-

boson : nihil est sine ratione

Stąd do wieczności czyli gra w trzy liczby

Odkrycie w CERNie, w lipcu 2012 roku bozonu Higgsa zamknęło definitywnie epokę zatwierdzania Modelu Standardowego jako kompletnej teorii mikro-świata. Paradoksalnie, było to sporym zaskoczeniem, i stąd właśnie się wzięło 49-letnie opóźnienie w przyznaniu nagrody Nobla za ten ostatni, do niedawna niepotwierdzony bezpośrednio składnik tejże teorii, tzw. mechanizm BEH (Brout-Englert-Higgs), przewidujący istnienie tegoż bozonu. (W efekcie jeden z autorów, Robert Brout, nie doczekał się tego wyróżnienia…) Zaskoczony był tym w pewnym stopniu nawet jeden z twórców BEH, gdyż podobnie jak wielu fizyków spodziewał się, że być może bozon Higgsa nie jest cząstką elementarną**, a do jego pełnego zrozumienia potrzeba nowej teorii. Okazało się inaczej, i nic w tej chwili nie wskazuje na taką potrzebę, a więc odkrycie stało się niejako większym niż powszechnie oczekiwano!

W tym miejscu warto zrobić pewną dygresję historyczną. Otóż, w 1885 Johann Balmer, fizyk i nauczyciel w żeńskiej szkole w Bazylei, podał prosty wzór matematyczny wiążący długości fal dla dopiero co zmierzonych przez Ångströma pięciu linii spektralnych wodoru. Jak się później okazało, był to początek końca fizyki klasycznej, a gwóźdź do jej trumny wbił w 1900 Max Planck postulując kwantowanie (czyli "porcjowanie") energii, i wprowadzając nową stałą fundamentalną h. Planck doskonale zdawał sobie sprawę z wagi swojego odkrycia – zanim to ogłosił, bardzo długo męczył się próbując uratować fizykę klasyczną, ale bez powodzenia. Jak wiemy, doprowadziło to do powstania fizyki kwantowej, innymi słowy – do największej rewolucji w fizyce od czasów Newtona. Na marginesie, warto przypomnieć rolę w tejże rewolucji, być może najważniejszej w historii fizyki, pracy doktorskiej – ukończonej przez księcia Louis de Broglie w 1924. Nosiła ona tytuł Recherches sur la théorie des quanta („Badania nad teorią kwantów”) i przyniosła autorowi nagrodę Nobla już w 1929. Wynikało to z jej olbrzymiego znaczenia dla fizyki, a ciekawostką jest fakt, iż de Broglie doszedł do swojego fundamentalnego postulatu przypisania falowej natury wszystkim cząstkom materii, całkowicie samodzielnie. Członkowie jury jego przewodu doktorskiego (w tym wielcy francuscy fizycy, Paul Langevin i Jean Perrin) poruszeni rewolucyjnością idei, zasięgnęli w tej sprawie rady Alberta Einsteina, który natychmiast docenił bardzo głębokie znaczenie owego postulatu. Więcej o tym, m.in. jak to sam Einstein stał się tego poniekąd ofiarą TUTAJ.

Wróćmy zatem, jak mówią Francuzi, do naszych baranów. Model Standardowy jest teorią kompletną ponieważ poprawnie opisuje wszystkie znane zjawiska mikro-świata. Zawiera jednak dużo parametrów, których wartości już nie potrafimy dobrze wyjaśnić. Do tych parametrów należą w szczególności masy wszystkich cząstek elementarnych, w tym także bozonu Higgsa. I tu właśnie pojawia się wielkie wyzwanie – otóż, eksperymenty w  CERN nie tylko wykazały istnienie bozonu Higgsa, ale umożliwiły pomiar masy tegoż bozonu z dokładnością 0,2% (dwóch promili)!  A to z kolei, pozwoliło zauważyć następującą relację liczbową między trzema masami:

M(higgs)ˆ2 = M(top) * Mz   lub, inaczej      Mh= √ (Mt * Mz)

