I enkle termer er Higgs-bosonet den dyreste partikkelen gjennom tidene. Hvis for eksempel et vakuumrør og et par strålende hjerner var nok til å oppdage elektronet, krevde letingen etter Higgs-bosonet opprettelsen av eksperimentell energi, som sjelden finnes på jorden. Large Hadron Collider trenger ingen introduksjon, som er et av de mest kjente og vellykkede vitenskapelige eksperimentene, men profilpartikkelen, som før, er innhyllet i mystikk for det meste av befolkningen. Den har blitt k alt en gudspartikkel, men takket være innsatsen til bokstavelig t alt tusenvis av forskere trenger vi ikke lenger å akseptere dens eksistens på tro.
Sist ukjent
Hva er Higgs-bosonet og hva er viktigheten av oppdagelsen? Hvorfor har det blitt gjenstand for så mye hype, finansiering og feilinformasjon? Av to grunner. For det første var det den siste uoppdagede partikkelen som var nødvendig for å bekrefte standardmodellen for fysikk. Oppdagelsen hennes gjorde at en hel generasjon med vitenskapelige publikasjoner ikke hadde vært forgjeves. For det andre gir denne bosonen andre partikler deres masse, noe som gir den en spesiell betydning og litt "magi". Vi har en tendens til å tenke påmasse som en iboende egenskap ved ting, men fysikere mener noe annet. Enkelt sagt er Higgs-bosonet en partikkel uten hvilken masse i prinsippet ikke eksisterer.
Ett felt til
Årsaken ligger i det såk alte Higgs-feltet. Det ble beskrevet allerede før Higgs-bosonet, fordi fysikere beregnet det for behovene til sine egne teorier og observasjoner, som krevde tilstedeværelsen av et nytt felt, hvis handling ville strekke seg til hele universet. Å forsterke hypoteser ved å finne opp nye komponenter i universet er farlig. Tidligere førte dette for eksempel til etableringen av eter-teorien. Men jo mer matematiske beregninger ble gjort, jo mer forsto fysikerne at Higgs-feltet må eksistere i virkeligheten. Det eneste problemet var mangelen på praktiske midler til å observere ham.
I standardmodellen for fysikk får elementærpartikler masse gjennom en mekanisme basert på eksistensen av Higgs-feltet som gjennomsyrer hele rommet. Det skaper Higgs-bosoner, som krever mye energi, og dette er hovedgrunnen til at forskere trenger moderne partikkelakseleratorer for å utføre høyenergieksperimenter.
Hvor kommer massen fra?
Styrken til svake kjernefysiske interaksjoner avtar raskt med økende avstand. I følge kvantefeltteori betyr dette at partiklene som er involvert i dens skapelse - W- og Z-bosoner - må ha masse, i motsetning til gluoner og fotoner, som ikke har noen masse.
Problemet er at måleteorier bare omhandler masseløse elementer. Hvis gauge-bosonene har masse, kan en slik hypotese ikke defineres med rimelighet. Higgs-mekanismen unngår dette problemet ved å introdusere et nytt felt k alt Higgs-feltet. Ved høye energier har gaugebosoner ingen masse, og hypotesen fungerer som forventet. Ved lave energier forårsaker feltet et symmetribrudd som gjør at elementer kan ha masse.
Hva er Higgs-bosonet?
Higgs-feltet produserer partikler k alt Higgs-bosoner. Massen deres er ikke spesifisert av teorien, men som et resultat av eksperimentet ble det bestemt at den er lik 125 GeV. Enkelt sagt har Higgs-bosonet definitivt bekreftet standardmodellen med dens eksistens.
Mekanisme, felt og boson bærer navnet til den skotske vitenskapsmannen Peter Higgs. Selv om han ikke var den første som foreslo disse konseptene, men, som ofte i fysikk, var han rett og slett den som de ble oppk alt etter.
Brukt symmetri
Higgs-feltet ble antatt å være ansvarlig for at partikler som ikke burde ha masse gjorde det. Dette er et universelt medium som gir masseløse partikler forskjellige masser. Et slikt brudd på symmetri forklares i analogi med lys - alle bølgelengder beveger seg i vakuum med samme hastighet, mens i et prisme kan hver bølgelengde skilles. Dette er selvfølgelig en feil analogi, siden hvitt lys inneholder alle bølgelengder, men eksemplet viser hvordandannelsen av masse av Higgs-feltet ser ut til å skyldes symmetribrudd. Et prisme bryter symmetrien til hastigheten til forskjellige bølgelengder av lys ved å skille dem, og Higgs-feltet antas å bryte symmetrien til massene til noen partikler som ellers er symmetrisk masseløse.
Hvordan forklare Higgs-bosonet på en enkel måte? Først nylig har fysikere innsett at hvis Higgs-feltet virkelig eksisterer, vil driften kreve tilstedeværelsen av en passende bærer med egenskaper på grunn av hvilke det kan observeres. Det ble antatt at denne partikkelen tilhørte bosoner. Enkelt sagt er Higgs-bosonen den såk alte bærekraften, det samme som fotoner, som er bærere av det elektromagnetiske feltet til universet. Fotoner er på en måte dens lokale eksitasjoner, akkurat som Higgs-bosonet er en lokal eksitasjon av feltet. Å bevise eksistensen av en partikkel med egenskapene som forventes av fysikere var faktisk ensbetydende med å direkte bevise eksistensen av et felt.
