Leegyszerűsítve, a Higgs-bozon minden idők legdrágább részecskéje. Ha például egy vákuumcső és néhány briliáns elme elég volt az elektron felfedezéséhez, a Higgs-bozon felkutatásához kísérleti energia létrehozására volt szükség, ami a Földön ritkán található. A Nagy Hadronütköztetőt nem kell bemutatni, mivel az egyik leghíresebb és legsikeresebb tudományos kísérlet, de profilrészecskéjét, mint korábban is, a lakosság nagy része számára rejtély övezi. Isten-részecskének nevezték, azonban tudósok ezrei erőfeszítéseinek köszönhetően többé nem kell hiten elfogadnunk a létezését.
Utolsó ismeretlen
Mi a Higgs-bozon, és mi a fontos felfedezése? Miért vált ennyi hype, finanszírozás és félretájékoztatás tárgyává? Két okból. Először is, ez volt az utolsó fel nem fedezett részecske, amelyre szükség volt a fizika standard modelljének megerősítéséhez. Felfedezése azt jelentette, hogy tudományos publikációk egész generációja nem volt hiábavaló. Másodszor, ez a bozon adja más részecskék tömegét, ami különleges jelentést és némi "varázslatot" ad neki. Hajlamosak vagyunk elgondolkodnia tömeg mint a dolgok belső tulajdonsága, de a fizikusok másként gondolják. Egyszerűen fogalmazva, a Higgs-bozon egy olyan részecske, amely nélkül elvileg nem létezik tömeg.
Még egy mező
Az ok az úgynevezett Higgs-mezőben rejlik. Már a Higgs-bozon előtt leírták, mert a fizikusok saját elméleteik és megfigyeléseik igényeire számolták ki, amihez egy új mező jelenlétére volt szükség, amelynek hatása az egész Univerzumra kiterjedne. A hipotézisek megerősítése az univerzum új összetevőinek feltalálásával veszélyes. A múltban például ez vezetett az éterelmélet megalkotásához. De minél több matematikai számítást végeztek, a fizikusok annál jobban megértették, hogy a Higgs-mezőnek léteznie kell a valóságban. Az egyetlen probléma az volt, hogy nem voltak gyakorlati eszközök a megfigyelésére.
A fizika standard modelljében az elemi részecskék tömege egy olyan mechanizmus révén nő, amely az egész teret átható Higgs-mező létezésén alapul. Higgs-bozonokat hoz létre, amelyek sok energiát igényelnek, és ez a fő oka annak, hogy a tudósoknak modern részecskegyorsítókra van szükségük nagy energiájú kísérletek elvégzéséhez.
Honnan származik a tömeg?
A gyenge nukleáris kölcsönhatások erőssége a távolság növekedésével gyorsan csökken. A kvantumtérelmélet szerint ez azt jelenti, hogy a létrehozásában részt vevő részecskéknek - W- és Z-bozonoknak - tömeggel kell rendelkezniük, ellentétben a gluonokkal és a fotonokkal, amelyeknek nincs tömegük.
A probléma az, hogy a mérőelméletek csak a tömeg nélküli elemekkel foglalkoznak. Ha a mérőbozonok tömeggel rendelkeznek, akkor egy ilyen hipotézist nem lehet ésszerűen meghatározni. A Higgs-mechanizmus egy új, Higgs-mezőnek nevezett mező bevezetésével elkerüli ezt a problémát. Nagy energiáknál a mérőbozonoknak nincs tömegük, és a hipotézis a várt módon működik. Alacsony energiáknál a mező szimmetriatörést okoz, ami lehetővé teszi az elemek tömegét.
Mi a Higgs-bozon?
A Higgs-mező Higgs-bozonoknak nevezett részecskéket termel. Tömegüket elmélet nem határozza meg, de a kísérlet eredményeként megállapították, hogy ez 125 GeV. Egyszerűen fogalmazva, a Higgs-bozon véglegesen megerősítette a Standard Modell létezését.
A mechanizmus, a mező és a bozon a skót tudós, Peter Higgs nevét viseli. Bár nem ő volt az első, aki ezeket a fogalmakat javasolta, de ahogy az a fizikában lenni szokott, egyszerűen ő volt az, akiről elnevezték őket.
Tört szimmetria
Azt hitték, hogy a Higgs-mező felelős azért, hogy azok a részecskék, amelyeknek nem kellene tömegük, igen. Ez egy univerzális közeg, amely a tömeg nélküli részecskéket különböző tömegekkel ruházza fel. A szimmetria ilyen megsértését a fénnyel való analógia magyarázza - vákuumban minden hullámhossz azonos sebességgel mozog, míg a prizmában minden hullámhossz megkülönböztethető. Ez természetesen helytelen analógia, mivel a fehér fény minden hullámhosszt tartalmaz, de a példa megmutatja, hogyanúgy tűnik, hogy a Higgs-mező tömegteremtése a szimmetriatörés következménye. A prizma megtöri a különböző hullámhosszú fények sebességének szimmetriáját azáltal, hogy szétválasztja őket, és a Higgs-mező megtöri egyes, egyébként szimmetrikusan tömeg nélküli részecskék tömegének szimmetriáját.
Hogyan magyarázható egyszerűen a Higgs-bozon? A fizikusok csak a közelmúltban jöttek rá, hogy ha a Higgs-mező valóban létezik, akkor a működéséhez megfelelő hordozóra lesz szükség, olyan tulajdonságokkal, amelyek miatt megfigyelhető. Feltételezték, hogy ez a részecske a bozonokhoz tartozik. Egyszerűen fogalmazva, a Higgs-bozon az úgynevezett hordozóerő, ugyanaz, mint a fotonok, amelyek az Univerzum elektromágneses terének hordozói. A fotonok bizonyos értelemben a lokális gerjesztései, ahogy a Higgs-bozon a mezőjének lokális gerjesztése. A fizikusok által elvárt tulajdonságokkal rendelkező részecske létezésének bizonyítása valójában egy mező létezésének közvetlen bizonyítását jelentette.
