Paprasčiau tariant, Higso bozonas yra brangiausia visų laikų dalelė. Jei, pavyzdžiui, elektronui atrasti pakako vakuuminio vamzdžio ir poros puikių protų, Higso bozono paieškai reikėjo sukurti eksperimentinę energiją, kuri Žemėje sutinkama retai. Didelio hadronų greitintuvo pristatymo nereikia, nes jis yra vienas garsiausių ir sėkmingiausių mokslinių eksperimentų, tačiau jo profilio dalelė, kaip ir anksčiau, daugumai gyventojų yra apgaubta paslapčių. Ji buvo vadinama Dievo dalele, tačiau pažodžiui tūkstančių mokslininkų pastangomis mes nebeturime pripažinti jos egzistavimo tikėjimu.
Paskutinis nežinomas
Kas yra Higso bozonas ir kokia jo atradimo svarba? Kodėl tai tapo tiek daug triukšmo, finansavimo ir dezinformacijos objektu? Dėl dviejų priežasčių. Pirma, tai buvo paskutinė neatrasta dalelė, reikalinga standartiniam fizikos modeliui patvirtinti. Jos atradimas reiškė, kad visa mokslinių publikacijų karta nenuėjo veltui. Antra, šis bozonas suteikia kitoms dalelėms jų masę, o tai suteikia ypatingą reikšmę ir tam tikrą „stebuklingumą“. Mes linkę galvoti apiemasė kaip esminė daiktų savybė, tačiau fizikai mano kitaip. Paprastais žodžiais tariant, Higso bozonas yra dalelė, be kurios masė iš esmės neegzistuoja.
Dar vienas laukas
Priežastis slypi vadinamajame Higso lauke. Jis buvo aprašytas dar prieš Higso bozoną, nes fizikai jį apskaičiavo savo teorijų ir stebėjimų poreikiams, kuriems reikėjo naujo lauko, kurio veikimas apimtų visą Visatą. Stiprinti hipotezes išrandant naujus visatos komponentus yra pavojinga. Pavyzdžiui, praeityje tai paskatino sukurti eterio teoriją. Tačiau kuo daugiau buvo atlikta matematinių skaičiavimų, tuo labiau fizikai suprato, kad Higgso laukas turi egzistuoti tikrovėje. Vienintelė problema buvo praktinių priemonių jį stebėti trūkumas.
Standartiniame fizikos modelyje elementariosios dalelės įgyja masę per mechanizmą, pagrįstą Higso lauku, kuris persmelkia visą erdvę. Jis sukuria Higso bozonus, kuriems reikia daug energijos, ir tai yra pagrindinė priežastis, kodėl mokslininkams reikia šiuolaikinių dalelių greitintuvų, kad galėtų atlikti didelės energijos eksperimentus.
Iš kur atsiranda masė?
Silpnos branduolinės sąveikos stiprumas greitai mažėja didėjant atstumui. Remiantis kvantinio lauko teorija, tai reiškia, kad dalelės, kurios dalyvauja kuriant jį – W ir Z bozonai – turi turėti masę, skirtingai nei gliuonai ir fotonai, kurie neturi masės.
Problema ta, kad matuoklio teorijos susijusios tik su bemasiais elementais. Jei matuoklio bozonai turi masę, tokia hipotezė negali būti pagrįstai apibrėžta. Higso mechanizmas šios problemos išvengia įdiegdamas naują lauką, vadinamą Higso lauku. Esant didelei energijai, matuojamieji bozonai neturi masės, o hipotezė veikia taip, kaip tikėtasi. Esant žemai energijai, laukas sukelia simetrijos pertrauką, dėl kurios elementai turi masę.
Kas yra Higso bozonas?
Higso laukas gamina daleles, vadinamas Higso bozonais. Jų masė teorija nenurodyta, tačiau eksperimento metu buvo nustatyta, kad ji lygi 125 GeV. Paprastais žodžiais tariant, Higso bozonas galutinai patvirtino standartinio modelio egzistavimą.
Mechanizmas, laukas ir bozonas yra pavadinti škotų mokslininko Peterio Higgso vardu. Nors jis ir nebuvo pirmasis, kuris pasiūlė šias sąvokas, bet, kaip dažnai būna fizikoje, tiesiog jis buvo tas, kurio vardu jos buvo pavadintos.
Sulaužyta simetrija
Manoma, kad Higso laukas yra atsakingas už tai, kad dalelės, kurios neturėjo masės, padarė. Tai universali terpė, suteikianti bemasėms dalelėms skirtingą masę. Toks simetrijos pažeidimas paaiškinamas analogija su šviesa – visi bangos ilgiai vakuume juda vienodu greičiu, tuo tarpu prizmėje galima atskirti kiekvieną bangos ilgį. Tai, žinoma, neteisinga analogija, nes b alta šviesa apima visus bangos ilgius, tačiau pavyzdys parodo, kaipatrodo, kad masė Higso lauku sukuriama dėl simetrijos trūkimo. Prizmė suardo skirtingų šviesos bangų ilgių greičio simetriją, juos atskirdama, ir manoma, kad Higgso laukas pažeidžia kai kurių dalelių, kurios kitu atveju yra simetriškai bemasės, masių simetriją.
Kaip paprastai paaiškinti Higso bozoną? Tik neseniai fizikai suprato, kad jei Higso laukas tikrai egzistuoja, jo veikimui reikės atitinkamo nešiklio, turinčio savybių, dėl kurių jį galima stebėti. Buvo manoma, kad ši dalelė priklausė bozonams. Paprastais žodžiais tariant, Higso bozonas yra vadinamoji nešiklio jėga, tokia pati kaip fotonai, kurie yra Visatos elektromagnetinio lauko nešėjai. Tam tikra prasme fotonai yra jo vietinis sužadinimas, kaip ir Higso bozonas yra vietinis jo lauko sužadinimas. Įrodyti, kad egzistuoja dalelė, kurios savybės tikėjosi fizikų, iš tikrųjų buvo tolygu tiesiogiai įrodyti lauko egzistavimą.
