Peter Higgs¨.. the force carrying particles

 

Ayushphy Cosmological

 

·

Ακολουθήστε

9 ώρ. 

·

In the autumn of 1964, a physicist at the University of Edinburgh named Peter Higgs submitted a short paper to Physics Letters.

It was rejected. Not for being wrong, the reviewers do not seem to have found an error in it, but for being, in their judgment, of no obvious relevance to physics. Higgs added two sentences pointing out a consequence the referees had apparently missed, and sent the revised paper instead to Physical Review Letters, where it appeared under the title "Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons." It ran to a page and a half. It would take the better part of half a century, a machine twenty seven kilometers in circumference, and several thousand physicists to confirm what those two sentences were pointing at.

The problem the paper addressed is easy to state and was, at the time, close to a scandal. Gauge theories were beautiful. They explained electromagnetism with a symmetry so rigid that it seemed to leave no freedom for tinkering, and physicists wanted the same rigor to describe the forces that operate inside the nucleus. But there was an obstacle that looked, on the face of it, fatal. The mathematics of gauge invariance insists that the force carrying particles be massless, like the photon. The particles known to carry the weak force were not. Nature, evidently, had already broken the rule the theorists wanted to enforce.

Higgs's move, and it is worth saying that Robert Brout and François Englert had arrived independently at much the same idea only weeks earlier, with Gerald Guralnik, C.R. Hagen, and Tom Kibble close behind, was not to abandon the symmetry but to hide it. He introduced a scalar field filling all of space, governed by a potential shaped less like a bowl than like the bottom of a wine bottle, a hump at the center, a trough running around it. A field sitting at the top of the hump respects the full symmetry of the theory. A field that has rolled down into the trough does not, even though the underlying law still does. The vacuum itself, the emptiest possible state, becomes the thing that breaks the symmetry, quietly, without anyone having to break it by hand.

What happens next is the part that had gone unnoticed, or been dismissed as a technical curiosity, in earlier work on spontaneous symmetry breaking. Goldstone's theorem said that breaking a continuous symmetry should produce a massless, spinless particle, a promise that seemed to litter the theory with unwanted new particles no one had ever seen. Higgs's contribution was to show that when the broken symmetry is a local gauge symmetry, rather than a global one, the Goldstone boson does not survive as an independent particle at all. It is absorbed, physicists still use the slightly whimsical verb "eaten," by the gauge boson, which promptly acquires the longitudinal polarization state that a massless particle is forbidden to have and a massive one requires. The bill for that transaction is paid in mass, proportional to the vacuum expectation value of the field and to the strength of the coupling. The gauge boson gets heavy. The symmetry survives, encoded rather than displayed. And there is a remainder, an excitation of the field around its new resting point, a genuine, massive, scalar particle, which is what everyone means when they now say "the Higgs."

Higgs seems to have understood, in a way his critics initially did not, that this was the whole point, not a footnote about vacuum structure, but a mechanism sturdy enough to carry the electroweak theory that Weinberg and Salam would build on it a few years later, and renormalizable enough, as 't Hooft would later prove, to be trusted with actual calculations rather than treated as a formal trick. The paper does not linger on any of this. It states the mechanism, notes the consequence its referee had missed, and stops. Whatever drama attaches to it now belongs to the forty eight years between the page and a half in 1964 and the July morning in 2012 when two detectors at CERN, independently, found the bump in the data that the wine bottle potential had promised all along.

Λιγότερα

Μετάφραση στα Ελληνικά

Το φθινόπωρο του 1964, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου, ονόματι Πίτερ Χιγκς, υπέβαλε μια σύντομη εργασία στο Physics Letters.

Απορρίφθηκε. Όχι επειδή ήταν λανθασμένη — οι αξιολογητές δεν φαίνεται να βρήκαν κάποιο σφάλμα — αλλά επειδή, κατά την κρίση τους, δεν είχε προφανή συνάφεια με τη φυσική. Ο Χιγκς πρόσθεσε δύο προτάσεις που επισήμαιναν μια συνέπεια την οποία οι κριτές προφανώς είχαν παραβλέψει, και έστειλε την αναθεωρημένη εργασία στο Physical Review Letters, όπου δημοσιεύτηκε με τον τίτλο «Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons». Ήταν μόλις μιάμιση σελίδα. Θα χρειαζόταν το μεγαλύτερο μέρος μισού αιώνα, μια μηχανή με περίμετρο είκοσι επτά χιλιομέτρων και αρκετές χιλιάδες φυσικούς για να επιβεβαιώσουν αυτό στο οποίο έδειχναν εκείνες οι δύο προτάσεις.

Το πρόβλημα που αντιμετώπιζε η εργασία είναι εύκολο να διατυπωθεί και ήταν, εκείνη την εποχή, σχεδόν σκάνδαλο. Οι θεωρίες βαθμίδας ήταν όμορφες. Εξήγαγαν τον ηλεκτρομαγνητισμό με μια συμμετρία τόσο αυστηρή που δεν άφηνε περιθώριο για παρεμβάσεις, και οι φυσικοί ήθελαν την ίδια αυστηρότητα για να περιγράψουν τις δυνάμεις που δρουν μέσα στον πυρήνα. Αλλά υπήρχε ένα εμπόδιο που φαινόταν, εκ πρώτης όψεως, θανατηφόρο. Τα μαθηματικά της βαθμιδικής αναλλοιωτότητας απαιτούν τα σωματίδια που μεταφέρουν τη δύναμη να είναι άμαζα, όπως το φωτόνιο. Τα σωματίδια που είναι γνωστό ότι μεταφέρουν την ασθενή δύναμη δεν ήταν. Η φύση, προφανώς, είχε ήδη παραβεί τον κανόνα που οι θεωρητικοί ήθελαν να επιβάλουν.