Innymi słowy, masa bozonu Higgsa jest równa pierwiastkowi z iloczynu mas kwarku top i bozonu Z. Równanie to jest spełnione z dokładnością lepszą niż 0,3%, zatem w znakomitej zgodzie z błędami pomiaru tych trzech mas! Fascynującą własnością tej prostej relacji jest fakt, że każda z tych trzech cząstek należy do innego rodzaju, ze względu na swój spin. Bozon Higgsa jest jedyną skalarną (tzn. bezspinową) cząstką elementarną w przyrodzie! Z kolei, kwark top jest fermionem, czyli cząstką o spinie połówkowym (= ½ħ), tak jak wszystkie cząstki elementarne materii, na przykład elektrony. W dodatku jest najcięższym fermionem, ale właśnie jego wielka masa (równa w przybliżeniu masie atomu złota…) jest najbardziej „naturalna” wśród fermionów, wg Modelu Standardowego. No i w końcu, neutralny bozon Z, „odpowiedzialny” wraz z naładowanymi bozonami W za oddziaływania słabe,  jest bozonem wektorowym, o spinie 1, tak jak foton. Ma przy tym najlepiej znaną masę, z dokładnością do 0,002% !

Ktoś może nie bez racji powiedzieć, że jest to najprawdopodobniej zupełny przypadek – w końcu można by postulować bardzo wiele innych arbitralnych wzorów, dołączyć także masę bozonów W itd., itp. Problem jednak w tym, że od wielu już lat znamy inny zaskakujący wzór łączący tym razem masy trzech leptonów (czyli fermionów, ale nie oddziałujących silnie) naładowanych – elektronów, mionów i leptonów tau. Zaproponował go w 1981 japoński fizyk Yoshio Koide:                                                                                               en.wikipedia.org/wiki/Koide_formula.

Po 38 latach, przy ciągle rosnącej precyzji pomiaru tychże mas – równanie Koide jest nadal spełnione, w granicach bardzo małych błędów, ale nikt dotąd nie potrafił wyjaśnić jego ewentualnego pochodzenia.

Trudno zatem uwierzyć, aby każdy z tych związków był po prostu jedynie liczbową koincydencją. Ja w to nie wierzę, a jeśli ktoś z czytelników ma pomysł na głębokie uzasadnienie któregoś z nich, to radzę szybko to spisać i opublikować – jeśli dobrze trafi, to poczesne miejsce na kartach historii fizyki jest gwarantowane.

___

Z kolei, wiele wskazuje na to, że grawitacja ma (zasadniczo) inny charakter niż pozostałe trzy fundamentalne oddziaływania: elektromagnetyczne, słabe oraz silne (jądrowe), które to z olbrzymim sukcesem są opisywane przez Teorię Standardową (TS), ciągle zwaną Modelem Standardowym.

Po odkryciu bozonu Higgsa ostatni element tej teorii został potwierdzony doświadczalnie, a w dodatku zmierzona masa tegoż bozonu, około 125 GeV/c², powoduje, iż z formalnego, matematycznego punktu widzenia teoria jest „stabilna” i daje „sensowne” przewidywania, począwszy od fizyki atomowej i energii cząstek rzędu 1 eV (oraz dużo, dużo mniejszych, gdzie dobrego opisu dostarcza fizyka klasyczna), aż do gigantycznych energii, rzędu tzw. energii Plancka, czyli do około 10ˆ19 GeV, lub inaczej 10ˆ28 eV.

Innymi słowy, można uznać, że „natura mikroświata” jest w pełni opisana, czyli TS jest „kompletną” teorią cząstek elementarnych (oczywiście, zaniedbującą grawitację). Jedynym zazwyczaj podnoszonym argumentem "formalno-estetycznym" jest problem tzw. (nie)naturalności, znany też pod nazwami – problemu hierarchii, ew. jako problem fine tuning’u („precyzyjnej regulacji”).

Niedawno ukazała się publikacja pt. Naturalness, the autonomy of scales, and the 125 GeV Higgs, która świetnie to tłumaczy:

Here I present a positive argument that this is indeed the appropriate way to understand the naturalness criterion: we should understand naturalness as the requirement that theories should be able to describe physics at low energies in ways that do not invoke a sensitive dependence on those theories’ descriptions of physics at much higher energies.”

