Jednostavno rečeno, Higsov bozon je najskuplja čestica svih vremena. Ako su, na primjer, vakuumska cijev i par briljantnih umova bili dovoljni da otkriju elektron, potraga za Higgsovim bozonom zahtijevala je stvaranje eksperimentalne energije, koja se rijetko nalazi na Zemlji. Veliki hadronski sudarač ne treba predstavljati, jer je jedan od najpoznatijih i najuspješnijih naučnih eksperimenata, ali njegova profilna čestica, kao i prije, za većinu stanovništva je obavijena velom misterije. Nazvana je Božjom česticom, međutim, zahvaljujući naporima bukvalno hiljada naučnika, više ne moramo prihvatiti njeno postojanje na vjeru.
Zadnje nepoznato
Šta je Higgsov bozon i kolika je važnost njegovog otkrića? Zašto je to postalo predmet tolikog hypea, finansiranja i dezinformacija? Iz dva razloga. Prvo, to je bila posljednja neotkrivena čestica potrebna da se potvrdi standardni model fizike. Njeno otkriće značilo je da čitava generacija naučnih publikacija nije bila uzaludna. Drugo, ovaj bozon drugim česticama daje njihovu masu, što mu daje posebno značenje i neku "magiju". Skloni smo razmišljati o tomemasa kao suštinsko svojstvo stvari, ali fizičari misle drugačije. Jednostavno rečeno, Higsov bozon je čestica bez koje masa u principu ne postoji.
Još jedno polje
Razlog leži u takozvanom Higgsovom polju. Opisan je i prije Higgsovog bozona, jer su ga fizičari izračunali za potrebe vlastitih teorija i zapažanja, što je zahtijevalo prisustvo novog polja čije bi se djelovanje proširilo na cijeli Univerzum. Pojačavanje hipoteza izmišljanjem novih komponenti svemira je opasno. U prošlosti, na primjer, to je dovelo do stvaranja teorije etera. Ali što je bilo više matematičkih proračuna, to su fizičari više shvaćali da Higsovo polje mora postojati u stvarnosti. Jedini problem je bio nedostatak praktičnih sredstava za njegovo posmatranje.
U standardnom modelu fizike, elementarne čestice dobijaju masu kroz mehanizam zasnovan na postojanju Higgsovog polja koje prožima ceo prostor. On stvara Higgsove bozone, koji zahtijevaju mnogo energije, i to je glavni razlog zašto su naučnicima potrebni moderni akceleratori čestica za izvođenje eksperimenata visoke energije.
Odakle dolazi masa?
Snaga slabih nuklearnih interakcija brzo opada sa povećanjem udaljenosti. Prema kvantnoj teoriji polja, to znači da čestice koje učestvuju u njegovom stvaranju - W- i Z-bozoni - moraju imati masu, za razliku od gluona i fotona koji nemaju masu.
Problem je u tome što se teorije kalibra bave samo elementima bez mase. Ako merni bozoni imaju masu, onda se takva hipoteza ne može razumno definirati. Higsov mehanizam izbjegava ovaj problem uvođenjem novog polja pod nazivom Higgsovo polje. Pri visokim energijama, gauge bozoni nemaju masu, a hipoteza funkcionira kako se očekivalo. Pri niskim energijama, polje uzrokuje kršenje simetrije što omogućava elementima da imaju masu.
Šta je Higgsov bozon?
Higsovo polje proizvodi čestice koje se nazivaju Higsovi bozoni. Njihova masa nije teorijski određena, ali je kao rezultat eksperimenta utvrđeno da je jednaka 125 GeV. Jednostavno rečeno, Higsov bozon je definitivno potvrdio standardni model svojim postojanjem.
Mehanizam, polje i bozon nose ime škotskog naučnika Petera Higgsa. Iako nije bio prvi koji je predložio ove koncepte, ali, kao što je to često slučaj u fizici, on je jednostavno bio taj po kome su i dobili ime.
Narušena simetrija
Smatralo se da je Higsovo polje odgovorno za činjenicu da jesu čestice koje ne bi trebale imati masu. Ovo je univerzalni medij koji česticama bez mase daje različite mase. Takvo kršenje simetrije objašnjava se analogijom sa svjetlošću - sve valne dužine se kreću u vakuumu istom brzinom, dok se u prizmi može razlikovati svaka valna dužina. Ovo je, naravno, pogrešna analogija, jer bijela svjetlost sadrži sve valne dužine, ali primjer pokazuje kakoČini se da je stvaranje mase Higgsovim poljem posljedica kršenja simetrije. Prizma razbija simetriju brzine različitih talasnih dužina svetlosti tako što ih razdvaja, a smatra se da Higsovo polje narušava simetriju masa nekih čestica koje su inače simetrično bez mase.
Kako jednostavno objasniti Higgsov bozon? Tek nedavno su fizičari shvatili da ako Higgsovo polje zaista postoji, njegovo djelovanje će zahtijevati prisustvo odgovarajućeg nosača sa svojstvima zbog kojih se ono može promatrati. Pretpostavljalo se da ova čestica pripada bozonima. Jednostavno rečeno, Higsov bozon je takozvana sila nosioca, ista kao i fotoni, koji su nosioci elektromagnetnog polja svemira. Fotoni su, u određenom smislu, njegove lokalne pobude, baš kao što je Higsov bozon lokalna pobuda njegovog polja. Dokazivanje postojanja čestice sa svojstvima koja su očekivali fizičari bilo je, u stvari, jednako direktnom dokazivanju postojanja polja.
