NHẬT KÝ LƯỢNG TỬ - CUỘC THÁM HIỂM THẾ GIỚI VẬT LÝ HẠT - Bài 13 . Một gợi ý về khối lượng từ hạt Higgs .

NHẬT KÝ LƯỢNG TỬ - CUỘC THÁM HIỂM THẾ GIỚI VẬT LÝ HẠT - Bài 13 . Một gợi ý về khối lượng từ hạt Higgs .

Lời nói đầu .


Vật lý hạt nhân là một nhánh quan trọng trong khoa học vật lý , nó chỉ ra những quan hệ tương tác giữa các hạt , phản hạt cùng những cấu thành khác trong thế giới hạt vi mô . Nhưng để hiểu được các ý nghĩa của chúng bằng việc sử dụng các công thức , ký hiệu toán học và các kiến thức vật lý cao cấp khác là cả một sự khó khăn với quảng đại quần chúng . Loạt bài sau đây gồm 20 đề tài được các tác giả là những nhà vật lý hạt hiện đang tham gia nghiên cứu về lĩnh vực này thể hiện qua những bài đăng rất thú vị . Xin trân trọng giới thiệu đến bạn đọc .




Trần hồng Cơ .
Tham khảo - Trích lược .
Ngày 18/08/2013.


Đường dẫn :

Bài 1 . Sơ đồ Feynman .

Bài 2 . Nhiều sơ đồ FEYNMAN hơn nữa .

Bài 3 . QED + μ  giới thiệu về muon . 

Bài 4 . Boson Z và sự cộng hưởng .

Bài 5 . Các chàng ngự lâm Neutrinos .

Bài 6 . Tí hon boson W - làm rối tung mọi thứ .

Bài 7 . Các chú lính quarks - Một cuộc gặp gỡ thú vị .

Bài 8 . Thế giới của keo .

Bài 9 . QCD và sự giam hãm .

Bài 10 . Những hiểu biết được biết đến về Mô hình Chuẩn .

Bài 11 . Khi sơ đồ Feynman thất bại .

Bài 12 . Bài giới thiệu độc đáo về boson Higgs .

Bài 13 . Một gợi ý về khối lượng từ hạt Higgs .




Bài 13 . Một gợi ý về khối lượng từ hạt Higgs .



13.1  Thêm vài ghi chú cho boson Higgs .


Một vài tuần trước, chúng ta đã gặp các boson Higgs và thảo luận quy tắc Feynman của nó. Rất tiếc đã quên đưa lên hình ảnh sang trọng của chú bé Higgs từ The Particle Zoo  trong bài viết vừa qua , nhưng độc giả của US LHC sẽ biết rằng Burton có hình ảnh tốt nhất của [chú bé nhồi bông] Higgs (Có vẻ như là hạt Higgs đã thay đổi màu sắc khi nó xuất hiện trong vườn hạt The Particle Zoo đấy các bạn ) .
Đây là chú Higgs được nhồi bông một cách rất duyên dáng nhưng có vẻ hơi bí ẩn một chút .

Chúng ta đã biết rằng hạt Higgs là một loại hạt khác với  các hạt lực boson gauge thông thường  hoặc các hạt vật chất fermion : đó là một hạt vô hướng  - đối với những người muốn có tiếng là sành điệu -  thì có nghĩa là nó không mang spin nội tại cơ lượng tử . Nói theo cách thực hành cho các bài viết này , có nghĩa là chúng ta đã kết thúc việc vẽ hạt Higgs như là một đường nét đứt. Tuy nhiên, đối với hầu hết các phần đã trình bày các quy tắc Feynman mà chúng ta biết trong các bài trước là khá nhàm chán ...