W przypadku TS, która jest kwantową teorią pola, gdzie oddziaływania są "generowane" przez zasadę cechowania (gauge principle), taka naturalność jest gwarantowana, za wyjątkiem pola skalarnego bozonu Higgsa – mówi o tym ogólne twierdzenie o rozprzęganiu (Decoupling Theorem):

„Appelquist and Carazzone prove that if one starts with a perturbatively renormalizable theory – the “full theory” – containing a set of fields all of which are much heavier than the remaining fields, the correlation functions describing physics occurring at energies much lower than the mass of the heavy fields can be obtained from an effective theory which contains only the light fields. The only remnant of the heavy fields is that the couplings of the light fields in the effective theory may be different than the couplings of the light fields in the full theory. Furthermore, for quantum field theories containing only fermions or gauge bosons, no relevant operators appear and the contribution of the heavy fields to the light field couplings is merely logarithmic, a small correction to the original light field couplings. Virtually all quantum field theories employed in elementary particle physics are of this form; until the recent discovery of the Higgs particle, no elementary particle described by a scalar field had been discovered in our world. This is of central importance for naturalness since the presence of an elementary scalar field in a theory introduces a relevant operator whose coupling, representing the mass of the scalar field, receives very large corrections from high-energy physics. Setting aside for the moment the conceptual complication introduced by relevant operators, the essence of the Decoupling Theorem is that low-energy physics can be accurately described by a theory including only low-energy degrees of freedom. Past experience with physical theories leads one to expect that low-energy physics like billiard ball trajectories will not depend sensitively on the behavior of high-energy atomic physics; in QFT this observed fact that physical processes at widely separated physical scales are largely independent of one another becomes a theorem.”

__

Co robić w tej sytuacji? Jedyną znaną mi eksperymentalną podpowiedzią są te zagadkowe „koincydencje numeryczne", czyli owe dwie gry w trzy liczby...

PS. Wszystkie parametry w TS, poza jednym, są bezwymiarowe, tzn. są to po prostu "gołe" liczby, bez jednostek. Tym wyjątkiem jest tzw. próżniowa wartość oczekiwana pola Higgsa = 246,22 GeV, nadająca skalę wszystkim masom cząstek elementarnych (dlatego ów kwark top o masie ponad 172 GeV/c² jest "bardzo naturalny", a taki elektron zupełnie nie...).

__

**) Cząstki elementarne: http://boson.szkolanawigatorow.pl/czastki-elementarne-i-proznia



tagi: fizyka 

boson
12 stycznia 2019 11:31
29     883    9 zaloguj sie by polubić
komentarze:

boson @boson
12 stycznia 2019 12:54

za Koide: Q = 2/3 z dokładnością 0.001% !!!

zaloguj się by móc komentować

qwerty @boson
12 stycznia 2019 14:31

sięgając do znanego "...życie jest formą istnienia białka..." to wszystko jest formą istnienia 'falowego' jako kresu poznania

zaloguj się by móc komentować

boson @qwerty 12 stycznia 2019 14:31
12 stycznia 2019 14:38

Osieckiej bym do tego nie mieszał, a jeśli chodzi o życie, to polecam:

http://boson.szkolanawigatorow.pl/darwinowski-cep-czyli-ewolucja

 

zaloguj się by móc komentować

qwerty @boson 12 stycznia 2019 14:38
12 stycznia 2019 14:52

miałem w tle zmianę postrzegania np. ładunkow elementarnych;- nie dyskretny, punktowy lecz fala, co nasze 'posiadanie' edukacyjne wyniesione ze szkół czyni z lekka przestarzałym, 

zaloguj się by móc komentować


Maryla-Sztajer @boson
12 stycznia 2019 15:12

Plus za klarowność. 

.

 

zaloguj się by móc komentować

Grzeralts @Maryla-Sztajer 12 stycznia 2019 15:12
12 stycznia 2019 17:28

Aczkolwiek temat jest taki, że przeciętnego Janusza głowa rozboli :) Ja niby mam wyższe, a nawet ponadwyższe wykształcenie, ale czytając ten tekst musiałem się solidnie wytężać, żeby wątku nie zgubić. Jakby jeszcze Boson zrobił to w nowoczesnym stylu mieszania miejsc i czasu akcji, zapomniałbym oddychać ;) 

zaloguj się by móc komentować

Maryla-Sztajer @Grzeralts 12 stycznia 2019 17:28
12 stycznia 2019 17:47

Z powodu że dawno temu studiowałam fizykę, różni ambitni humaniści wymuszali na mnie rozmowy na temat modelu standardowego. Nie znam się. Wrzucanie przez nich w rozmowie grawitacji, by udowodnić że oni tyle wiedzą. ..Mówiłam uczciwie żeby się skupili na tym co już wiemy, będzie łatwiej. ...itd...Zgroza! 