Eksperiment
Mnogogodišnje planiranje omogućilo je da Veliki hadronski sudarač (LHC) postane svedočanstvo potencijalnog opovrgavanja teorije Higsovog bozona. Prsten super-moćnih elektromagneta od 27 km može ubrzati nabijene čestice do značajnih djelića brzine svjetlosti, uzrokujući sudare koji su dovoljno jaki da ih razdvoje na njihove komponente, kao i da deformiše prostor oko tačke udara. Prema proračunima, pri energiji sudara na dovoljno visokom nivou, moguće je napuniti bozon tako da se raspadne, a to se možeće gledati. Ova energija je bila toliko velika da su se neki čak uspaničili i predviđali smak svijeta, a fantazija drugih je otišla toliko daleko da je otkriće Higsovog bozona opisano kao prilika da se pogleda u alternativnu dimenziju.
Konačna potvrda
Činilo se da su prva zapažanja zapravo opovrgla predviđanja i nije se mogao pronaći nikakav znak čestice. Neki od istraživača uključenih u kampanju trošenja milijardi dolara čak su se pojavili i na televiziji i krotko izjavili da je pobijanje naučne teorije jednako važno kao i njeno potvrđivanje. Nakon nekog vremena, međutim, mjerenja su počela da se zbrajaju u širu sliku, a 14. marta 2013. CERN je službeno objavio potvrdu postojanja čestice. Postoje dokazi koji upućuju na postojanje višestrukih bozona, ali ovu ideju treba dalje proučavati.
Dve godine nakon što je CERN objavio otkriće čestice, naučnici koji rade na Velikom hadronskom sudaraču uspeli su da to potvrde. S jedne strane, ovo je bila ogromna pobjeda nauke, as druge strane, mnogi naučnici su bili razočarani. Ako se itko nadao da će Higsov bozon biti čestica koja će dovesti do čudnih i čudesnih područja izvan Standardnog modela – supersimetrije, tamne materije, tamne energije – onda se, nažalost, pokazalo da to nije slučaj.
Studija objavljena u Nature Physics potvrdila je raspad na fermione. Standardni model predviđa da je, jednostavno rečeno, bozonHiggs je čestica koja fermionima daje njihovu masu. Detektor CMS sudarača konačno je potvrdio njihov raspad u fermione - down kvarkove i tau leptone.
Higsov bozon jednostavnim rečima: šta je to?
Ova studija je konačno potvrdila da je ovo Higgsov bozon predviđen Standardnim modelom fizike čestica. Nalazi se u oblasti mase-energije od 125 GeV, nema spin i može se raspasti na mnogo lakših elemenata - parove fotona, fermiona, itd. Zahvaljujući tome, možemo sa sigurnošću reći da je Higsov bozon, jednostavnim riječima, je čestica koja daje masu svemu.
Razočarani zadanim ponašanjem novootvorenog elementa. Kada bi njegov raspad bio čak i malo drugačiji, bio bi drugačije povezan sa fermionima i pojavili bi se novi putevi istraživanja. S druge strane, to znači da nismo odmakli ni korak dalje od Standardnog modela, koji ne uzima u obzir gravitaciju, tamnu energiju, tamnu materiju i druge bizarne fenomene stvarnosti.
Sada se može samo nagađati šta ih je uzrokovalo. Najpopularnija teorija je supersimetrija, koja kaže da svaka čestica u Standardnom modelu ima nevjerovatno teškog superpartnera (tako da čini 23% svemira – tamnu materiju). Nadogradnja sudarača, udvostručavajući njegovu energiju sudara na 13 TeV, vjerovatno će omogućiti otkrivanje ovih superčestica. U suprotnom, supersimetrija će morati čekati na izgradnju snažnijeg nasljednika LHC-a.
Dalji izgledi
Pa kakva će biti fizika nakon Higgsovog bozona? LHC je nedavno nastavio svoj rad sa značajnim poboljšanjima i može vidjeti sve, od antimaterije do tamne energije. Vjeruje se da tamna materija stupa u interakciju s običnom materijom isključivo putem gravitacije i stvaranjem mase, a značaj Higgsovog bozona je ključan za razumijevanje kako se to tačno događa. Glavni nedostatak Standardnog modela je to što ne može objasniti efekte gravitacije - takav model bi se mogao nazvati Velikom unificiranom teorijom - a neki vjeruju da bi čestica i Higsovo polje mogli biti most koji fizičari toliko očajnički žele pronaći.
Postojanje Higsovog bozona je potvrđeno, ali njegovo potpuno razumevanje je još uvek veoma daleko. Hoće li budući eksperimenti pobiti supersimetriju i ideju o njenoj razgradnji na samu tamnu materiju? Ili će potvrditi svaki posljednji detalj predviđanja Standardnog modela o svojstvima Higgsovog bozona i zauvijek okončati ovo područje istraživanja?