Eksperiment
Mange år med planlegging har gjort at Large Hadron Collider (LHC) har blitt et bevis på en potensiell motbevisning av Higgs bosonteori. En 27 km lang ring av superkraftige elektromagneter kan akselerere ladede partikler til betydelige brøkdeler av lysets hastighet, og forårsake kollisjoner som er sterke nok til å skille dem inn i deres komponenter, samt deformere rommet rundt treffpunktet. I følge beregninger, ved en kollisjonsenergi på et tilstrekkelig høyt nivå, er det mulig å lade et boson slik at det forfaller, og dette kanvil se. Denne energien var så stor at noen til og med fikk panikk og spådde verdens undergang, og andres fantasi gikk så langt at oppdagelsen av Higgs-bosonet ble beskrevet som en mulighet til å se inn i en alternativ dimensjon.
Endelig bekreftelse
Innledende observasjoner så ut til å motbevise spådommene, og ingen tegn til partikkelen ble funnet. Noen av forskerne involvert i kampanjen for å bruke milliarder av dollar dukket til og med opp på TV og sa saktmodig at det å tilbakevise en vitenskapelig teori er like viktig som å bekrefte den. Etter en tid begynte imidlertid målingene å gi det store bildet, og 14. mars 2013 kunngjorde CERN offisielt bekreftelsen av partikkelens eksistens. Det er bevis som tyder på at det finnes flere bosoner, men denne ideen må studeres videre.
To år etter at CERN kunngjorde oppdagelsen av partikkelen, kunne forskere som jobbet ved Large Hadron Collider bekrefte det. På den ene siden var dette en enorm seier for vitenskapen, og på den andre siden var mange forskere skuffet. Hvis noen hadde håpet at Higgs-bosonet skulle være partikkelen som ville føre til merkelige og fantastiske områder utenfor Standardmodellen - supersymmetri, mørk materie, mørk energi - så viste det seg dessverre ikke å være tilfelle.
En studie publisert i Nature Physics har bekreftet forfallet til fermioner. Standardmodellen forutsier at, enkelt sagt, bosonenHiggs er partikkelen som gir fermioner massen. Detektoren til CMS-kollideren bekreftet til slutt deres forfall til fermioner - dunkvarker og tau-leptoner.
Higgs-boson i enkle termer: hva er det?
Denne studien har endelig bekreftet at dette er Higgs-bosonet som er spådd av standardmodellen for partikkelfysikk. Den ligger i masseenergiområdet på 125 GeV, har ingen spinn, og kan forfalle til mange lettere elementer - par av fotoner, fermioner, etc. Takket være dette kan vi trygt si at Higgs-bosonet, i enkle termer, er en partikkel som gir masse til alt.
Skuffet over standardoppførselen til et nyåpnet element. Hvis forfallet til og med var litt annerledes, ville det vært relatert til fermioner annerledes, og nye forskningsveier ville dukke opp. På den annen side betyr dette at vi ikke har beveget oss et eneste skritt utover Standardmodellen, som ikke tar hensyn til gravitasjon, mørk energi, mørk materie og andre bisarre virkelighetsfenomener.
Nå kan man bare gjette hva som forårsaket dem. Den mest populære teorien er supersymmetri, som sier at hver partikkel i standardmodellen har en utrolig tung superpartner (som dermed utgjør 23% av universet - mørk materie). Oppgradering av kollideren, dobling av kollisjonsenergien til 13 TeV, vil sannsynligvis gjøre det mulig å oppdage disse superpartiklene. Ellers må supersymmetri vente på byggingen av en kraftigere etterfølger til LHC.
Ytterligere prospekter
Så hvordan vil fysikk være etter Higgs-bosonet? LHC har nylig gjenopptatt arbeidet med betydelige forbedringer og er i stand til å se alt fra antimaterie til mørk energi. Det antas at mørk materie samhandler med vanlig materie utelukkende gjennom tyngdekraften og gjennom dannelsen av masse, og betydningen av Higgs-bosonet er nøkkelen til å forstå nøyaktig hvordan dette skjer. Hovedulempen med Standardmodellen er at den ikke kan forklare virkningene av tyngdekraften – en slik modell kan kalles Grand Unified Theory – og noen mener at partikkelen og Higgs-feltet kan være broen som fysikere er så desperate etter å finne.
Eksistensen av Higgs-bosonet er bekreftet, men dens fulle forståelse er fortsatt veldig langt unna. Vil fremtidige eksperimenter tilbakevise supersymmetri og ideen om dens nedbrytning til selve mørk materie? Eller vil de bekrefte hver minste detalj av standardmodellens spådommer om egenskapene til Higgs-bosonet og avslutte dette forskningsområdet for alltid?
