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

Бэгготт Джим

Квантовое число. Описание физического состояния квантовой системы требует конкретизации его свойств в отношении энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда и т. п. Вследствие квантизации таких свойств в описании появляются постоянные величины соответствующих квантов. Например, момент импульса, связанный со спином электрона, имеет постоянную величину 1/2 h/2, где h – постоянная Планка. Повторяющиеся целые и полуцелые числа, на которые умножаются величины квантов, называются квантовыми числами. В магнитном поле спин электрона может быть ориентирован по силовым линиям поля или в противоположном направлении, то есть электрон может иметь ориентацию спин вверх и спин вниз с квантовыми числами +¹/₂

и —¹/₂. Среди других квантовых чисел – главное квантовое число n, обозначающее энергетический уровень и характеризующее энергию электронов, занимающих данный энергетический уровень.

Кварк. Элементарная составляющая адронов. Все адроны состоят из триплетов кварков со спинами ¹/₂ (барионы) или комбинаций кварков и антикварков (мезоны). Кварки образуют три поколения с разными ароматами. Верхний и нижний кварки с электрическими зарядами +²/₃ и —¹/₃ и массами 1,7–3,3 МэВ и 4,1–5,8 МэВ соответственно относятся к первому поколению. Из верхних и нижних кварков состоят протоны и нейтроны. Ко второму поколению относятся очарованный и странный кварки с зарядами +²/₃ и —¹/₃ и массами 1,27 ГэВ и 101 МэВ соответственно. Третье поколение включает прелестный и истинный кварки с электрическими зарядами +²/₃ и —¹/₃ и массами 4,19 и 172 ГэВ соответственно. Кварки также переносят цветной заряд, и кварки каждого аромата обладают красным, зеленым или синим зарядом.

Квинтиллион. Миллион триллионов, 10¹⁸ или 1 000 000 000 000 000 000.

Комплексное число. Комплексное число образовано умножением реального числа на квадратный корень из –1, который записывается в виде i. Квадрат комплексного числа, таким образом, является отрицательным числом, например, квадрат 5i равен –25. Комплексные числа широко применяются в математике для решения проблем, которые невозможно решить с помощью обычных чисел.

Корпускулярно-волновой дуализм. Фундаментальное свойство всех квантовых частиц, которое проявляется одновременно в делокализованном волновом поведении (например, дифракции и интерференции) и локализованном поведении частицы в зависимости от аппарата, которым производится измерение. Впервые предложен Луи де Бройлем в 1923 году как свойство частиц материи, таких как электроны.

Космическая инфляция. Быстрое экспоненциальное расширение Вселенной, которое, по современным данным, произошло между 10^–3 и 10^–32 секундами после Большого взрыва. Открытая в контексте теорий великого объединения американским физиком Аланом Гутом в 1980 году, инфляция позволяет объяснить крупномасштабную структуру Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня.

Космические лучи. Потоки высокоэнергетических заряженных частиц из космоса, которые непрерывно изливаются в верхние слои атмосферы Земли. Термин «лучи» появился в первые годы исследования радиоактивности, когда направленные потоки заряженных частиц назывались лучами. У космических лучей разные источники, в том числе высокоэнергетические процессы, происходящие на поверхности Солнца и других звезд, а также неизвестные процессы в других областях Вселенной. Энергия космических частиц обычно находится в диапазоне между 10 МэВ и 10 ГэВ.

Космологическая постоянная. В 1922 году российский теоретик Александр Фридман нашел решения уравнений гравитационных полей Эйнштейна, описывающих Вселенную, в которой происходит расширение пространствавремени. Сначала Эйнштейн не принимал мысли, что пространство-время может расширяться или сжиматься, и ввел космологическую постоянную в свои уравнения, чтобы они допускали однородное статическое решение. Эйнштейна беспокоило, что под действием гравитации Вселенная должна коллапсировать, и он прибег к космологической постоянной – своего рода отрицательной или отталкивающей форме гравитации, – чтобы нейтрализовать этот эффект. Когда появились данные о том, что Вселенная в самом деле расширяется, Эйнштейн пожалел

о сделанном и называл это своей самой большой ошибкой в жизни. Однако дальнейшие открытия 1998 года позволили предположить, что расширение Вселенной фактически ускоряется. В сочетании с измеренным спутниками фоновым излучением эти результаты привели к предположению, что Вселенную пронизывает темная энергия, на которую приходится около 73 процентов массы-энергии Вселенной. Одна из форм темной энергии требует повторного введения космологической постоянной Эйнштейна.

