Yksinkertaisesti sanottuna Higgsin bosoni on kaikkien aikojen kallein hiukkanen. Jos esimerkiksi tyhjiöputki ja pari nerokasta mieltä riittivät elektronin löytämiseen, Higgsin bosonin etsiminen vaati kokeellisen energian luomista, jota maapallolta harvoin löytyy. Suuri hadronitörmätin ei kaipaa esittelyä, sillä se on yksi kuuluisimmista ja menestyneimmistä tieteellisistä kokeista, mutta sen profiilihiukkanen, kuten ennenkin, on suurimmalle osalle väestöstä mysteerin peitossa. Sitä on kutsuttu jumalahiukkaseksi, mutta kirjaimellisesti tuhansien tiedemiesten ponnistelujen ansiosta meidän ei enää tarvitse hyväksyä sen olemassaoloa uskossa.
Viimeinen tuntematon
Mikä on Higgsin bosoni ja mikä on sen löytämisen merkitys? Miksi siitä on tullut niin paljon hypeä, rahoitusta ja väärää tietoa? kahdesta syystä. Ensinnäkin se oli viimeinen löytämätön hiukkanen, joka tarvittiin fysiikan vakiomallin vahvistamiseen. Hänen löytönsä tarkoitti, että koko sukupolvi tieteellisiä julkaisuja ei ollut ollut turha. Toiseksi, tämä bosoni antaa muille hiukkasille niiden massan, mikä antaa sille erityisen merkityksen ja jonkin verran "taikuutta". Meillä on tapana ajatellamassa asioiden luontaisena ominaisuutena, mutta fyysikot ajattelevat toisin. Yksinkertaisesti sanottuna Higgsin bosoni on hiukkanen, jota ilman massaa ei periaatteessa ole olemassa.
Yksi kenttä lisää
Syy on niin kutsutussa Higgsin kentässä. Se kuvattiin jo ennen Higgsin bosonia, koska fyysikot laskivat sen omien teorioidensa ja havaintojensa tarpeisiin, mikä vaati uuden kentän läsnäolon, jonka toiminta ulottuisi koko maailmankaikkeuteen. Hypoteesien vahvistaminen keksimällä uusia universumin komponentteja on vaarallista. Aiemmin tämä johti esimerkiksi eetteriteorian luomiseen. Mutta mitä enemmän matemaattisia laskelmia tehtiin, sitä enemmän fyysikot ymmärsivät, että Higgsin kentän täytyy olla olemassa todellisuudessa. Ainoa ongelma oli käytännön keinojen puute tarkkailla häntä.
Fysiikan vakiomallissa alkuainehiukkaset saavat massaa mekanismin kautta, joka perustuu Higgsin kentän olemassaoloon, joka läpäisee koko avaruuden. Se luo Higgs-bosoneja, jotka vaativat paljon energiaa, ja tämä on tärkein syy siihen, miksi tiedemiehet tarvitsevat nykyaikaisia hiukkaskiihdyttimiä korkean energian kokeiden suorittamiseen.
Mistä massa tulee?
Heikkojen ydinvuorovaikutusten voimakkuus vähenee nopeasti etäisyyden kasvaessa. Kvanttikenttäteorian mukaan tämä tarkoittaa, että sen muodostumiseen osallistuvilla hiukkasilla - W- ja Z-bosonilla - on oltava massa, toisin kuin gluoneilla ja fotoneilla, joilla ei ole massaa.
Ongelma on, että mittariteoriat käsittelevät vain massattomia elementtejä. Jos mittabosoneilla on massa, tällaista hypoteesia ei voida järkevästi määritellä. Higgsin mekanismi välttää tämän ongelman ottamalla käyttöön uuden kentän nimeltä Higgs-kenttä. Suurilla energioilla mittaribosoneilla ei ole massaa, ja hypoteesi toimii odotetusti. Pienillä energioilla kenttä aiheuttaa symmetrian rikkoutumisen, joka mahdollistaa elementtien massan.
Mikä on Higgsin bosoni?