Các bạn hãy nhớ lại bức tranh tổng thể về cách vẽ sơ đồ Feynman:

1. Hạt khác nhau được biểu diễn bởi các đường. Bây giờ chúng ta có ba loại: các fermion (đường liền với mũi tên), boson gauge (đường sóng ), và vô hướng (đường đứt nét).
2. Khi các hạt tương tác, các đường đó cắt nhau tại các nút . "Các quy luật" ở trên cho chúng ta biết những loại nút gì là được phép.
3. Nếu chúng ta muốn tìm hiểu xem một quá trình là khả dĩ, chúng ta phải quyết định liệu chúng ta có thể sử dụng các quy tắc để chuyển đổi các tập hợp hạt ban đầu thành tập hợp hạt cuối cùng hay không .
Nếu bạn đã làm theo bài viết trước đây của chúng ta về sơ đồ Feynman, thì bạn đã có thể bắt đầu cảm thấy nhàm chán quá trình này. Chúng ta có thể thấy cách thức các electron có thể biến thành muon, hoặc thậm chí các phương thức mà boson Higgs có thể được sản xuất tại LHC ;  nhưng bây giờ chúng ta đã đến được với boson Higgs -một trong những mục tiêu chính của LHC- nhưng sự hấp dẫn còn ở đâu ? Điều gì làm cho nó thành đặc biệt, và làm thế nào để chúng ta nhìn thấy nó theo các quy tắc Feynman ?

Sơ đồ Hạt và các tương tác trong Mô hình Chuẩn .
Nguồn : http://profmattstrassler.files.wordpress.com/2011/08/sm_interactions2.png

13.2 Chú bé Higgs RẤT LÀ ĐẶC BIỆT . 

Nó chỉ ra rằng hạt Higgs có một thủ thuật gì đó trong bản chất của nó mà các hạt khác trong Mô hình Chuẩn không có . Trong ngôn ngữ của sơ đồ Feynman, một dòng Higgs có thể chấm dứt như sau :

"X" có nghĩa là đường đứt nét chỉ kết thúc ; Và như thế là không còn có các hạt khác đi ra nữa . RẤT ĐẶC BIỆT thậm chí là lập dị nữa !  Chúng ta biết rằng các hạt thông thường không thể làm điều này ... chúng ta cũng không thấy có chuyện hạt vật chất biến mất vào chỗ không có gì , cũng không thấy hạt lực biến mất đi mà không bị hấp thụ bởi các hạt khác .
Chúng ta có thể phải suy nghĩ về những gì sẽ xảy ra khi vật chất và phản vật chất tiêu diệt lẫn nhau , nhưng ở đó chúng ta thường giải phóng năng lượng dưới dạng hạt lực (thường là photon ) .  Các quy tắc trên cho chúng ta biết một đường Higgs đơn lập - rất hạnh phúc làm việc riêng của mình là - có thể được đột nhiên bị cắt đứt . Nó không nên được coi là một trạng thái ban đầu hoặc hạt trạng thái cuối cùng . Một cách đơn thuần nó chỉ là một đường trung gian xảy ra để dừng lại mà thôi ?!

Bạn sẽ thấy rằng : Được thôi ! Chúng ta sẽ lại tiếp tục thảo luận về ý nghĩa vật lý của điều này trong những bài viết sắp tới. Thỉnh thoảng khi người ta cố gắng giải thích ý nghĩa vật lý họ có thể bị cuốn vào suy nghĩ của riêng mình. Thay vào đó , chúng ta hãy sử dụng sơ đồ Feynman như một cái nạng chống để xem hiệu quả của các quy tắc Feynman quái lạ này . Nhớ lại rằng trong bài trước chúng ta đã giới thiệu một sự tự - tương- tác- bốn- điểm- Higgs  ( " bốn điểm " có nghĩa là bốn dòng Higgs giao nhau ) như sau :

Nếu chúng ta chọn lấy một trong những đường đứt nét và chấm dứt nó , thì chúng ta sẽ kết thúc với một sự tự- tương- tác- ba- điểm- Higgs như thế này  :

Trong thực tế, vì đường có gạch chéo không tham gia bất cứ điều gì, chúng ta cũng có thể nói rằng có một quy tắc Feynman mới có dạng sau

