बहुत बड़ा कदम है। यदि उसके लिए नहीं, तो सभी कण द्रव्यमान रहित होंगे, जैसे फोटॉन, ऐसा कुछ भी नहीं होगा जो हमारे भौतिक ब्रह्मांड से बना हो। हिग्स बोसॉन यह समझने की दिशा में एक कदम है कि ब्रह्मांड कैसे काम करता है। हिग्स बोसॉन को गॉड पार्टिकल या शापित कण भी कहा गया है। हालांकि, वैज्ञानिक खुद इसे शैंपेन बॉटल बोसोन कहना पसंद करते हैं। आखिरकार, हिग्स बोसोन की खोज जैसी घटना को सालों तक मनाया जा सकता है।

दोस्तों आज हमने हिग्स बोसोन से दिमाग को उड़ा दिया। और अगर आप पहले से ही अंतहीन दिनचर्या या भारी अध्ययन कार्यों के साथ अपने मस्तिष्क को विस्फोट से थक चुके हैं, तो मदद लें। हमेशा की तरह, हम किसी भी मुद्दे को जल्दी और कुशलता से हल करने में आपकी मदद करेंगे।