Preprosto povedano, Higgsov bozon je najdražji delec vseh časov. Če sta bila na primer vakuumska cev in nekaj briljantnih umov dovolj za odkrivanje elektrona, je iskanje Higgsovega bozona zahtevalo ustvarjanje eksperimentalne energije, ki jo na Zemlji redko najdemo. Veliki hadronski trkalnik ne potrebuje predstavitve, saj je eden najbolj znanih in uspešnih znanstvenih eksperimentov, vendar je njegov profilni delec, tako kot prej, za večino prebivalstva zavit v skrivnost. Imenovali so ga božji delec, vendar nam zahvaljujoč prizadevanjem dobesedno tisoč znanstvenikov ni več treba sprejeti njegovega obstoja z vero.
Zadnje neznano
Kaj je Higgsov bozon in kakšen je pomen njegovega odkritja? Zakaj je postal predmet tolikšnega pompa, financiranja in napačnih informacij? Iz dveh razlogov. Prvič, to je bil zadnji neodkriti delec, potreben za potrditev standardnega modela fizike. Njeno odkritje je pomenilo, da cela generacija znanstvenih publikacij ni bila zaman. Drugič, ta bozon daje drugim delcem njihovo maso, kar mu daje poseben pomen in nekaj "čarobnosti". Ponavadi razmišljamo omasa kot intrinzična lastnost stvari, a fiziki menijo drugače. Preprosto povedano, Higgsov bozon je delec, brez katerega masa načeloma ne obstaja.
Še eno polje
Razlog je v tako imenovanem Higgsovem polju. Opisan je bil že pred Higgsovim bozonom, ker so ga fiziki izračunali za potrebe lastnih teorij in opazovanj, ki so zahtevala prisotnost novega polja, katerega delovanje bi segalo na celotno Vesolje. Potrjevanje hipotez z izumljanjem novih komponent vesolja je nevarno. V preteklosti je na primer to vodilo do nastanka teorije etra. Toda več matematičnih izračunov je bilo narejenih, bolj so fiziki razumeli, da mora Higgsovo polje obstajati v resnici. Edina težava je bilo pomanjkanje praktičnih sredstev za njegovo opazovanje.
V standardnem modelu fizike elementarni delci pridobivajo maso z mehanizmom, ki temelji na obstoju Higgsovega polja, ki prežema ves prostor. Ustvarja Higgsove bozone, ki zahtevajo veliko energije, in to je glavni razlog, zakaj znanstveniki potrebujejo sodobne pospeševalnike delcev za izvajanje visokoenergetskih eksperimentov.
Od kod prihaja masa?
Moč šibkih jedrskih interakcij se hitro zmanjšuje z naraščajočo razdaljo. Po kvantni teoriji polja to pomeni, da morajo delci, ki sodelujejo pri njegovem nastanku - W- in Z-bozoni - imeti maso, za razliko od gluonov in fotonov, ki nimajo mase.
Težava je v tem, da teorije merilnikov obravnavajo samo elemente brez mase. Če imajo merilni bozoni maso, potem takšne hipoteze ni mogoče razumno opredeliti. Higgsov mehanizem se tej težavi izogne z uvedbo novega polja, imenovanega Higgsovo polje. Pri visokih energijah merilni bozoni nimajo mase in hipoteza deluje po pričakovanjih. Pri nizkih energijah polje povzroči lomljenje simetrije, ki omogoča, da imajo elementi maso.
Kaj je Higgsov bozon?
Higgsovo polje proizvaja delce, imenovane Higgsovi bozoni. Njihova masa ni določena s teorijo, a kot rezultat poskusa je bilo ugotovljeno, da je enaka 125 GeV. Preprosto povedano, Higgsov bozon je s svojim obstojem dokončno potrdil standardni model.
Mehanizem, polje in bozon nosijo ime škotskega znanstvenika Petra Higgsa. Čeprav ni bil prvi, ki je predlagal te koncepte, ampak, kot se pogosto dogaja v fiziki, je bil preprosto tisti, po katerem so bili poimenovani.
zlomljena simetrija
Higgsovo polje naj bi bilo odgovorno za dejstvo, da imajo delci, ki ne bi smeli imeti mase. To je univerzalni medij, ki obdari brezmasne delce z različnimi masami. Takšno kršitev simetrije je razloženo po analogiji s svetlobo - vse valovne dolžine se gibljejo v vakuumu z enako hitrostjo, medtem ko je v prizmi mogoče razlikovati vsako valovno dolžino. To je seveda napačna analogija, saj bela svetloba vsebuje vse valovne dolžine, vendar primer kaže, kakoZdi se, da je ustvarjanje mase s Higgsovim poljem posledica kršenja simetrije. Prizma prekine simetrijo hitrosti različnih valovnih dolžin svetlobe tako, da jih loči, Higgsovo polje pa naj bi rušilo simetrijo mas nekaterih delcev, ki so sicer simetrično brez mase.