Higgsin kenttä tuottaa hiukkasia, joita kutsutaan Higgsin bosoneiksi. Niiden massaa ei ole määritelty teoriassa, mutta kokeen tuloksena todettiin, että se on yhtä suuri kuin 125 GeV. Yksinkertaisesti sanottuna Higgsin bosoni on lopullisesti vahvistanut vakiomallin olemassaolollaan.
Mekanismi, kenttä ja bosonit kantavat skotlantilaisen tiedemiehen Peter Higgsin nimeä. Vaikka hän ei ollut ensimmäinen, joka ehdotti näitä käsitteitä, mutta kuten fysiikassa usein tapahtuu, hän yksinkertaisesti sattui olemaan se, jonka mukaan ne nimettiin.
Symmetria katkennut
Higgsin kentän uskottiin olevan vastuussa siitä, että hiukkaset, joilla ei pitäisi olla massaa, tekivät sen. Tämä on universaali väliaine, joka antaa massattomille hiukkasille erilaisia massoja. Tällainen symmetrian rikkominen selittyy analogisesti valon kanssa - kaikki aallonpituudet liikkuvat tyhjiössä samalla nopeudella, kun taas prismassa jokainen aallonpituus voidaan erottaa. Tämä on tietysti väärä analogia, koska valkoinen valo sisältää kaikki aallonpituudet, mutta esimerkki osoittaa kuinkaHiggsin kentän aiheuttama massan luominen näyttää johtuvan symmetrian rikkoutumisesta. Prisma rikkoo eri valon aallonpituuksien nopeuden symmetrian erottamalla ne, ja Higgsin kentän uskotaan rikkovan joidenkin hiukkasten massojen symmetriaa, jotka muuten ovat symmetrisesti massattomia.
Kuinka selittää Higgsin bosonin yksinkertaisesti? Vasta äskettäin fyysikot ovat ymmärtäneet, että jos Higgsin kenttä todella on olemassa, sen toiminta edellyttää sopivan kantoaineen läsnäoloa, jolla on ominaisuuksia, joiden ansiosta se voidaan havaita. Tämän hiukkasen oletettiin kuuluvan bosoneihin. Yksinkertaisesti sanottuna Higgsin bosoni on niin kutsuttu kantajavoima, sama kuin fotonit, jotka ovat maailmankaikkeuden sähkömagneettisen kentän kantajia. Fotonit ovat tietyssä mielessä sen paikallisia viritteitä, aivan kuten Higgsin bosoni on kenttänsä paikallinen viritys. Sellaisen hiukkasen olemassaolon todistaminen, jolla on fyysikkojen odottamat ominaisuudet, merkitsi itse asiassa kentän olemassaolon suoraa osoittamista.
Kokeilu
Monien vuosien suunnittelun ansiosta Large Hadron Collider (LHC) on tullut todisteeksi mahdollisesta kiistämisestä Higgsin bosoniteorialle. 27 kilometriä pitkä supervoimakkaiden sähkömagneettien rengas voi kiihdyttää varautuneita hiukkasia valonnopeuden merkittäviin murto-osaan, mikä aiheuttaa törmäyksiä, jotka ovat riittävän voimakkaita erottamaan ne osiinsa, sekä muuttaa tilaa törmäyskohdan ympärillä. Laskelmien mukaan riittävän korkealla törmäysenergialla on mahdollista varata bosoni siten, että se hajoaa, ja tämä voi ollatulee katsomaan. Tämä energia oli niin suuri, että jotkut jopa panikoivat ja ennustivat maailmanloppua, ja toisten fantasia meni niin pitkälle, että Higgsin bosonin löytöä kuvailtiin mahdollisuutena tarkastella vaihtoehtoista ulottuvuutta.
Lopullinen vahvistus
Alkuperäiset havainnot näyttivät itse asiassa kumoavan ennusteet, eikä hiukkasesta löytynyt merkkejä. Jotkut miljardien dollarien kampanjaan osallistuneet tutkijat esiintyivät jopa televisiossa ja totesivat nöyrästi, että tieteellisen teorian kumoaminen on yhtä tärkeää kuin sen vahvistaminen. Jonkin ajan kuluttua mittaukset alkoivat kuitenkin lisätä kokonaisuutta, ja 14. maaliskuuta 2013 CERN ilmoitti virallisesti hiukkasen olemassaolon vahvistamisesta. On näyttöä useiden bosonien olemassaolosta, mutta tämä ajatus vaatii lisätutkimusta.
