W prostych słowach, bozon Higgsa jest najdroższą cząstką wszechczasów. Jeśli, na przykład, do odkrycia elektronu wystarczyła lampa próżniowa i kilka błyskotliwych umysłów, poszukiwanie bozonu Higgsa wymagało wytworzenia energii eksperymentalnej, która na Ziemi jest rzadko spotykana. Wielkiego Zderzacza Hadronów nie trzeba przedstawiać, jako że jest to jeden z najbardziej znanych i udanych eksperymentów naukowych, ale jego cząstka profilowa, jak poprzednio, jest owiana tajemnicą dla większości populacji. Został nazwany cząsteczką Boga, jednak dzięki wysiłkom dosłownie tysięcy naukowców nie musimy już dłużej akceptować jego istnienia na wiarę.
Ostatnia niewiadoma
Czym jest bozon Higgsa i jakie znaczenie ma jego odkrycie? Dlaczego stał się przedmiotem tak wielkiego szumu, finansowania i dezinformacji? Z dwóch powodów. Po pierwsze, była to ostatnia nieodkryta cząstka potrzebna do potwierdzenia Modelu Standardowego fizyki. Jej odkrycie oznaczało, że całe pokolenie publikacji naukowych nie poszło na marne. Po drugie, ten bozon nadaje innym cząstkom ich masę, co nadaje mu szczególnego znaczenia i pewnej „magii”. Mamy tendencję do myśleniamasa jako nieodłączna właściwość rzeczy, ale fizycy myślą inaczej. Mówiąc prościej, bozon Higgsa to cząstka, bez której masa w zasadzie nie istnieje.
Jeszcze jedno pole
Przyczyna leży w tak zwanym polu Higgsa. Została ona opisana jeszcze przed bozonem Higgsa, ponieważ fizycy obliczyli ją na potrzeby własnych teorii i obserwacji, co wymagało obecności nowego pola, którego działanie rozciągnęłoby się na cały Wszechświat. Wzmacnianie hipotez poprzez wynajdywanie nowych składników wszechświata jest niebezpieczne. Na przykład w przeszłości doprowadziło to do powstania teorii eteru. Ale im więcej wykonywano obliczeń matematycznych, tym bardziej fizycy rozumieli, że pole Higgsa musi istnieć w rzeczywistości. Jedynym problemem był brak praktycznych sposobów jego obserwacji.
W Modelu Standardowym fizyki cząstki elementarne zyskują masę dzięki mechanizmowi opartemu na istnieniu pola Higgsa, które przenika całą przestrzeń. Tworzy bozony Higgsa, które wymagają dużej ilości energii i to jest główny powód, dla którego naukowcy potrzebują nowoczesnych akceleratorów cząstek do przeprowadzania eksperymentów wysokoenergetycznych.
Skąd się bierze masa?
Siła słabych oddziaływań jądrowych gwałtownie spada wraz ze wzrostem odległości. Zgodnie z kwantową teorią pola oznacza to, że cząstki biorące udział w jego tworzeniu – bozony W i Z – muszą mieć masę, w przeciwieństwie do gluonów i fotonów, które nie mają masy.
Problem polega na tym, że teorie cechowania dotyczą tylko pierwiastków bezmasowych. Jeśli bozony cechowania mają masę, to takiej hipotezy nie da się rozsądnie zdefiniować. Mechanizm Higgsa pozwala uniknąć tego problemu, wprowadzając nowe pole zwane polem Higgsa. Przy wysokich energiach bozony cechowania nie mają masy, a hipoteza działa zgodnie z oczekiwaniami. Przy niskich energiach pole powoduje załamanie symetrii, co pozwala elementom na uzyskanie masy.
Co to jest bozon Higgsa?
Pole Higgsa wytwarza cząstki zwane bozonami Higgsa. Ich masa nie jest określona teoretycznie, ale w wyniku eksperymentu ustalono, że wynosi ona 125 GeV. Mówiąc prościej, bozon Higgsa definitywnie potwierdził istnienie Modelu Standardowego.
Mechanizm, pole i bozon noszą imię szkockiego naukowca Petera Higgsa. Chociaż nie był pierwszym, który zaproponował te koncepcje, ale, jak to często bywa w fizyce, po prostu przypadkiem był tym, od którego zostały nazwane.
Złamana symetria
Uważano, że pole Higgsa jest odpowiedzialne za fakt, że cząstki, które nie powinny mieć masy, miały. To uniwersalne medium, które nadaje bezmasowym cząsteczkom różne masy. Takie naruszenie symetrii tłumaczy się analogią do światła - wszystkie długości fal poruszają się w próżni z tą samą prędkością, podczas gdy w pryzmacie można wyróżnić każdą długość fali. Jest to oczywiście błędna analogia, ponieważ białe światło zawiera wszystkie długości fal, ale przykład pokazuje, jak to zrobićwydaje się, że tworzenie masy przez pole Higgsa wynika z łamania symetrii. Pryzmat łamie symetrię prędkości różnych długości fal światła, oddzielając je, a pole Higgsa uważa się za łamanie symetrii mas niektórych cząstek, które w innym przypadku są symetrycznie bezmasowe.
