Vienkārši izsakoties, Higsa bozons ir visu laiku dārgākā daļiņa. Ja, piemēram, elektrona atklāšanai pietika ar vakuuma cauruli un pāris izciliem prātiem, Higsa bozona meklējumos bija jārada eksperimentālā enerģija, kas uz Zemes sastopama reti. Lielais hadronu paātrinātājs nav jāievada, jo tas ir viens no slavenākajiem un veiksmīgākajiem zinātniskajiem eksperimentiem, taču tā profila daļiņa, tāpat kā iepriekš, lielākajai daļai iedzīvotāju ir noslēpumā tīta. To sauc par Dieva daļiņu, taču, pateicoties burtiski tūkstošiem zinātnieku pūlēm, mums vairs nav jāpieņem tās esamība ticībā.
Pēdējais nezināmais
Kas ir Higsa bozons un kāda ir tā atklāšanas nozīme? Kāpēc tas ir kļuvis par tik daudz ažiotāžas, finansējuma un dezinformācijas objektu? Divu iemeslu dēļ. Pirmkārt, tā bija pēdējā neatklātā daļiņa, kas bija nepieciešama, lai apstiprinātu fizikas standarta modeli. Viņas atklājums nozīmēja, ka vesela zinātnisko publikāciju paaudze nav bijusi veltīga. Otrkārt, šis bozons piešķir citām daļiņām savu masu, kas tam piešķir īpašu nozīmi un zināmu "maģiju". Mums ir tendence domāt parmasu kā lietu būtisku īpašību, bet fiziķi domā citādi. Vienkārši izsakoties, Higsa bozons ir daļiņa, bez kuras masa principā nepastāv.
Vēl viens lauks
Iemesls ir tā sauktajā Higsa laukā. Tas tika aprakstīts vēl pirms Higsa bozona, jo fiziķi to aprēķināja savu teoriju un novērojumu vajadzībām, kas prasīja jauna lauka klātbūtni, kura darbība aptvertu visu Visumu. Hipotēžu nostiprināšana, izgudrojot jaunas Visuma sastāvdaļas, ir bīstama. Piemēram, pagātnē tas noveda pie ētera teorijas radīšanas. Bet jo vairāk tika veikti matemātiski aprēķini, jo vairāk fiziķi saprata, ka Higsa laukam ir jāpastāv patiesībā. Vienīgā problēma bija praktisko līdzekļu trūkums, kā viņu novērot.
Fizikas standarta modelī elementārdaļiņas iegūst masu, izmantojot mehānismu, kura pamatā ir Higsa lauks, kas caurstrāvo visu telpu. Tas rada Higsa bozonus, kas prasa daudz enerģijas, un tas ir galvenais iemesls, kāpēc zinātniekiem ir nepieciešami moderni daļiņu paātrinātāji, lai veiktu augstas enerģijas eksperimentus.
No kurienes nāk masa?
Vāju kodolu mijiedarbības stiprums strauji samazinās, palielinoties attālumam. Saskaņā ar kvantu lauka teoriju tas nozīmē, ka daļiņām, kas ir iesaistītas tā veidošanā - W- un Z-bozoniem - ir jābūt ar masu, atšķirībā no gluoniem un fotoniem, kuriem nav masas.
Problēma ir tā, ka mērierīču teorijas attiecas tikai uz bezmasas elementiem. Ja mērbozoniem ir masa, tad šādu hipotēzi nevar saprātīgi definēt. Higsa mehānisms novērš šo problēmu, ieviešot jaunu lauku, ko sauc par Higsa lauku. Pie lielām enerģijām gabarīta bozoniem nav masas, un hipotēze darbojas, kā paredzēts. Pie zemām enerģijām lauks izraisa simetrijas pārrāvumu, kas ļauj elementiem iegūt masu.
Kas ir Higsa bozons?