Η κίνηση του Χιγκς — και αξίζει να ειπωθεί ότι οι Ρομπέρ Μπράουτ και Φρανσουά Ενγκλέρ είχαν φτάσει ανεξάρτητα σε παρόμοια ιδέα λίγες εβδομάδες νωρίτερα, με τους Τζέραλντ Γκουράλνικ, C.R. Χέιγκεν και Τομ Κίμπλ ακριβώς πίσω τους — δεν ήταν να εγκαταλείψει τη συμμετρία αλλά να την κρύψει. Εισήγαγε ένα βαθμιδικό πεδίο που γεμίζει όλο τον χώρο, καθοδηγούμενο από ένα δυναμικό που μοιάζει λιγότερο με μπολ και περισσότερο με τον πάτο ενός μπουκαλιού κρασιού: ένα εξόγκωμα στο κέντρο, μια αυλάκωση γύρω του. Ένα πεδίο που κάθεται στην κορυφή του εξογκώματος σέβεται την πλήρη συμμετρία της θεωρίας. Ένα πεδίο που έχει κυλήσει προς την αυλάκωση δεν τη σέβεται, παρόλο που ο υποκείμενος νόμος εξακολουθεί να τη σέβεται. Το ίδιο το κενό, η πιο άδεια δυνατή κατάσταση, γίνεται το στοιχείο που σπάει τη συμμετρία — αθόρυβα, χωρίς κανείς να χρειάζεται να τη σπάσει «με το χέρι».

Αυτό που συμβαίνει στη συνέχεια είναι το μέρος που είχε περάσει απαρατήρητο, ή είχε απορριφθεί ως τεχνική περιέργεια, σε προηγούμενες εργασίες για τη αυθόρμητη διάσπαση συμμετρίας. Το θεώρημα του Γκόλντστοουν έλεγε ότι η διάσπαση μιας συνεχούς συμμετρίας πρέπει να παράγει ένα άμαζο, άσπινο σωματίδιο — μια υπόσχεση που φαινόταν να γεμίζει τη θεωρία με ανεπιθύμητα νέα σωματίδια που κανείς δεν είχε δει. Η συμβολή του Χιγκς ήταν να δείξει ότι όταν η σπασμένη συμμετρία είναι τοπική βαθμιδική συμμετρία, αντί για παγκόσμια, το μποζόνιο Γκόλντστοουν δεν επιβιώνει ως ανεξάρτητο σωματίδιο. Απορροφάται — οι φυσικοί εξακολουθούν να χρησιμοποιούν το ελαφρώς χιουμοριστικό ρήμα «τρώγεται» — από το βαθμιδικό μποζόνιο, το οποίο αποκτά αμέσως την επιμήκη πόλωση που ένα άμαζο σωματίδιο απαγορεύεται να έχει και ένα μαζικό απαιτεί. Ο λογαριασμός αυτής της «συναλλαγής» πληρώνεται σε μάζα, ανάλογη με την τιμή αναμονής του πεδίου στο κενό και με τη δύναμη της σύζευξης. Το βαθμιδικό μποζόνιο βαραίνει. Η συμμετρία επιβιώνει, κωδικοποιημένη αντί να εμφανίζεται. Και υπάρχει ένα υπόλοιπο: μια διέγερση του πεδίου γύρω από το νέο σημείο ισορροπίας του, ένα πραγματικό, μαζικό, βαθμιδικό σωματίδιο — αυτό που όλοι εννοούν σήμερα όταν λένε «το μποζόνιο Χιγκς».

Ο Χιγκς φαίνεται να είχε καταλάβει, με τρόπο που οι επικριτές του αρχικά δεν είχαν, ότι αυτό ήταν το κεντρικό σημείο: όχι μια υποσημείωση για τη δομή του κενού, αλλά ένας μηχανισμός αρκετά στιβαρός ώστε να στηρίξει τη θεωρία ηλεκτρασθενούς αλληλεπίδρασης που ο Βάινμπεργκ και ο Σαλάμ θα έχτιζαν πάνω του λίγα χρόνια αργότερα, και αρκετά ανανεώσιμη, όπως θα αποδείκνυε αργότερα ο ’τ Χουφτ, ώστε να εμπιστευτεί κανείς πραγματικούς υπολογισμούς και όχι να τη θεωρεί απλώς ένα τυπικό τέχνασμα. Η εργασία δεν επιμένει σε τίποτα από αυτά. Διατυπώνει τον μηχανισμό, σημειώνει τη συνέπεια που ο κριτής είχε παραβλέψει και σταματά. Όποιο δράμα το συνοδεύει σήμερα ανήκει στα σαράντα οκτώ χρόνια ανάμεσα στη μιάμιση σελίδα του 1964 και το πρωινό του Ιουλίου του 2012, όταν δύο ανιχνευτές στο CERN, ανεξάρτητα, βρήκαν το «εξόγκωμα» στα δεδομένα που το δυναμικό τύπου μπουκαλιού κρασιού είχε υποσχεθεί εξαρχής.