I enkla termer är Higgs-bosonen den dyraste partikeln genom tiderna. Om till exempel ett vakuumrör och ett par briljanta hjärnor räckte för att upptäcka elektronen, krävde sökandet efter Higgs-bosonen skapandet av experimentell energi, som sällan finns på jorden. Large Hadron Collider behöver ingen introduktion, eftersom det är ett av de mest kända och framgångsrika vetenskapliga experimenten, men dess profilpartikel, som tidigare, är höljd i mystik för större delen av befolkningen. Den har kallats en gudspartikel, men tack vare ansträngningarna från bokstavligen tusentals vetenskapsmän behöver vi inte längre acceptera dess existens på tro.
Senast okänt
Vad är Higgs-bosonen och vilken betydelse har dess upptäckt? Varför har det blivit föremål för så mycket hype, finansiering och desinformation? Av två skäl. För det första var det den sista oupptäckta partikeln som behövdes för att bekräfta fysikens standardmodell. Hennes upptäckt innebar att en hel generation av vetenskapliga publikationer inte hade varit förgäves. För det andra ger denna boson andra partiklar deras massa, vilket ger den en speciell betydelse och lite "magi". Vi tenderar att tänka påmassa som en inneboende egenskap hos saker, men fysiker tycker annorlunda. Enkelt uttryckt är Higgs-bosonen en partikel utan vilken massa i princip inte existerar.
Ett fält till
Anledningen ligger i det så kallade Higgsfältet. Det beskrevs redan före Higgs-bosonen, eftersom fysiker beräknade det för behoven hos sina egna teorier och observationer, vilket krävde närvaron av ett nytt fält, vars verkan skulle sträcka sig till hela universum. Att förstärka hypoteser genom att uppfinna nya komponenter i universum är farligt. Tidigare ledde detta till exempel till skapandet av eterteorin. Men ju mer matematiska beräkningar som gjordes, desto mer förstod fysikerna att Higgsfältet måste existera i verkligheten. Det enda problemet var bristen på praktiska sätt att observera honom.
I standardmodellen för fysik får elementarpartiklar massa genom en mekanism baserad på existensen av Higgsfältet som genomsyrar hela rymden. Det skapar Higgs-bosoner, som kräver mycket energi, och detta är huvudorsaken till att forskare behöver moderna partikelacceleratorer för att utföra högenergiexperiment.
Var kommer massan ifrån?
Styrkan hos svaga kärnkraftsinteraktioner minskar snabbt med ökande avstånd. Enligt kvantfältteorin innebär detta att de partiklar som är involverade i dess skapelse - W- och Z-bosoner - måste ha massa, till skillnad från gluoner och fotoner, som inte har någon massa.
Problemet är att mätteorier bara handlar om masslösa element. Om gaugebosonerna har massa, kan en sådan hypotes inte rimligen definieras. Higgs-mekanismen undviker detta problem genom att introducera ett nytt fält som kallas Higgs-fältet. Vid höga energier har gauge bosoner ingen massa, och hypotesen fungerar som förväntat. Vid låga energier orsakar fältet ett symmetribrott som gör att element får massa.
Vad är Higgs-bosonen?
Higgsfältet producerar partiklar som kallas Higgs-bosoner. Deras massa specificeras inte av teorin, men som ett resultat av experimentet bestämdes det att den är lika med 125 GeV. Enkelt uttryckt har Higgs-bosonen definitivt bekräftat standardmodellen med dess existens.
Mekanism, fält och boson bär namnet på den skotske vetenskapsmannen Peter Higgs. Även om han inte var den första som föreslog dessa begrepp, men, som ofta är fallet inom fysiken, råkade han helt enkelt vara den som de var uppkallade efter.
Broken symmetri
Higgsfältet ansågs vara ansvarigt för det faktum att partiklar som inte borde ha massa gjorde det. Detta är ett universellt medium som ger masslösa partiklar olika massor. En sådan kränkning av symmetri förklaras i analogi med ljus - alla våglängder rör sig i vakuum med samma hastighet, medan i ett prisma kan varje våglängd urskiljas. Detta är naturligtvis en felaktig analogi, eftersom vitt ljus innehåller alla våglängder, men exemplet visar hurskapandet av massa av Higgsfältet verkar bero på symmetribrott. Ett prisma bryter symmetrin av hastigheten för olika våglängder av ljus genom att separera dem, och Higgsfältet tros bryta symmetrin hos massorna av vissa partiklar som annars är symmetriskt masslösa.
Hur förklarar man Higgs-bosonen i enkla termer? Först nyligen har fysiker insett att om Higgsfältet verkligen existerar, kommer dess drift att kräva närvaron av en lämplig bärare med egenskaper på grund av vilka det kan observeras. Det antogs att denna partikel tillhörde bosoner. Enkelt uttryckt är Higgs-bosonen den så kallade bärarkraften, samma som fotoner, som är bärare av universums elektromagnetiska fält. Fotoner, på sätt och vis, är dess lokala excitationer, precis som Higgs-bosonen är en lokal excitation av dess fält. Att bevisa existensen av en partikel med de egenskaper som fysiker förväntar sig var i själva verket liktydigt med att direkt bevisa existensen av ett fält.