Higsa lauks rada daļiņas, ko sauc par Higsa bozoniem. To masa teorijā nav noteikta, taču eksperimenta rezultātā tika noteikts, ka tā ir vienāda ar 125 GeV. Vienkārši izsakoties, Higsa bozons ir galīgi apstiprinājis standarta modeli ar tā esamību.
Mehānisms, lauks un bozons nes skotu zinātnieka Pītera Higsa vārdu. Lai gan viņš nebija pirmais, kurš ierosināja šos jēdzienus, taču, kā tas bieži notiek fizikā, viņš vienkārši bija tas, kura vārdā tie tika nosaukti.
Pārtraukta simetrija
Tika uzskatīts, ka Higsa lauks ir atbildīgs par to, ka to izdarīja daļiņas, kurām nevajadzētu būt masai. Šī ir universāla vide, kas bezmasas daļiņām piešķir dažādu masu. Šāds simetrijas pārkāpums ir izskaidrojams ar analoģiju ar gaismu - visi viļņu garumi pārvietojas vakuumā ar vienādu ātrumu, savukārt prizmā katrs viļņa garums var atšķirties. Tā, protams, ir nepareiza analoģija, jo b altā gaisma satur visus viļņu garumus, bet piemērs parāda, kāmasas radīšana Higsa laukā, šķiet, ir saistīta ar simetrijas pārrāvumu. Prizma izjauc dažādu gaismas viļņu garumu ātruma simetriju, tos atdalot, un tiek uzskatīts, ka Higsa lauks izjauc dažu daļiņu masu simetriju, kas citādi ir simetriski bezmasas.
Kā vienkārši izskaidrot Higsa bozonu? Tikai nesen fiziķi saprata, ka, ja Higsa lauks patiešām pastāv, tā darbībai būs nepieciešams atbilstošs nesējs ar īpašībām, kuru dēļ to var novērot. Tika pieņemts, ka šī daļiņa pieder bozoniem. Vienkārši izsakoties, Higsa bozons ir tā sauktais nesējspēks, tāds pats kā fotoni, kas ir Visuma elektromagnētiskā lauka nesēji. Fotoni savā ziņā ir tā lokālie ierosinājumi, tāpat kā Higsa bozons ir sava lauka lokāls ierosinājums. Daļiņas esamības pierādīšana ar fiziķu gaidītajām īpašībām faktiski bija līdzvērtīga lauka esamības tiešai pierādīšanai.
Eksperiments
Daudzu gadu plānošana ir ļāvusi Lielajam hadronu paātrinātājam (LHC) kļūt par liecību potenciālam Higsa bozona teorijas pierādījumam. 27 km garš īpaši jaudīgu elektromagnētu gredzens var paātrināt uzlādētās daļiņas līdz ievērojamām gaismas ātruma daļām, izraisot pietiekami spēcīgas sadursmes, lai tās sadalītu sastāvdaļās, kā arī deformētu telpu ap trieciena punktu. Pēc aprēķiniem, pie pietiekami augsta līmeņa sadursmes enerģijas ir iespējams uzlādēt bozonu tā, lai tas sadalītos, un tas var būtskatīsies. Šī enerģija bija tik liela, ka daži pat krita panikā un paredzēja pasaules galu, bet citu fantāzijas aizgāja tik tālu, ka Higsa bozona atklāšana tika aprakstīta kā iespēja ieskatīties alternatīvā dimensijā.
Galīgais apstiprinājums
Sākotnējie novērojumi, šķiet, faktiski atspēko prognozes, un nevarēja atrast daļiņas pazīmes. Daži pētnieki, kas piedalījās kampaņā par miljardu dolāru tērēšanu, pat parādījās televīzijā un lēnprātīgi paziņoja, ka zinātniskas teorijas atspēkošana ir tikpat svarīga kā tās apstiprināšana. Tomēr pēc kāda laika mērījumi sāka apvienoties ar kopējo ainu, un 2013. gada 14. martā CERN oficiāli paziņoja par daļiņas esamības apstiprinājumu. Ir pierādījumi, kas liecina par vairāku bozonu esamību, taču šī ideja ir jāturpina pētīt.