Kaksi vuotta sen jälkeen, kun CERN ilmoitti hiukkasen löytämisestä, suuressa hadronitörmäyttimessä työskentelevät tutkijat pystyivät vahvistamaan sen. Toisa alta tämä oli v altava voitto tieteelle, ja toisa alta monet tiedemiehet olivat pettyneitä. Jos joku olisi toivonut, että Higgsin bosoni olisi se hiukkanen, joka johtaisi omituisille ja ihmeellisille alueille vakiomallin ulkopuolelle - supersymmetriaan, pimeään aineeseen, pimeään energiaan - niin valitettavasti näin ei käynyt.
Nature Physicsissä julkaistu tutkimus on vahvistanut hajoamisen fermioneiksi. Standardimalli ennustaa, että yksinkertaisesti sanottuna bosoniHiggs on hiukkanen, joka antaa fermioneille niiden massan. CMS-törmäimen ilmaisin vahvisti lopulta niiden hajoamisen fermioneiksi - alaskvarkeiksi ja tau-leptoneiksi.
Higgs-bosoni yksinkertaisesti: mikä se on?
Tämä tutkimus on vihdoin vahvistanut, että tämä on hiukkasfysiikan vakiomallin ennustama Higgsin bosoni. Se sijaitsee 125 GeV:n massaenergia-alueella, sillä ei ole spiniä ja se voi hajota moniksi kevyemmiksi alkuaineiksi - fotoneipareiksi, fermioneiksi jne. Tämän ansiosta voimme luottavaisesti sanoa, että Higgsin bosoni yksinkertaisesti sanottuna on hiukkanen, joka antaa massan kaikelle.
Pettynyt juuri avatun elementin oletuskäyttäytymiseen. Jos sen hajoaminen olisi edes hieman erilaista, se liittyisi fermioneihin eri tavalla ja uusia tutkimusmahdollisuuksia avautuisi. Toisa alta tämä tarkoittaa, että emme ole edenneet yhtään askelta pidemmälle Standardimallista, joka ei ota huomioon painovoimaa, pimeää energiaa, pimeää ainetta ja muita outoja todellisuuden ilmiöitä.
Nyt voidaan vain arvailla, mikä ne aiheutti. Suosituin teoria on supersymmetria, jonka mukaan jokaisella vakiomallin hiukkasella on uskomattoman raskas superkumppani (joka muodostaa 23 % maailmankaikkeudesta - pimeää ainetta). Törmäimen päivittäminen ja sen törmäysenergian kaksinkertaistaminen 13 TeV:iin mahdollistaa näiden superhiukkasten havaitsemisen. Muuten supersymmetrian on odotettava tehokkaamman seuraajan rakentamista LHC:lle.
Lisänäkymät
Millaista fysiikasta tulee Higgsin bosonin jälkeen? LHC on hiljattain jatkanut työtään merkittävillä parannuksilla ja pystyy näkemään kaiken antimateriasta pimeään energiaan. Uskotaan, että pimeä aine on vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa pelkästään painovoiman ja massan luomisen kautta, ja Higgsin bosonin merkitys on avain ymmärtämään, miten tämä tapahtuu. Standardimallin suurin haittapuoli on, että se ei pysty selittämään painovoiman vaikutuksia - tällaista mallia voitaisiin kutsua Grand Unified Theory -teoriaksi - ja jotkut uskovat, että hiukkanen ja Higgsin kenttä voisivat olla silta, jonka fyysikot ovat niin epätoivoisesti löytämässä.
Higgsin bosonin olemassaolo on vahvistettu, mutta sen täydellinen ymmärtäminen on vielä hyvin kaukana. Kumoavatko tulevat kokeet supersymmetrian ja ajatuksen sen hajoamisesta itse pimeäksi aineeksi? Vai vahvistavatko ne standardimallin Higgsin bosonin ominaisuuksia koskevien ennusteiden viimeiset yksityiskohdat ja lopettavatko tämä tutkimusalueen lopullisesti?