Eksperimentas
Daug metų planuojant Didysis hadronų greitintuvas (LHC) tapo galimo Higso bozono teorijos paneigimo įrodymu. 27 km ilgio itin galingų elektromagnetų žiedas gali pagreitinti įkrautas daleles iki reikšmingų šviesos greičio dalių, sukeldamas pakankamai stiprius susidūrimus, kad jas atskirtų į sudedamąsias dalis, taip pat deformuotų erdvę aplink smūgio tašką. Remiantis skaičiavimais, esant pakankamai aukštai susidūrimo energijai, galima įkrauti bozoną taip, kad jis suirtų, ir tai gali būtižiūrės. Ši energija buvo tokia didelė, kad kai kurie net panikavo ir prognozavo pasaulio pabaigą, o kitų fantazijos nuėjo taip toli, kad Higso bozono atradimas buvo apibūdintas kaip galimybė pažvelgti į alternatyvią dimensiją.
Galutinis patvirtinimas
Atrodė, kad pirmieji stebėjimai iš tikrųjų paneigė prognozes ir nebuvo galima rasti jokių dalelės ženklų. Kai kurie mokslininkai, dalyvavę kampanijoje išleisti milijardus dolerių, netgi pasirodė per televiziją ir nuolankiai pareiškė, kad paneigti mokslinę teoriją yra taip pat svarbu, kaip ir ją patvirtinti. Tačiau po kurio laiko matavimai pradėjo derinti bendrą vaizdą ir 2013 m. kovo 14 d. CERN oficialiai paskelbė dalelės egzistavimo patvirtinimą. Yra įrodymų, kad egzistuoja keli bozonai, tačiau šią mintį reikia toliau tirti.
Dvejiems metams po to, kai CERN paskelbė apie dalelės atradimą, Didžiajame hadronų greitintuve dirbantys mokslininkai sugebėjo tai patvirtinti. Viena vertus, tai buvo didžiulė mokslo pergalė, kita vertus, daugelis mokslininkų buvo nusivylę. Jei kas nors tikėjosi, kad Higso bozonas bus ta dalelė, kuri nuves į keistus ir nuostabius regionus už standartinio modelio ribų – supersimetriją, tamsiąją medžiagą, tamsiąją energiją – tada, deja, taip nėra.
Nature Physics paskelbtas tyrimas patvirtino skilimą į fermionus. Standartinis modelis numato, kad, paprastai tariant, bozonasHigsas yra dalelė, kuri suteikia fermionams jų masę. CMS greitintuvo detektorius pagaliau patvirtino jų skilimą į fermionus – pūkinius kvarkus ir tau leptonus.
Higso bozonas paprastai: kas tai?
Šis tyrimas pagaliau patvirtino, kad tai yra Higso bozonas, numatytas pagal standartinį dalelių fizikos modelį. Jis yra 125 GeV masės energijos srityje, neturi sukimosi ir gali suirti į daug lengvesnių elementų – fotonų poras, fermionus ir kt. Dėl to galime drąsiai teigti, kad Higso bozonas, paprastai tariant, yra dalelė, suteikianti viskam masę.
Nusivylęs naujai atidaryto elemento numatytuoju elgesiu. Jei jo irimas būtų nors kiek kitoks, jis būtų kitaip susijęs su fermionais ir atsirastų naujų tyrimų krypčių. Kita vertus, tai reiškia, kad mes nepažengėme nė žingsnio toliau už standartinio modelio, kuriame neatsižvelgiama į gravitaciją, tamsiąją energiją, tamsiąją materiją ir kitus keistus tikrovės reiškinius.
Dabar galima tik spėlioti, kas juos sukėlė. Populiariausia teorija yra supersimetrija, kuri teigia, kad kiekviena standartinio modelio dalelė turi neįtikėtinai sunkų superpartnerį (taigi sudaro 23 % visatos – tamsiąją materiją). Patobulinus greitintuvą, padvigubinant jo susidūrimo energiją iki 13 TeV, greičiausiai bus galima aptikti šias superdaleles. Priešingu atveju supersimetrija turės palaukti, kol bus sukurtas galingesnis LHC įpėdinis.
Tolimesnės perspektyvos
Taigi, kokia bus fizika po Higso bozono? LHC neseniai atnaujino savo darbą su reikšmingais patobulinimais ir gali matyti viską nuo antimedžiagos iki tamsiosios energijos. Manoma, kad tamsioji medžiaga sąveikauja su įprasta medžiaga tik per gravitaciją ir kurdama masę, o Higgso bozono reikšmė yra labai svarbi norint tiksliai suprasti, kaip tai vyksta. Pagrindinis standartinio modelio trūkumas yra tas, kad juo negalima paaiškinti gravitacijos poveikio – tokį modelį būtų galima pavadinti Didžiąja vieninga teorija – ir kai kurie mano, kad dalelė ir Higso laukas galėtų būti tiltas, kurį fizikai taip trokšta rasti.
Higso bozono egzistavimas patvirtintas, tačiau iki galo suprasti jo dar labai toli. Ar būsimi eksperimentai paneigs supersimetriją ir jos skilimo į tamsiąją medžiagą idėją? Ar jie patvirtins kiekvieną smulkmeną standartinio modelio prognozėse apie Higso bozono savybes ir visam laikui užbaigs šią tyrimų sritį?