Divus gadus pēc tam, kad CERN paziņoja par daļiņas atklāšanu, zinātnieki, kas strādāja pie Lielā hadronu paātrinātāja, varēja to apstiprināt. No vienas puses, tā bija milzīga zinātnes uzvara, un, no otras puses, daudzi zinātnieki bija vīlušies. Ja kāds būtu cerējis, ka Higsa bozons būs tā daļiņa, kas novedīs pie dīvainiem un brīnišķīgiem reģioniem ārpus standarta modeļa – supersimetrijas, tumšās vielas, tumšās enerģijas –, tad diemžēl izrādījās, ka tas tā nav.
Pētījums, kas publicēts žurnālā Nature Physics, apstiprināja sabrukšanu fermionos. Standarta modelis paredz, ka, vienkāršiem vārdiem sakot, bozonsHigss ir daļiņa, kas piešķir fermioniem to masu. CMS kolidera detektors beidzot apstiprināja to sadalīšanos fermionos - dūnu kvarkos un tau leptonos.
Higsa bozons vienkāršā izteiksmē: kas tas ir?
Šis pētījums beidzot apstiprināja, ka tas ir Higsa bozons, ko paredz daļiņu fizikas standarta modelis. Tas atrodas masas enerģijas reģionā 125 GeV, tai nav spin, un tas var sadalīties daudzos vieglākos elementos - fotonu pāros, fermionos utt. Pateicoties tam, mēs varam droši teikt, ka Higsa bozons, vienkāršā izteiksmē, ir daļiņa, kas piešķir masu visam.
Esam vīlušies par jaunatvērta elementa noklusējuma darbību. Ja tā sabrukšana būtu kaut nedaudz atšķirīga, tā būtu savādāk saistīta ar fermioniem, un rastos jauni pētniecības virzieni. No otras puses, tas nozīmē, ka mēs neesam tikuši ne soli tālāk par standarta modeli, kurā nav ņemta vērā gravitācija, tumšā enerģija, tumšā matērija un citas dīvainas realitātes parādības.
Tagad var tikai minēt, kas tos izraisīja. Populārākā teorija ir supersimetrija, kas apgalvo, ka katrai daļiņai Standarta modelī ir neticami smags superpartneris (tādējādi veido 23% no Visuma – tumšā matērija). Kolidera modernizācija, dubultojot tā sadursmes enerģiju līdz 13 TeV, iespējams, ļaus atklāt šīs superdaļiņas. Pretējā gadījumā supersimetrijai būs jāgaida jaudīgāka LHC pēcteča uzbūve.
Citas izredzes
Kāda būs fizika pēc Higsa bozona? LHC nesen ir atsācis savu darbu ar ievērojamiem uzlabojumiem un spēj redzēt visu, sākot no antimatērijas līdz tumšajai enerģijai. Tiek uzskatīts, ka tumšā viela mijiedarbojas ar parasto vielu tikai caur gravitāciju un masas radīšanu, un Higsa bozona nozīme ir atslēga, lai precīzi saprastu, kā tas notiek. Standarta modeļa galvenais trūkums ir tas, ka tas nevar izskaidrot gravitācijas ietekmi – šādu modeli varētu saukt par Lielo vienoto teoriju – un daži uzskata, ka daļiņa un Higsa lauks varētu būt tilts, ko fiziķi tik ļoti vēlas atrast.
Higsa bozona esamība ir apstiprināta, taču tā pilnīga izpratne vēl ir ļoti tālu. Vai turpmākie eksperimenti atspēkos supersimetriju un ideju par tās sadalīšanos tumšajā matērijā? Vai arī viņi apstiprinās katru pēdējo detaļu standarta modeļa prognozēs par Higsa bozona īpašībām un uz visiem laikiem izbeigs šo pētījumu jomu?