Kísérlet
A sokéves tervezés lehetővé tette, hogy a Large Hadron Collider (LHC) a Higgs-bozonelmélet esetleges cáfolatának bizonyítéka legyen. A szupererős elektromágnesek 27 km-es gyűrűje a fénysebesség jelentős hányadára gyorsíthatja fel a töltött részecskéket, ami elég erős ütközést okozhat ahhoz, hogy alkatrészeikre szétválassza őket, valamint deformálja a teret az ütközési pont körül. Számítások szerint kellően nagy ütközési energiánál lehetséges úgy feltölteni egy bozont, hogy az lebomlik, és ezfigyelni fog. Ez az energia olyan nagy volt, hogy egyesek pánikba estek és megjósolták a világ végét, mások fantáziája pedig olyan messzire ment, hogy a Higgs-bozon felfedezését egy alternatív dimenzióba való betekintés lehetőségének nevezték.
Végső megerősítés
Az első megfigyelések úgy tűnt, hogy valójában megcáfolják a jóslatokat, és a részecske nyomát sem találták. A dollármilliárdokat célzó kampányban részt vevő kutatók egy része még a televízióban is megjelent, és szelíden kijelentette, hogy egy tudományos elmélet cáfolata éppoly fontos, mint annak megerősítése. Egy idő után azonban a mérések elkezdtek összeadni az összképet, és 2013. március 14-én a CERN hivatalosan is bejelentette a részecske létezésének megerősítését. Vannak bizonyítékok több bozon létezésére, de ez az elképzelés további tanulmányozást igényel.
Két évvel azután, hogy a CERN bejelentette a részecske felfedezését, a Nagy Hadronütköztetőben dolgozó tudósok meg tudták erősíteni. Ez egyrészt óriási győzelmet aratott a tudomány számára, másrészt sok tudós csalódott volt. Ha valaki abban reménykedett, hogy a Higgs-bozon lesz az a részecske, amely a standard modellen túli furcsa és csodálatos régiókba vezet - szuperszimmetria, sötét anyag, sötét energia -, akkor sajnos kiderült, hogy nem ez a helyzet.
A Nature Physics folyóiratban megjelent tanulmány megerősítette a fermionokká való bomlást. A Standard Modell azt jósolja, hogy leegyszerűsítve a bozonA Higgs az a részecske, amely megadja a fermionok tömegét. A CMS ütköztető detektora végül megerősítette, hogy fermionokká bomlanak le – down kvarkok és tau leptonok.
Higgs-bozon leegyszerűsítve: mi az?
Ez a tanulmány végre megerősítette, hogy ez a részecskefizikai szabványmodell által megjósolt Higgs-bozon. A 125 GeV-os tömegenergia tartományban található, nincs spinje, és sok könnyebb elemre bomlik le - fotonpárok, fermionok stb. Ennek köszönhetően bátran kijelenthetjük, hogy a Higgs-bozon, leegyszerűsítve, egy részecske, amely mindennek tömeget ad.
Csalódott egy újonnan megnyitott elem alapértelmezett viselkedésében. Ha a bomlása csak egy kicsit is eltérő lenne, másként viszonyulna a fermionokhoz, és új kutatási utak bontakoznának ki. Másrészt ez azt jelenti, hogy egyetlen lépést sem léptünk túl a standard modellen, amely nem veszi figyelembe a gravitációt, a sötét energiát, a sötét anyagot és a valóság egyéb bizarr jelenségeit.
Most már csak sejteni lehet, mi okozta őket. A legnépszerűbb elmélet a szuperszimmetria, amely azt állítja, hogy a Standard Modellben minden részecskének van egy hihetetlenül nehéz szuperpartnere (így az univerzum 23%-át teszi ki – sötét anyag). Az ütközőgép korszerűsítése, ütközési energiájának 13 TeV-ra való megduplázása valószínűleg lehetővé teszi ezeknek a szuperrészecskéknek a kimutatását. Ellenkező esetben a szuperszimmetriának meg kell várnia az LHC erősebb utódjának felépítését.
További kilátások
Szóval milyen lesz a fizika a Higgs-bozon után? Az LHC a közelmúltban jelentős fejlesztésekkel folytatta munkáját, és mindent képes látni az antianyagtól a sötét energiáig. Úgy gondolják, hogy a sötét anyag a közönséges anyaggal kizárólag a gravitáció és a tömeg létrehozása révén lép kölcsönhatásba, és a Higgs-bozon jelentősége kulcsfontosságú annak megértéséhez, hogy ez pontosan hogyan történik. A szabványos modell fő hátránya, hogy nem tudja megmagyarázni a gravitáció hatásait – egy ilyen modellt Grand Unified Theory-nak is nevezhetnénk –, és egyesek úgy vélik, hogy a részecske és a Higgs-mező lehet az a híd, amelyet a fizikusok olyan kétségbeesetten keresnek.
A Higgs-bozon létezését megerősítették, de annak teljes megértése még nagyon messze van. Vajon a jövőbeli kísérletek megcáfolják a szuperszimmetriát és magára a sötét anyaggá bomlásának gondolatát? Vagy megerősítik a Standard Modellnek a Higgs-bozon tulajdonságaira vonatkozó előrejelzéseinek minden részletét, és végleg véget vetnek ennek a kutatási területnek?