Kako preprosto razložiti Higgsov bozon? Šele pred kratkim so fiziki ugotovili, da če Higgsovo polje res obstaja, bo njegovo delovanje zahtevalo prisotnost ustreznega nosilca z lastnostmi, zaradi katerih ga je mogoče opazovati. Domnevali so, da ta delec pripada bozonom. Preprosto povedano, Higgsov bozon je tako imenovana nosilna sila, enako kot fotoni, ki so nosilci elektromagnetnega polja vesolja. Fotoni so v nekem smislu njegove lokalne ekscitacije, tako kot je Higgsov bozon lokalno vzbujanje svojega polja. Dokazovanje obstoja delca z lastnostmi, ki jih pričakujejo fiziki, je bilo pravzaprav enako neposrednemu dokazovanju obstoja polja.
Poskusi
Velikoletno načrtovanje je omogočilo, da je Veliki hadronski trkalnik (LHC) postal dokaz o morebitnem zavrnitvi teorije Higgsovega bozona. 27-kilometrski obroč super zmogljivih elektromagnetov lahko pospeši nabite delce do pomembnih delčkov svetlobne hitrosti, kar povzroči trke, ki so dovolj močni, da jih ločijo na njihove komponente, pa tudi deformira prostor okoli točke trka. Po izračunih je pri dovolj visoki energiji trka mogoče bozon napolniti tako, da razpade, in to je mogočebo gledal. Ta energija je bila tako velika, da so nekateri celo panično napovedovali konec sveta, domišljija drugih pa je šla tako daleč, da je bilo odkritje Higgsovega bozona opisano kot priložnost za pogled v alternativno dimenzijo.
končna potrditev
Zdelo se je, da so začetna opazovanja dejansko ovrgla napovedi in ni bilo mogoče najti nobenega znaka delca. Nekateri raziskovalci, ki so sodelovali v kampanji za porabo milijard dolarjev, so se celo pojavili na televiziji in krotko izjavili, da je zavrnitev znanstvene teorije prav tako pomembna kot potrditev. Čez nekaj časa pa so se meritve začele seštevati v veliko sliko in 14. marca 2013 je CERN uradno objavil potrditev obstoja delca. Obstajajo dokazi, ki kažejo na obstoj več bozonov, vendar je treba to idejo dodatno preučiti.
Dve leti po tem, ko je CERN objavil odkritje delca, so znanstveniki, ki delajo na velikem hadronskem trkalniku, to lahko potrdili. Po eni strani je bila to velika zmaga znanosti, po drugi strani pa so bili številni znanstveniki razočarani. Če je kdo upal, da bo Higgsov bozon delec, ki bo vodil v čudna in čudovita področja onkraj Standardnega modela – supersimetrija, temna snov, temna energija –, potem se je na žalost izkazalo, da temu ni tako.
Študija, objavljena v Nature Physics, je potrdila razpad v fermione. Standardni model predvideva, da je, preprosto povedano, bozonHiggs je delec, ki daje fermionom njihovo maso. Detektor trkalnika CMS je končno potrdil njihov razpad v fermione - down kvarke in tau leptone.
Higgsov bozon preprosto rečeno: kaj je to?
Ta študija je končno potrdila, da je to Higgsov bozon, ki ga predvideva standardni model fizike delcev. Nahaja se v masno-energijskem območju 125 GeV, nima vrtenja in lahko razpade na številne lažje elemente - pare fotonov, fermionov itd. Zahvaljujoč temu lahko samozavestno rečemo, da Higgsov bozon preprosto je delec, ki daje maso vsemu.
Razočarani nad privzetim obnašanjem na novo odprtega elementa. Če bi bil njen razpad celo nekoliko drugačen, bi bil drugače povezan s fermioni in pojavile bi se nove raziskovalne poti. Po drugi strani pa to pomeni, da nismo premaknili niti koraka dlje od standardnega modela, ki ne upošteva gravitacije, temne energije, temne snovi in drugih bizarnih pojavov realnosti.
Zdaj lahko le ugibamo, kaj jih je povzročilo. Najbolj priljubljena teorija je supersimetrija, ki pravi, da ima vsak delec v standardnem modelu neverjetno težkega superpartnerja (tako predstavlja 23 % vesolja – temno snov). Nadgradnja trkalnika, podvojitev njegove energije trka na 13 TeV, bo verjetno omogočila odkrivanje teh superdelcev. V nasprotnem primeru bo morala supersimetrija počakati na izgradnjo močnejšega naslednika LHC.
Nadaljnje možnosti
Torej, kakšna bo fizika po Higgsovem bozonu? LHC je pred kratkim nadaljeval svoje delo s pomembnimi izboljšavami in lahko vidi vse, od antimaterije do temne energije. Verjame se, da temna snov komunicira z običajno snovjo izključno z gravitacijo in ustvarjanjem mase, pomen Higgsovega bozona pa je ključnega pomena za razumevanje, kako se to zgodi. Glavna pomanjkljivost standardnega modela je, da ne more razložiti učinkov gravitacije – tak model bi lahko poimenovali Velika poenotena teorija – in nekateri verjamejo, da bi delec in Higgsovo polje lahko bila most, ki ga fiziki tako obupno želijo najti.
Obstoj Higgsovega bozona je potrjen, vendar je njegovo popolno razumevanje še zelo daleč. Ali bodo prihodnji poskusi ovrgli supersimetrijo in idejo o njeni razgradnji v samo temno snov? Ali pa bodo potrdili vse do zadnje podrobnosti napovedi standardnega modela o lastnostih Higgsovega bozona in za vedno končali to področje raziskav?
