Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога» - Джим Бэгготт

Прелестный кварк. Также бьюти-кварк, боттом-кварк или b-кварк. Кварк третьего поколения с зарядом —1/3, спином 1/2 (фермион) и массой 4,19 ГэВ. Открыт в Фермилабе в 1977 году при наблюдении за ипсилон-мезоном, состоящим из b-кварка и b-антикварка.

Принцип неопределенности. Открыт Вернером Гейзенбергом в 1927 году. Принцип неопределенности утверждает, что есть некий окончательный предел точности, с которой можно измерить пары «сопряженных» наблю даемых объектов, таких как положение и момент, энергия и время. В основе принципа фундаментальный корпускулярно-волновой дуализм поведения квантовых объектов.

Принцип Паули, принцип запрета. Открыт Вольфгангом Паули в 1925 году. Утверждает, что два фермиона не могут занимать одно квантовое состояние (то есть обладать таким же набором квантовых чисел) одновременно. Для электронов это означает, что лишь два электрона могут находиться на одной атомной орбитали, при условии что они обладают противоположными спинами.

Протон. Положительно заряженная субатомная частица, открытая и названная Эрнестом Резерфордом в 1919 году. Резерфорд установил, что ядро атома водорода (которое представляет собой единственный протон) – фундаментальная составная часть ядер других атомов. Протон – это барион, состоящий из двух верхних и одного нижнего кварка со спином 1/2 и массой 938 МэВ.

Реликтовое излучение, также фоновое микроволновое излучение. Примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная достаточно расширилась и охладилась, чтобы произошла рекомбинация ядер водорода (протонов) и ядер гелия (состоящих из двух протонов и двух нейтронов) с электронами и, следовательно, образование нейтральных атомов водорода и гелия. В тот момент Вселенная стала «прозрачной» для остаточного горячего излучения. При дальнейшем расширении это горячее излучение охладилось до микроволнового диапазона с температурой всего 2,7 K (–270,5 °C), на несколько градусов выше абсолютного нуля. Это реликтовое излучение было предсказано несколькими теоретиками и случайно открыто Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном в 1964 году. В дальнейшем оно было подробно исследовано с помощью спутников COBE и WMAP.

Сверхпроводимость. Открыта Хейке Камерлинг-Оннесом в 1911 году. При охлаждении ниже определенной критической температуры некоторые кристаллические материалы теряют электрическое сопротивление и становятся сверхпроводниками. Электрический ток беспрерывно течет по сверхпроводящему проводу без дополнительной энергии. Сверхпроводимость – квантовомеханический феномен, объясняемый при помощи механизма БКШ, названного так в честь Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера.

Светимость. Светимость пучка частиц в ускорителе – это количество частиц на единицу площади на единицу времени, умноженное на непрозрачность второго пучка (показатель непроницаемости мишени для частиц). Особенно интересна интегрированная светимость, сумма светимости за период времени, обычно выражается в единицах на квадратный сантиметр (см–2) или обратных барнах (1024 см–2). Количество столкновений, приводящих к конкретной реакции, представляет собой интегрированную светимость, умноженную на поперечное сечение (в см2) реакции, что является показателем ее вероятности.

Сильное взаимодействие. Сильное ядерное взаимодействие, или цветовое взаимодействие, связывает кварки и глюоны внутри адронов и описывается квантовой хромодинамикой. Взаимодействие, связывающее протоны и нейтроны внутри атомного ядра (также называемое сильным ядерным взаимодействием), считается «пережитком» цветового взаимодействия, связывающего кварки внутри нуклонов. См. Цветовое взаимодействие.

Синхротрон. Тип ускорителя частиц, в котором электрическое поле используется для разгона частиц, а магнитное для направления их по кольцу, при этом они тщательно синхронизируются с пучком частиц.

Слабое ядерное взаимодействие. Данный тип взаимодействия называется слабым потому, что оно существенно слабее сильного и электромагнитного взаимодействий. Слабое взаимодействие влияет на кварки и лептоны и может менять аромат кварков и лептонов, например превратить верхний кварк в нижний и электрон в электронное нейтрино. Впервые было установлено, что слабое взаимодействие является фундаментальным, на основании исследований бета-радиоактивного распада. Переносчики слабого взаимодействия – частицы W и Z. Слабое взаимодействие объединено с электромагнитным в квантовой теории поля SU(2) × U(1) для электрослабого взаимодействия Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом в 1967–1968 годах.

Слабый нейтральный ток. Слабое взаимодействие с обменом виртуальным Z0-бозоном или сочетанием виртуальных W+ и W— частиц (см. рис. 15 и 16, с. 111 и 135).