Jak wyjaśnić bozon Higgsa w prosty sposób? Dopiero niedawno fizycy zdali sobie sprawę, że jeśli pole Higgsa rzeczywiście istnieje, to jego działanie będzie wymagało obecności odpowiedniego nośnika o właściwościach, dzięki którym można je obserwować. Przyjęto, że ta cząstka należała do bozonów. W uproszczeniu bozon Higgsa jest tak zwaną siłą nośną, taką samą jak fotony, które są nośnikami pola elektromagnetycznego Wszechświata. Fotony są w pewnym sensie jego lokalnymi wzbudzeniami, tak jak bozon Higgsa jest lokalnym wzbudzeniem jego pola. Udowodnienie istnienia cząstki o właściwościach oczekiwanych przez fizyków było w rzeczywistości równoznaczne z bezpośrednim udowodnieniem istnienia pola.
Eksperyment
Wiele lat planowania pozwoliło Wielkiemu Zderzaczowi Hadronów (LHC) stać się świadectwem potencjalnego obalenia teorii bozonów Higgsa. 27-kilometrowy pierścień superpotężnych elektromagnesów może przyspieszać naładowane cząstki do znacznych ułamków prędkości światła, powodując zderzenia wystarczająco silne, aby rozdzielić je na składniki, a także deformować przestrzeń wokół punktu uderzenia. Według obliczeń, przy odpowiednio wysokiej energii zderzenia, możliwe jest naładowanie bozonu tak, aby się rozpadał, a to może byćbędę oglądać. Ta energia była tak wielka, że niektórzy nawet wpadli w panikę i przewidzieli koniec świata, a fantazja innych posunęła się tak daleko, że odkrycie bozonu Higgsa zostało opisane jako okazja do spojrzenia w alternatywny wymiar.
Ostateczne potwierdzenie
Wstępne obserwacje wydawały się faktycznie obalać przewidywania i nie można było znaleźć śladu cząstki. Niektórzy badacze zaangażowani w kampanię wydawania miliardów dolarów pojawili się nawet w telewizji i potulnie stwierdzili, że obalenie teorii naukowej jest tak samo ważne, jak jej potwierdzenie. Po pewnym czasie jednak pomiary zaczęły układać się w całość i 14 marca 2013 roku CERN oficjalnie ogłosił potwierdzenie istnienia cząstki. Istnieją dowody sugerujące istnienie wielu bozonów, ale ten pomysł wymaga dalszych badań.
Dwa lata po ogłoszeniu przez CERN odkrycia cząstki, naukowcy pracujący w Wielkim Zderzaczu Hadronów byli w stanie to potwierdzić. Z jednej strony było to ogromne zwycięstwo nauki, z drugiej wielu naukowców było rozczarowanych. Jeśli ktokolwiek miał nadzieję, że bozon Higgsa będzie cząstką, która doprowadzi do dziwnych i cudownych obszarów poza Modelem Standardowym - supersymetrii, ciemnej materii, ciemnej energii - to niestety okazało się, że tak nie jest.
Badanie opublikowane w Nature Physics potwierdziło rozpad na fermiony. Model Standardowy przewiduje, że w uproszczeniu bozonHiggs to cząsteczka, która nadaje fermionom ich masę. Detektor zderzacza CMS w końcu potwierdził ich rozpad na fermiony - kwarki dolne i leptony tau.
Bozon Higgsa w prostych słowach: co to jest?
Te badania w końcu potwierdziły, że jest to bozon Higgsa przewidywany przez Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych. Znajduje się w obszarze masowo-energetycznym 125 GeV, nie ma spinu i może rozpadać się na wiele lżejszych pierwiastków - pary fotonów, fermionów itp. Dzięki temu możemy śmiało powiedzieć, że bozon Higgsa w prostych słowach jest cząstką dającą masę wszystkiemu.
Rozczarowany domyślnym zachowaniem nowo otwartego elementu. Gdyby jego rozpad był choć trochę inny, byłby inaczej związany z fermionami i pojawiłyby się nowe kierunki badań. Z drugiej strony oznacza to, że nie przeszliśmy ani kroku poza Model Standardowy, który nie uwzględnia grawitacji, ciemnej energii, ciemnej materii i innych dziwacznych zjawisk rzeczywistości.
Teraz można tylko zgadywać, co je spowodowało. Najpopularniejszą teorią jest supersymetria, która mówi, że każda cząstka w Modelu Standardowym ma niewiarygodnie ciężkiego superpartnera (stanowi więc 23% wszechświata – ciemną materię). Ulepszenie zderzacza, podwojenie jego energii zderzenia do 13 TeV, prawdopodobnie umożliwi wykrycie tych supercząstek. W przeciwnym razie supersymetria będzie musiała poczekać na budowę mocniejszego następcy LHC.
Dalsze perspektywy
Więc jaka będzie fizyka po bozonie Higgsa? LHC niedawno wznowił pracę ze znaczną poprawą i jest w stanie zobaczyć wszystko, od antymaterii po ciemną energię. Uważa się, że ciemna materia oddziałuje ze zwykłą materią wyłącznie poprzez grawitację i tworzenie masy, a znaczenie bozonu Higgsa jest kluczem do dokładnego zrozumienia, jak to się dzieje. Główną wadą Modelu Standardowego jest to, że nie potrafi on wyjaśnić skutków grawitacji – taki model można by nazwać Teorią Wielkiej Zunifikowanej – a niektórzy uważają, że cząstka i pole Higgsa mogą być mostem, który fizycy tak desperacko szukają.
Istnienie bozonu Higgsa zostało potwierdzone, ale jego pełne zrozumienie jest wciąż bardzo odległe. Czy przyszłe eksperymenty obalą supersymetrię i samą ideę jej rozkładu na ciemną materię? A może potwierdzą każdy szczegół przewidywań Modelu Standardowego na temat właściwości bozonu Higgsa i na zawsze zakończą ten obszar badań?
