Higso bozonas – kas tai? Apibrėžimas, atradimas ir reikšmė

Higso bozonas: kas tai, kaip jį atrado CERN/LHC, koks jo vaidmuo Standartiniame modelyje ir reikšmė mūsų visatos supratimui.

Higso bozonas (kartais rašomas ir Higgso bozonas) yra elementari dalelė, numatyta standartinio modelio teorijoje – ji susijusi su Higso lauku, kurio nenulinė vidutinė vertė vakuume suteikia masę kai kurioms kitoms dalelėms. Idėją 1960–1970 m. nepriklausomai pasiūlė keli fizikai, iš jų plačiausiai minimas Piteris Higgsas. 2012 m. liepos 4 d. CERN eksperimentai ATLAS ir CMS paskelbė apie naujos bozoninės dalelės atradimą, kuri vėliau paaiškėjo suderinama su Higso bozonu; už teorinį atradimą 2013 m. Nobelio premija buvo paskirta P. Higgsui ir François Englert.

Kas yra Higso laukas ir kaip susidaro masė?

Higso laukas yra skaitomas kaip fundamentalus laukas, kuris – skirtingai nei, pavyzdžiui, elektromagnetinis laukas – vakuume įgyja nenulinę vidutinę vertę (vadinamą vakuuminėmis lauko reikšmėmis). Kai kitų dalelių laukai sąveikauja su Higso lauku, ši sąveika pasireiškia kaip efektyvi masė. Standardinio modelio požiūriu, W ir Z bozonai įgyja didžiąją dalį savo masės per šį mechanizmą, o fermionams (kvarkams, leptonams) masę suteikia Yukawa tipo sąveikos su Higso lauku.

Svarbu pabrėžti, kad ne visa matoma medžiagos masė atsiranda tiesiogiai iš Higso mechanizmo: dauguma protono ar neutrono masės kilo dėl kvarkų ir gluonų sąveikų (QCD) ir energijos, užfiksuotos branduolio viduje.

Higso bozonas – savybės

• Masė: eksperimentiniai duomenys rodo, kad Higso bozonas turi masę apie 125 GeV/c2 (apie 125 kartų didesnę nei protono masė padauginta iš bazinių konstantų), t. y. jis yra santykinai sunkus.
• Spin: stebėjimai parodė, kad tai yra skaliarinė dalelė su spinu 0 – tai atitinka Standartinio modelio Higso bozoną.
• Laukinė reikšmė vakuume: Higso lauko vakuuminė reikšmė yra maždaug 246 GeV (tai yra energijos mastas, susijęs su dalelių masių dydžiu).
• Trumpas gyvenimo laikas: dėl didelės masės bozonas labai greitai suyra (trukmė maždaug 10−22 s). Higso bozonai patys iš esmės aplink nėra – juos reikia sukurti aukštos energijos susidūrimuose.

Kaip aptinkamas Higso bozonas?

Higso bozoną sukurti reikia daug energijos, todėl jis randamas tik aukštos energijos dalelių susidūrimuose, pavyzdžiui, Didžiajame hadronų priešpriešinių srautų greitintuve (CERN). Greitintuvas pagreitina protonų pluoštus beveik iki šviesos greičio ir juos susidūrusiose reakcijose retkarčiais atsiranda Higso bozonai. Tikimybė, kad viename susidūrime atsiras Higso bozonas, yra labai maža (maždaug viena iš milijardų–dešimčių milijardų, priklausomai nuo sąlygų), todėl reikia trilijonų susidūrimų ir sudėtingų detektorių bei duomenų analizės.

Higso bozonas stebimas ne tiesiogiai, o pagal jo skilimo produktus. Svarbiausi aptikimo kanalai yra:

• γγ (du fotonai) – aiškus signalas su geru energijos tikslumu, nors ir menka tikimybė;
• ZZ* → 4 leptono (pvz., 4 elektronai arba 4 muonai) – „auksinis kanalas“ dėl labai mažo fono triukšmo;
• WW* → lνlν, bb (du b kvarkai) ir ττ – svarbūs kiti kanalai, ypač atliekant bendrą visų kanalų derinį.

Atrankos istorija ir eksperimentinis patvirtinimas

2012 m. liepos 4 d. ATLAS ir CMS eksperimentai paskelbė apie naujos bozoninės dalelės atradimą energijos diapazone ~125 GeV, o vėlesnės duomenų analizės ir daugiau susidūrimų rodė, kad šios dalelės savybės atitinka Standartinio modelio Higso bozoną (spin 0, paritetas, jungtys su kitomis dalelėmis). Už teorinius pagrindus, kurie leido numatyti tokį lauką ir dalelę, 2013 m. Nobelio premija buvo skirta P. Higgsui ir F. Englert.

Reikšmė fizikai ir ribojimai

Higso bozonas užbaigė pagrindinių Standartinio modelio elementariųjų dalelių sąrašą ir patvirtino masės generavimo mechanizmą, tačiau daug klausimų lieka atviri:

• Standartinis modelis vis dar neapima gravitacijos – nėra žinomo, paprasto būdo „sujungti“ Higso mechanizmą su gravitacija.
• Higso savybės gali suteikti užuominų apie naują fiziką už Standartinio modelio ribų (pvz., supersimetriją, papildomus sluoksnius ar sąveikas), tačiau iki šiol eksperimentiniai skirtumai nuo SM numatomų reikšmių yra nedideli.
• Kitas klausimas – visatos vakuumo stabilumas: Higso masė kartu su top kvarko mase lemia, ar vakuumas ilgalaikėje perspektyvoje stabilus, metastabilus ar nestabilus.

Dažnos klaidingos nuostatos

• Visos masės kyla iš Higso bozonų: ne – dalies masės (ypač atomų branduolių masė) kilmė yra atominių sąveikų energija, o ne tiesiogiai iš Higso mechanizmo.
• Higso bozonas paaiškina tamsiąją materiją: tiesiogiai – ne; Standartinis Higso bozonas nėra tamsiosios materijos kandidatas. Tačiau Higso sektorius gali būti susijęs su naujomis dalelėmis, kurios sudarytų tamsiąją materiją.

Kultūrinis pėdsakas

Higso bozonas dažnai minima populiariojoje kultūroje ir mokslinėje fantastikoje. 1993 m. knygoje Leono Ledermano pavadinimas „Dievo dalelė“ (angl. The God Particle) sukėlė diskusijas dėl tokio termino vartojimo – pats Ledermanas norėjo patraukti visuomenės dėmesį į svarbų atradimą, nors daug fizikos bendruomenės narių laiko tokį pavadinimą netiksliu ar sensacingu.

Santrauka: Higso bozonas yra labiau nei vien tik papildoma dalelė – jis patvirtina mechanizmą, kuriuo dalelės įgyja masę Standartiniame modelyje. Jo atradimas 2012 m. buvo vienas didžiausių pastarojo dešimtmečio eksperimentinės fizikos laimėjimų, tačiau klausimai apie gilias Visatos savybes ir tolimesnę naują fiziką lieka atviri.

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra Higso bozonas?

Klausimas: Kaip veikia Higgso laukas?

Klausimas: Kodėl sunku aptikti Higso bozoną?

Klausimas: Kokie dar žinomi bozonai?

K: Kaip Einšteino lygtis E=mc2 susijusi su masės energijos kūrimu iš kinetinės energijos?

Klausimas: Kokį vaidmenį atlieka mokslinės fantastikos istorijos, padedančios suprasti, kaip veikia Higgso bozonai?

Paieška pagal raidę