Bây giờ  là một điều gì đó khá thú vị. Chúng ta có thể quên đi quy tắc "đường Higgs bị gạch chéo" và chỉ mặc nhiên công nhận một đỉnh ba điểm. Trong thực tế, đây thường  là cách người ta viết ra các quy tắc Feynman (và cũng là lý do tại sao phương pháp của chúng ta đã được "mang một phong cách riêng"); Tuy nhiên, đối với các mục đích đặc biệt của chúng ta , điều quan trọng phải nhấn mạnh rằng những gì mọi người thực sự hiểu là có được sự mặc định ngầm là "đường Higgs bị gạch chéo" . Tầm quan trọng này liên quan chặt chẽ đến những gì làm cho hạt Higgs trở nên rất đặc biệt.  Chúng ta có thể chơi trò chơi này một lần nữa và lại đánh chéo X cho 2 đường nét đứt và điều này sẽ dẫn chúng ta đến một sự tương tác hai điểm Higgs .

Một lần nữa, chúng ta cũng có thể chặt bỏ hai đường chấm dứt đó và nói rằng có một quy tắc  Feynman 'mới'  cho hai - điểm Higgs . Nhưng điều này thực sự chỉ là một đường , và chúng ta đã biết rằng có thể vẽ các đường như một phần của quy tắc Feynman . Trong thực tế, chúng ta biết rằng các đường thẳng chỉ có nghĩa là một hạt di chuyển từ nơi này đến nơi khác. Vì vậy, có vẻ như sự tương tác với hai đường gạch chéo này không cho chúng ta thêm bất cứ thông tin gì cả .

Ngoại trừ ra ... có nhiều vấn đề với nó, và đây là nơi mà chúng ta sẽ bắt đầu để có được một chút gợi ý của sự kỳ diệu kết hợp với hạt Higgs. Chúng ta hãy thử phát biểu điều sau đây ...  mà không cần sự thúc đẩy nhé các bạn  :

* Khẳng định  : các quy tắc Feynman trên là một đóng góp cho khối lượng hạt Higgs .
Tại thời điểm này , có lẽ bạn nên nói điều gì đó hoài nghi đại loại như , " Cái gììì ì ì  vậyyy y y? " Cho đến nay, chúng ta đã nói rằng các hạt có một khối lượng cụ thể.  Con số khối lượng nhiều không bao giờ thực sự là quan trọng , một số hạt nhẹ hơn so với những hạt khác , một số hạt có khối lượng bằng không .
 Khối lượng chỉ là một tính chất mà mỗi hạt dường như phải có .  Tuy nhiên , bây giờ ,chúng ta đã vừa thực hiện một tuyên bố khá sâu , khiến chúng ta đứng lên đỉnh của một tảng băng trôi khá lớn : chúng ta bây giờ có liên quan đến một quy tắc Feynman đặc biệt đối với khối lượng của hạt , mà chúng ta đã giả định trước đây chỉ là một con số nào đó , điều mà chúng ta đã phải chỉ định trong chính lý thuyết của chúng ta . Phức tạp quá phải không ?

Chúng ta sẽ phải chờ đợi các bài viết tiếp theo để thực sự đi vào lý do tại sao một mối quan hệ như vậy nên tồn tại và thực sự những gì chúng ta thậm chí muốn giải nghĩa là khối lượng , nhưng điều này nên ít nhất bắt đầu tin vào ý tưởng rằng các boson Higgs có thể cung cấp khối lượng cho các hạt  (*)
-*- nhân đây các bạn hãy thử tưởng tượng xem nếu không có trường Higgs thì  mọi chuyện sẽ xẩy ra như thế nào . Thảm họa nào sẽ đến cho những khái niệm , những định luật trong vật lý hạt ?

Sơ đồ mô tả hiện tượng không có trường Higgs
Nguồn : http://profmattstrassler.files.wordpress.com/2011/08/ifhiggswerezero2.png

Tại thời điểm này chúng ta vẫn cảm thấy rất bí ẩn và có phần không hài lòng , không sao ! Chúng ta rồi sẽ đạt được điều đó . Bây giờ, chúng ta rất muốn cảm thấy thoải mái với chuỗi ý tưởng  sau đây :

1. Boson Higgs có một quy tắc Feynman đặc biệt khi có một đường có thể chấm dứt .
2. Điều này có nghĩa chúng ta có thể thực hiện bất kỳ sự tương tác nào và loại bỏ một cách hiệu quả các đường Higgs bằng cách chấm dứt nó sau đỉnh ngay lập tức  .
3. Đặc biệt , điều này cũng có nghĩa là chúng ta tạo ra một đỉnh chỉ với hai đường Higgs .
4. Đỉnh với hai đường Higgs này  nên - vì những lý do bí ẩn hiện nay - được đồng nhất với khối lượng .