Специальная теория относительности. Разработанная Эйнштейном в 1905 году, специальная теория относительности утверждает, что все движение относительно и не существует единой или главной системы отсчета, относительно которой можно измерить движение. Все инерциальные системы отсчета эквивалентны – наблюдатель, неподвижно находящийся на Земле, получит такие же результаты таких же физических измерений, как и наблюдатель, движущийся с равномерной скоростью в космическом корабле. Теория положила конец классическим понятиям абсолютного пространства и времени, абсолютного покоя и одновременности. Формулируя теорию, Эйнштейн исходил из того, что ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме. Теория называется специальной в том смысле, что она не объясняет движения с ускорением; движение с ускорением учитывается в Общей теории относительности.

Спин. Свойство всех элементарных частиц, вид момента импульса. Хотя сначала спин электрона понимался как его «самовращение» (вращение электрона вокруг своей оси, вроде волчка), спин представляет собой релятивистский феномен и не имеет аналога в классической физике. Частицы характеризуются спиновыми квантовыми числами. Частицы с полуцелым спином называются фермионами. Частицы с целым спином называются бозонами. Частицы материи – фермионы. Частицы взаимодействий – бозоны.

ССК. Сокращение от сверхпроводящий суперколлайдер, проект строительства крупнейшего в мире ускорителя частиц в Ваксахачи, округ Эллис, Техас. Предполагалось, что ССК сможет достигнуть энергии протон-протонных столкновений 40 ТэВ. Проект закрыт конгрессом США в октябре 1993 года.

Стандартная модель в космологии. См. Лямбда-CDM.

Стандартная модель в физике элементарных частиц. Принятая в современной физике теоретическая модель, описывающая частицы материи и их взаимодействия между собой, за исключением гравитации. Стандартная модель состоит из квантовых теорий поля с локальными симметриями SU(3) (цветовое взаимодействие) и SU(2) × U(1) (слабое ядерное и электромагнитное взаимодействие). В Стандартную модель входят три поколения кварков и лептонов, фотон, W– и Z-частицы, глюоны – переносчики цветового взаимодействия и бозон Хиггса.

Степень свободы. Количество измерений, доступных для системы или в которых система свободно движется. Классическая частица может свободно двигаться в трех пространственных измерениях. Однако фотоны, будучи безмассовыми частицами со спином 1, ограничены лишь двумя измерениями, которые проявляются в виде левой и правой круговой поляризации или вертикальной и горизонтальной поляризации. В механизме Хиггса безмассовые бозоны получают третью степень свободы, поглощая бозон Намбу – Голдстоуна (см. рис. 14, с. 100).

Странность. Характерное свойство таких частиц, как нейтральные лямбда-частицы, нейтральные и заряженные сигма– и кси-частицы и каоны. Марри Гелл-Манн и Юваль Неэман использовали странность наряду с электрическим зарядом и изоспином для классификации частиц согласно восьмеричному пути (см. рис. 10, с. 82). Позднее это свойство было объяснено присутствием в этих частицах странного кварка (см. рис. 12, с. 95).

Странный кварк. Кварк второго поколения с зарядом —1/3, спином 1/2 (фермион) и массой 101 МэВ. Странность как характеристика относительно низкоэнергетических (низкомассовых) частиц была открыта в 1940 и 1950 годах Марри Гелл-Манном и независимо Кадзухико Нисидзимой и Тадао Накано. Позднее Гелл-Манн и Джордж Цвейг объяснили странность частиц присутствием в них странного кварка (см. рис. 12, с. 95).

Суперсимметрия. Альтернатива Стандартной модели физики элементарных частиц, в которой асимметрия между частицами материи (фермионами) и силы (бозонами) объясняется на основании нарушенной суперсимметрии. При высоких энергиях (например, таких, какие преобладали на самых ранних этапах после Большого взрыва) суперсимметрия не нарушена, то есть существует идеальная симметрия между фермионами и бозонами. Кроме асимметрии между фермионами и бозонами, нарушенная суперсимметрия предсказывает класс массивных суперпартнеров со спинами, отличающимися на 1/2. Суперсимметричные партнеры фермионов называются сфермионами. Партнер электрона называется сэлектроном; каждый кварк имеет партнера в виде соответствующего скварка. У каждого бозона есть бозино. Суперсимметричные партнеры фотона, W– и Z– частиц и глюонов – это фотино, вино, зино и глюино. Суперсимметрия решает многие проблемы Стандартной модели, но данные в пользу существования суперпартнеров еще не найдены.