În termeni simpli, bosonul Higgs este cea mai scumpă particulă din toate timpurile. Dacă, de exemplu, un tub cu vid și câteva minți strălucitoare au fost suficiente pentru a descoperi electronul, căutarea bosonului Higgs a necesitat crearea unei energii experimentale, care se găsește rar pe Pământ. Large Hadron Collider nu are nevoie de prezentare, fiind unul dintre cele mai faimoase și de succes experimente științifice, dar particula sa de profil, ca și până acum, este învăluită în mister pentru cea mai mare parte a populației. A fost numită o particulă de Dumnezeu, cu toate acestea, datorită eforturilor a mii de oameni de știință, nu mai trebuie să-i acceptăm existența pe baza credinței.
Ultima necunoscută
Ce este bosonul Higgs și care este importanța descoperirii lui? De ce a devenit subiectul atât de mult hype, finanțare și dezinformare? Din două motive. În primul rând, a fost ultima particulă nedescoperită necesară pentru a confirma modelul standard al fizicii. Descoperirea ei a însemnat că o întreagă generație de publicații științifice nu fusese în zadar. În al doilea rând, acest boson conferă altor particule masa lor, ceea ce îi conferă o semnificație specială și ceva „magie”. Avem tendința de a ne gândimasa ca proprietate intrinsecă a lucrurilor, dar fizicienii cred altfel. În termeni simpli, bosonul Higgs este o particulă fără de care masa nu există în principiu.
Încă un câmp
Motivul constă în așa-numitul câmp Higgs. A fost descrisă chiar înainte de bosonul Higgs, deoarece fizicienii l-au calculat pentru nevoile propriilor teorii și observații, care necesitau prezența unui nou câmp, a cărui acțiune s-ar extinde la întregul Univers. Întărirea ipotezelor prin inventarea de noi componente ale universului este periculoasă. În trecut, de exemplu, acest lucru a dus la crearea teoriei eterului. Dar cu cât s-au făcut mai multe calcule matematice, cu atât fizicienii au înțeles că câmpul Higgs trebuie să existe în realitate. Singura problemă a fost lipsa mijloacelor practice de a-l observa.
În modelul standard al fizicii, particulele elementare câștigă masă printr-un mecanism bazat pe existența câmpului Higgs care străbate tot spațiul. Creează bosoni Higgs, care necesită multă energie, iar acesta este principalul motiv pentru care oamenii de știință au nevoie de acceleratoare moderne de particule pentru a efectua experimente de în altă energie.
De unde vine masa?
Puterea interacțiunilor nucleare slabe scade rapid odată cu creșterea distanței. Conform teoriei cuantice a câmpului, aceasta înseamnă că particulele care sunt implicate în crearea sa - bosonii W și Z - trebuie să aibă masă, spre deosebire de gluoni și fotoni, care nu au masă.
Problema este că teoriile gauge se ocupă doar de elementele fără masă. Dacă bosonii gauge au masă, atunci o astfel de ipoteză nu poate fi definită în mod rezonabil. Mecanismul Higgs evită această problemă prin introducerea unui nou câmp numit câmpul Higgs. La energii mari, bosonii gauge nu au masă, iar ipoteza funcționează conform așteptărilor. La energii scăzute, câmpul provoacă o ruptură de simetrie care permite elementelor să aibă masă.
Ce este bosonul Higgs?
Câmpul Higgs produce particule numite bosoni Higgs. Masa lor nu este specificată de teorie, dar în urma experimentului s-a determinat că este egală cu 125 GeV. În termeni simpli, bosonul Higgs a confirmat definitiv modelul standard cu existența sa.
Mecanismul, câmpul și bosonul poartă numele savantului scoțian Peter Higgs. Deși nu a fost primul care a propus aceste concepte, dar, așa cum se întâmplă adesea în fizică, pur și simplu s-a întâmplat să fie cel după care au fost numite.
Simetrie întreruptă
Câmpul Higgs a fost considerat responsabil pentru faptul că particulele care nu ar trebui să aibă masă au făcut-o. Acesta este un mediu universal care conferă particule fără masă cu mase diferite. O astfel de încălcare a simetriei se explică prin analogie cu lumina - toate lungimile de undă se mișcă în vid cu aceeași viteză, în timp ce într-o prismă se poate distinge fiecare lungime de undă. Aceasta este, desigur, o analogie incorectă, deoarece lumina albă conține toate lungimile de undă, dar exemplul arată cumcrearea de masă de către câmpul Higgs pare să se datoreze ruperii simetriei. O prismă rupe simetria vitezei diferitelor lungimi de undă ale luminii prin separarea acestora, iar câmpul Higgs se crede că rupe simetria maselor unor particule care altfel sunt simetric fără masă.
Cum să explic bosonul Higgs în termeni simpli? Abia recent fizicienii și-au dat seama că, dacă câmpul Higgs există cu adevărat, funcționarea lui va necesita prezența unui purtător adecvat cu proprietăți datorită cărora poate fi observat. S-a presupus că această particulă aparținea bosonilor. În termeni simpli, bosonul Higgs este așa-numita forță purtătoare, la fel ca și fotonii, care sunt purtători ai câmpului electromagnetic al Universului. Fotonii, într-un fel, sunt excitațiile sale locale, la fel cum bosonul Higgs este o excitație locală a câmpului său. Demonstrarea existenței unei particule cu proprietățile așteptate de fizicieni a fost, de fapt, echivalent cu demonstrarea directă a existenței unui câmp.