13.3  Việc trao khối lượng cho các hạt khác .

Bây giờ chúng ta xem  trò chơi này hoạt động như thế nào , chúng ta phải ngay lập tức quay trở lại với hai quy tắc Feynman đầu tiên đã viết trước đây :


Sơ đồ này mô tả sự tương tác của các hạt Higgs với fermion và boson gauge. Đây là những gì bạn nên suy nghĩ:

Ừm ... Tôi biết rằng đường boson Higgs có thể chấm dứt ; Tôi chỉ có thể đánh chéo các điểm đầu mút của một đường nét đứt - mô tả hạt Higg . Và tôi chỉ thấy rằng khi tôi làm điều này cho đỉnh  tự tương tác của hạt Higgs đủ thời gian, tôi kết thúc với một sự tương tác hai điểm mà người ta nói với tôi là một khối lượng vì một số lý do quái lạ gì đó .

Bây giờ thì những hai đỉnh đại diện cho sự tương tác hạt Higgs với hai hạt vật chất hoặc hai hạt lực. Không Liệu những sự chấm dứt đường Higgs cũng cung cấp khối lượng cho các hạt này không ?

Câu trả lời là có!  Và chúng ta sẽ kết thúc với đỉnh như thế này:

Vì lý do thẩm mỹ ( và thực sự chỉ vì lý do thẩm mỹ ), chúng ta có thể thu nhỏ sơ đồ này như sau :

Thậm chí có thể thả dấu "X" nếu bạn muốn được nhiều thứ hơn so với phiên bản thuần túy  ... nhưng để cho rõ ràng , ta sẽ để nó ở đây để phân biệt điều này từ một đường bình thường.  Thực vậy , các sơ đồ đại diện cho sự đóng góp khối lượng cho các fermion và boson gauge . Một lần nữa ,  điều này có vẻ như một bí ẩn thực tế - sau này chúng ta sẽ  giải thích tại sao sự diễn giải này là chính xác . Còn bây giờ chúng ta sẽ cần phải đầu tiên hiểu được những gì thực sự là " khối lượng" ... và điều đó sẽ đòi hỏi một số quan tâm .

13.4  Cú va chạm với hạt Higgs .

Trong thực tế, thay vì nói rằng các hạt " bắt đầu " với khối lượng bất kỳ , người ta có thể phát biểu một cách hệ thống , toàn bộ chương trình sơ đồ Feynman của chúng ta về các hạt hoàn toàn không có khối lượng . Trong bức ảnh như vậy , các hạt giống như quark đỉnh hay boson Z trải qua rất nhiều sự  tương tác "khối lượng" hai-điểm đã nói trên , và do đó được quan sát có khối lượng lớn hơn. Theo kinh nghiệm , các hạt nặng đổ vào chung khoang và có rất nhiều những tương tác hai- điểm biểu diễn như dưới đây

Để so sánh, một hạt tựa như các electron sẽ ít có những tương tác này. Chuyển động của chúng (một lần nữa, theo kinh nghiệm) trông như sau :

Cũng nên nhớ rằng mỗi một trong các dấu X thực ra là một dòng Higgs bị chấm dứt. Sử dụng một số cách nói  -"theo kiểu vật lý " - rất ưa thích hiện nay - sẽ xuất hiện trong một bài sau, chúng ta nói rằng hạt Higgs có một "giá trị kỳ vọng chân không" và các hạt này va chạm với nó.  Những hình ảnh trên chỉ là "hoạt họa" của sơ đồ Feynman, nhưng các bạn có thể thấy điều này dường như để truyền đạt một cảm giác "quán tính" gì đó . Đúng vậy ! hạt lớn hơn (như quark đỉnh chẳng hạn) càng khó khăn hơn để đẩy ra xung quanh bởi vì chúng tiếp tục va chạm với hạt Higgs . Còn các hạt nhẹ , giống như điện tử, không tương tác quá nhiều với hạt Higgs và do đó có thể được đẩy đi một cách dễ dàng hơn.