Куперовская пара. При охлаждении ниже критической температуры электроны в сверхпроводнике испытывают слабое взаимное притяжение. Электроны с противоположными спинами и импульсами образуют куперовские пары, которые совместно движутся по металлической решетке, и вибрация решетки способствует их движению. Такие пары электронов имеют спин 0 или 1 и потому являются бозонами. Вследствие этого количество пар, которые могут занимать одно квантовое состояние, не ограничено, и при низких температурах они могут «сгущаться», приобретая макроскопические размеры. Куперовские пары в таком состоянии не испытывают сопротивления, проходя по решетке, так возникает явление сверхпроводимости.

Лептон. От греческого leptos, маленький. Лептоны образуют класс частиц, которые не подвержены сильному ядерному взаимодействию. Их сочетания с кварками образуют материю. Как и кварки, лептоны относятся к трем поколениям и включают в себя электрон, мюон и тау с электрическим зарядом –1, спином ¹/₂ и массами 0,51 МэВ, 106 МэВ и 1,78 ГэВ и соответствующие нейтрино. Электронное, мюонное и тау-нейтрино не переносят электрический заряд, имеют спин ¹/₂ и обладают очень малой массой (необходимой, чтобы объяснить феномен нейтринной осцилляции, квантовомеханического смешения ароматов нейтрино, то есть со временем ароматы могут изменяться).

Лэмбовский сдвиг. Небольшая разница между энергией двух электронов атома водорода, открытая Уиллисом Лэмбом и Робертом Резерфордом в 1947 году. Лэмбовский сдвиг подтолкнул физиков к решению проблемы перенормировки и в конечном итоге созданию квантовой электродинамики.

Лямбда-CDM, CDM. Аббревиатура CDM означает «холодная темная материя». Также известна как Стандартная модель космологии Большого взрыва. Модель CDM объясняет крупномасштабную структуру Вселенной, реликтовое микроволновое излучение, ускоряющееся расширение Вселенной и распространение таких элементов, как водород, гелий, литий и кислород. Согласно модели CDM, 73 процента массы-энергии Вселенной приходится на долю темной энергии (которая отражается в размере космологической постоянной ), 22 процента – холодной темной материи, и таким образом на долю видимой Вселенной – галактик, звезд и известных планет – остается всего 5 процентов.

Мега. Приставка, означающая миллион. Мегаэлектронвольт (МэВ) – это миллион электронвольт, 10⁶ эВ или 1 000 000 эВ.

Мезон. От греческого mesos, средний. Мезоны – подкласс адронов. Они испытывают сильное ядерное взаимодействие и состоят из кварков и антикварков.

Механизм Хиггса. Назван в честь британского физика Питера Хиггса, но также часто называется по именам других физиков, независимо открывших механизм в 1964 году. Вариант названия: механизм Браута – Энглера – Хиггса– Хейгена – Гуральника – Киббла, в честь физиков Роберта Браута, Франсуа Энглера, Питера Хиггса, Карла Хейгена, Джеральда Гуральника и Тома Киббла. Механизм описывает, каким образом фоновое поле – называемое полем Хиггса – нарушает симметрию в квантовой теории поля. В 1967–1968 годах Стивен Вайнберг и Абдус Салам независимо друг от друга использовали этот механизм в работе над теорией поля для электрослабого взаимодействия.

Миллиард. Тысяча миллионов, 10⁹ или 1 000 000 000.

МИТ. Массачусетский институт технологий.

Молекула. Фундаментальная единица химического вещества, образованная из двух или более атомов. Молекула кислорода O2 состоит из двух атомов кислорода. Молекула воды H2O состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Моль. Стандартная единица измерения количества вещества, равная его атомному или молекулярному весу в граммах. Моль содержит 6,022 x 10²³ частиц. Название происходит от слова «молекула».