 

A teraz to ja sobie siadłam i ktoś /pan profesor mi klarownie opowiedział. 

Jaka ulga gdy tak się zamieniłam miejscami. Chętnie siądę w szkolnej ławce :)

.

 

zaloguj się by móc komentować

qwerty @Grzeralts 12 stycznia 2019 17:28
12 stycznia 2019 17:58

Dlatego teksty te czyta się z frajdą bo pokazują jak malutko wiemy o Nauce i świecie jako czytelnicy tego i owego

zaloguj się by móc komentować

MarekBielany @boson
12 stycznia 2019 20:13

To mi przypomniało, jak na początku lat 80-tych układaliśmy piłeczki ping-pongowe w "struktury krystalograficzne". Z kursu podstawowego dowiedzieliśmy się, że nie można wykonać fotografi atomu, ale pocieszano fotografią, która była śladem jonów wolframu odpalonych z ostrza wykonanego z (W) monokryształu.

Prawie ćwierć wieku później pokazano mi zdjęcie - na pierwszy rzut oka przypominało fotografię naszych zabaw z piłeczkami wykonaną aparatem "DRUH" - ale okoliczności to wykluczały. Spytałem: czy to zdjęcia atomów ? Tak. Wykonane TEM. To też dodatkowo mnie zaskoczyło, bo po "Tak" pomyślałem, że scaning.

zaloguj się by móc komentować

DYNAQ @MarekBielany 12 stycznia 2019 20:13
12 stycznia 2019 20:34

Tungstenu,tungstenu.Nie popierajmy złodziei.

zaloguj się by móc komentować



boson @boson
12 stycznia 2019 22:20

PS. Wszystkie parametry w TS, poza jednym, są bezwymiarowe, tzn. są to po prostu "gołe" liczby, bez jednostek. Tym wyjątkiem jest tzw. próżniowa wartość oczekiwana pola Higgsa = 246,22 GeV, nadająca skalę wszystkim masom cząstek elementarnych (dlatego kwark top o masie ponad 172 GeV/c² jest "bardzo naturalny", a elektron zupełnie nie...).

zaloguj się by móc komentować

boson @boson
12 stycznia 2019 22:39

ot.

nie odmówię sobie:

 

zaloguj się by móc komentować

DYNAQ @boson 12 stycznia 2019 22:20
12 stycznia 2019 23:22

W ogółe takie rzeczy jak Mh= √ (Mt * Mz) , równanie Koide, rozkład miejsc zerowych dzety Riemanna i jego zbieżność z rozkładem poziomów energii w cięzkich jądrach i in. tak jakby z uśmiechem mówiły:'' Wiesz,istnieje porządek wyższego rzędu...zgadnij jaki?''

zaloguj się by móc komentować

Matejek @boson
12 stycznia 2019 23:38

tak luźno,
skojarzenie/przypomnienie
π https://www.cda.pl/video/108970cf

zaloguj się by móc komentować


stanislaw-orda @Maryla-Sztajer 12 stycznia 2019 15:12
13 stycznia 2019 00:00

O właśnie, ja też to chciałem podkreślić.

I zaraz dałem plusa.

zaloguj się by móc komentować

DYNAQ @boson 12 stycznia 2019 23:48
13 stycznia 2019 08:53

Spirala Ulama...

zaloguj się by móc komentować


DYNAQ @boson 13 stycznia 2019 11:08
13 stycznia 2019 11:27

Nieskończenie wiele przypadków...

Zaprzężone do roboty komputery znalazły do tej pory tryliony liczb pierwszych.

zaloguj się by móc komentować

DYNAQ @DYNAQ 13 stycznia 2019 11:27
13 stycznia 2019 11:35

...i nietrywialnych miejsc zerowych dzety Riemanna ,wszystkie na linii1/2.

zaloguj się by móc komentować

zaloguj się by móc komentować