[ Clip đồ họa mô tả thực nghiệm tìm kiếm hạt Higg ]

Cũng theo ý nghĩa này, chúng ta có thể nghĩ về tất cả các hạt như là không có khối lượng, nhưng tương tác của chúng với hạt Higgs tạo ra một sự tương tác hai- điểm là điều tạo ra khối lượng một cách hiệu quả . Hạt nào tương tác mạnh mẽ hơn với hạt Higgs có khối lượng nhiều hơn, trong khi các hạt tương tác yếu với hạt Higgs sẽ có ít khối lượng .

 Trong thực tế, một khi chúng ta giả định điều này, thì chúng ta cũng có thể thả tất cả các dấu X ngớ ngẩn trên những đường này - và thế là chúng ta đang rời xa các quy tắc Feynman thông thường (không có chấm dứt dòng Higgs) đã được trình bày trước đây .

(Một chú thích kỹ thuật nhỏ:. Hạt Higgs không thực sự chịu trách nhiệm cho tất cả các khối lượng . Ví dụ, các trạng thái ràng buộc có được khối lượng từ năng lượng liên kết của chúng .Chỉ cần nhìn vào khối lượng của proton và so sánh nó với khối lượng của các quark thành phần của nó là sẽ hiểu . Các proton.. có khối lượng khoảng 1 GeV, trong khi  quark lên / xuống chỉ một phần nghìn điều này. Hầu hết các khối lượng proton xuất phát từ năng lượng liên kết của QCD).

13.5  Một số phát biểu trước khi kết thúc .

Nói vui một chút , trước khi cho phép bạn suy nghĩ về những điều này nhiều hơn một chút , sẽ có một vài nhận xét cuối cùng để " kích thích sự ham muốn của bạn "  vào cuộc thảo luận tiếp theo của chúng ta .

- Photon , như chúng ta biết , không có khối lượng . Do đó chúng ta hy vọng rằng hạt Higgs không tương tác với các photon , hoặc nếu không chúng ta có thể " chấm dứt " các đường Higgs trong các đỉnh tương tác và tạo ra một khối lượng cho photon.

Hình dạng một photon đơn .
Nguồn : http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/aug/10/photon-shape-could-be-used-to-encode-quantum-information

- Mặt khác , hạt Higgs cung cấp khối lượng cho các boson W và Z  Điều này có nghĩa rằng phải cần hao phí năng lượng để sản xuất những hạt này  và do đó sự yếu chỉ thực sự có hiệu quả trên một khoảng cách ngắn mà thôi . So sánh điều này với các photon , không có khối lượng , và do đó có thể tạo ra một lực tầm xa. ( Gluon cũng không có khối lượng , nhưng chúng có một lực tầm ngắn do sự giam hãm của chúng . ) Do đó, hạt Higgs phải chịu trách nhiệm về "điểm yếu" của lực yếu .

Bảng tóm tắt các loại tương tác .
Nguồn : http://www.particleadventure.org/inter_summary.html

Theo FLIP TANEDO | USLHC | USA

+++++++++++++++++++++++++++

Nguồn :
1. http://www.quantumdiaries.org/2011/05/05/a-diagrammatic-hint-of-masses-from-the-higgs/
2. http://www.quantumdiaries.org/2011/03/25/an-idiosyncratic-introduction-to-the-higgs/
3. http://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/the-known-apparently-elementary-particles/the-known-particles-if-the-higgs-field-were-zero/



Trần hồng Cơ .
Tham khảo - Trích lược .

Ngày --/--/2014.

 -------------------------------------------------------------------------------------------

 Khoa học là một điều tuyệt vời khi không phải dùng nó để kiếm sống. 

 Albert Einstein .