Experiment
Många år av planering har tillåtit Large Hadron Collider (LHC) att bli ett bevis på ett potentiellt motbevis för Higgs bosonteorin. En 27 km lång ring av superkraftiga elektromagneter kan accelerera laddade partiklar till betydande bråkdelar av ljusets hastighet, vilket orsakar kollisioner starka nog att separera dem i sina komponenter, samt deformera utrymmet runt islagspunkten. Enligt beräkningar, vid en kollisionsenergi på en tillräckligt hög nivå, är det möjligt att ladda ett boson så att det sönderfaller, och detta kan varaska kolla. Denna energi var så stor att vissa till och med fick panik och förutspådde världens undergång, och andras fantasi gick så långt att upptäckten av Higgs-bosonen beskrevs som en möjlighet att undersöka en alternativ dimension.
Slutlig bekräftelse
Initiala observationer verkade faktiskt motbevisa förutsägelserna, och inga tecken på partikeln kunde hittas. Några av forskarna som var inblandade i kampanjen för att spendera miljarder dollar dök till och med upp på tv och sa ödmjukt att det är lika viktigt att vederlägga en vetenskaplig teori som att bekräfta den. Efter en tid började dock mätningarna läggas till den stora bilden och den 14 mars 2013 tillkännagav CERN officiellt att partikelns existens bekräftades. Det finns bevis som tyder på att det finns flera bosoner, men denna idé behöver studeras ytterligare.
Två år efter att CERN tillkännagav upptäckten av partikeln kunde forskare som arbetade vid Large Hadron Collider bekräfta det. Å ena sidan var detta en enorm seger för vetenskapen, och å andra sidan var många vetenskapsmän besvikna. Om någon hade hoppats att Higgs-bosonen skulle vara partikeln som skulle leda till konstiga och underbara områden bortom Standardmodellen - supersymmetri, mörk materia, mörk energi - så visade det sig tyvärr inte vara fallet.
En studie publicerad i Nature Physics har bekräftat sönderfallet till fermioner. Standardmodellen förutspår att, enkelt uttryckt, bosonenHiggs är partikeln som ger fermioner sin massa. CMS-kolliderens detektor bekräftade slutligen deras sönderfall till fermioner - dunkvarkar och tauleptoner.
Higgs boson i enkla ordalag: vad är det?
Denna studie har äntligen bekräftat att detta är Higgs-bosonen som förutspås av standardmodellen för partikelfysik. Den är belägen i massenergiområdet 125 GeV, har inget spinn och kan sönderfalla till många lättare element - par av fotoner, fermioner etc. Tack vare detta kan vi med säkerhet säga att Higgs-bosonen, i enkla termer, är en partikel som ger massa till allt.
Besviken över standardbeteendet för ett nyöppnat element. Om dess förfall till och med var något annorlunda, skulle det vara relaterat till fermioner annorlunda, och nya forskningsvägar skulle dyka upp. Å andra sidan betyder det att vi inte har tagit ett enda steg bortom Standardmodellen, som inte tar hänsyn till gravitation, mörk energi, mörk materia och andra bisarra verklighetsfenomen.
Nu kan man bara gissa vad som orsakade dem. Den mest populära teorin är supersymmetri, som säger att varje partikel i standardmodellen har en otroligt tung superpartner (och utgör alltså 23% av universum - mörk materia). Att uppgradera kollideren, dubbla dess kollisionsenergi till 13 TeV, kommer sannolikt att göra det möjligt att detektera dessa superpartiklar. Annars måste supersymmetri vänta på konstruktionen av en kraftfullare efterträdare till LHC.
Ytterligare framtidsutsikter
Så hur kommer fysiken att se ut efter Higgs-bosonen? LHC har nyligen återupptagit sitt arbete med betydande förbättringar och kan se allt från antimateria till mörk energi. Man tror att mörk materia interagerar med vanlig materia enbart genom gravitation och genom skapandet av massa, och betydelsen av Higgs-bosonen är nyckeln till att förstå exakt hur detta händer. Den största nackdelen med Standardmodellen är att den inte kan förklara gravitationens effekter – en sådan modell skulle kunna kallas Grand Unified Theory – och vissa tror att partikeln och Higgsfältet kan vara den bro som fysiker är så desperata efter att hitta.
Existensen av Higgs-bosonen har bekräftats, men dess fulla förståelse är fortfarande mycket långt borta. Kommer framtida experiment att motbevisa supersymmetri och idén om dess nedbrytning till mörk materia själv? Eller kommer de att bekräfta varenda detalj i standardmodellens förutsägelser om egenskaperna hos Higgs-bosonen och avsluta detta forskningsområde för alltid?