Experiment
Mulți ani de planificare au permis ca Large Hadron Collider (LHC) să devină o dovadă a unei potențiale infirmări a teoriei bosonului Higgs. Un inel de 27 km de electromagneți super-puternici poate accelera particulele încărcate la fracțiuni semnificative din viteza luminii, provocând coliziuni suficient de puternice pentru a le separa în componentele lor, precum și deformarea spațiului în jurul punctului de impact. Conform calculelor, la o energie de coliziune de un nivel suficient de ridicat, este posibil să se încarce un boson astfel încât să se degradeze, iar acest lucru poate fio să mă uit. Această energie a fost atât de mare încât unii chiar au intrat în panică și au prezis sfârșitul lumii, iar fantezia altora a mers atât de departe încât descoperirea bosonului Higgs a fost descrisă ca o oportunitate de a cerceta o dimensiune alternativă.
Confirmare finală
Observațiile inițiale păreau să infirme de fapt predicțiile și nu a putut fi găsit niciun semn al particulei. Unii dintre cercetătorii implicați în campania de cheltuire a miliarde de dolari au apărut chiar la televizor și au afirmat cu blândețe faptul că infirmarea unei teorii științifice este la fel de importantă ca și confirmarea acesteia. După ceva timp însă, măsurătorile au început să se adauge la imaginea de ansamblu, iar pe 14 martie 2013, CERN a anunțat oficial confirmarea existenței particulei. Există dovezi care sugerează existența mai multor bosoni, dar această idee necesită un studiu suplimentar.
La doi ani după ce CERN a anunțat descoperirea particulei, oamenii de știință care lucrează la Large Hadron Collider au putut să o confirme. Pe de o parte, aceasta a fost o victorie uriașă pentru știință și, pe de altă parte, mulți oameni de știință au fost dezamăgiți. Dacă cineva ar fi sperat că bosonul Higgs va fi particula care va duce la regiuni ciudate și minunate dincolo de Modelul Standard - supersimetrie, materie întunecată, energie întunecată - atunci, din păcate, acest lucru s-a dovedit a nu fi cazul.
Un studiu publicat în Nature Physics a confirmat degradarea în fermioni. Modelul standard prezice că, în termeni simpli, bosonulHiggs este particula care conferă fermionilor masa lor. Detectorul colisionarului CMS a confirmat în cele din urmă dezintegrarea lor în fermioni - quarci down și leptoni tau.
Bosonul Higgs în termeni simpli: ce este?
Acest studiu a confirmat în sfârșit că acesta este bosonul Higgs prezis de Modelul standard al fizicii particulelor. Este situat în regiunea masă-energie de 125 GeV, nu are spin și se poate degrada în multe elemente mai ușoare - perechi de fotoni, fermioni etc. Datorită acestui fapt, putem spune cu încredere că bosonul Higgs, în termeni simpli, este o particulă care dă masă tuturor.
Dezamăgit de comportamentul implicit al unui element nou deschis. Dacă degradarea sa ar fi chiar puțin diferită, ar fi legată diferit de fermioni și ar apărea noi căi de cercetare. Pe de altă parte, asta înseamnă că nu am depășit nici un pas dincolo de Modelul Standard, care nu ia în considerare gravitația, energia întunecată, materia întunecată și alte fenomene bizare ale realității.
Acum se poate doar ghici ce le-a cauzat. Cea mai populară teorie este supersimetria, care afirmă că fiecare particulă din modelul standard are un superpartener incredibil de greu (reprezentând astfel 23% din univers - materia întunecată). Îmbunătățirea ciocnitorului, dublarea energiei de coliziune la 13 TeV, va face probabil posibilă detectarea acestor superparticule. În caz contrar, supersimetria va trebui să aștepte construirea unui succesor mai puternic al LHC.
Alte perspective
Deci, cum va fi fizica după bosonul Higgs? LHC și-a reluat recent activitatea cu îmbunătățiri semnificative și este capabil să vadă totul, de la antimaterie la energia întunecată. Se crede că materia întunecată interacționează cu materia obișnuită numai prin gravitație și prin crearea de masă, iar semnificația bosonului Higgs este cheia pentru a înțelege exact cum se întâmplă acest lucru. Principalul dezavantaj al Modelului Standard este că nu poate explica efectele gravitației - un astfel de model ar putea fi numit Teoria Marelui Unificat - și unii cred că particulele și câmpul Higgs ar putea fi puntea pe care fizicienii sunt atât de disperați să o găsească.
Existența bosonului Higgs a fost confirmată, dar înțelegerea sa deplină este încă foarte departe. Vor respinge experimentele viitoare supersimetria și ideea descompunerii acesteia în materia întunecată însăși? Sau vor confirma ei până la ultimul detaliu al predicțiilor modelului standard despre proprietățile bosonului Higgs și vor pune capăt pentru totdeauna acestui domeniu de cercetare?
