Higso laukas ir bozonas: kas tai ir kaip jie suteikia dalelėms masę

Sužinokite, kas yra Higso laukas ir Higso bozonas ir kaip jie suteikia dalelėms masę — aiškus paaiškinimas apie Higso efektą ir jo vaidmenį Visatoje.

Higso laukas yra energijos laukas, kuris, kaip manytina, egzistuoja visuose visatos regionuose. Šio lauko kvantas — tai Higso bozonas, mažytė dalelė, kurią galima suprasti kaip lauko vietinę iškilimą ar virptelėjimą. Pats laukas apibrėžia, kaip kitos dalelės sąveikauja su juo; šios sąveikos stiprumas lemia, kiek „masės“ ta dalelė gauna.

Kaip Higso laukas suteikia masę

Mechanizmas, vadinamas Higso mechanizmu arba Higso efektu, veikia per dalelių ir lauko tarpusavio ryšį. Paprastai tariant, dalelės turi skirtingą gebėjimą „sąveikauti“ su lauku — kuo stipriau jos sąveikauja (t. y. didesnis jų vadinamasis jungimasis arba Yukawa ryšys), tuo didesnę masę jos įgyja. Tokiu būdu elektronas, kvarkai ar W ir Z bozonai įgyja masę dėl savo sąveikos su Higso lauku.

Analogija: judėjimas per Higso lauką dažnai lyginamas su objektu, einančiu per tirštesnę terpę — pavyzdžiui, per drebulę (arba melasą), — kuris sulėtėja labiau nei per skystį ar vakuumą. Svarbu pabrėžti, kad tai tik palengvinta vaizdinė metafora: tikroji sąveika vyksta kvantiniu lygiu ir priklauso nuo dalelės gebėjimo jungtis su lauku.

Ką Higso laukas duoda ir ką ne

Higso laukas nesukuria masės „iš niekur“ ir nepažeidžia energijos ar masės išsaugojimo dėsnio. Vietoje to, jis suteikia dalelėms savybę, kurią vadiname mase — kitaip tariant, dalelėms reikia daugiau energijos, kad jos paspartėtų. Taip pat svarbu žinoti:

• Ne visos dalelės gauna masę iš Higso lauko. Pavyzdžiui, fotonas (šviesa) su Higso lauku nekinta ir lieka masei neturinti dalelė, todėl jis gali visada judėti šviesos greičiu.
• Dalis matomos protono ar neutrono masės kyla ne tiesiogiai iš Higso sąveikos su kvarkais, o iš kvantinės chromodinamikos (QCD) sąsajų ir energijos, susijusios su kvarkų surišimu. Kitaip tariant, Higso mechanizmas paaiškina elementarių dalelių mases, bet ne visų atominių branduolių masę vienareikšmiškai.
• W ir Z bozonai, kuriems elektriškai ir silpnosioms sąveikoms būdingi svoriai, įgyja masę per Higso mechanizmą. Tai svarbu silpnųjų sąveikų pobūdžiui ir tam, kodėl jos yra trumparankės.

Trumpai apie atradimą ir reikšmę

Higso bozonas buvo aptiktas 2012 m. Didžiojo hadronų greitintuvo (LHC) eksperimentuose ATLAS ir CMS. Jo masė yra maždaug 125 GeV/c² (apie 125 kartų didesnė už protono masę pagal energijos ekvivalentą). Atranka patvirtino, kad Higso laukas tikrai egzistuoja ir taip suteikė tvirtą mechanistinį pagrindą tam, kaip dalelės įgyja masę standartiškaije dalelių fizikoje.

Dažni nesusipratimai

Keletas aiškumų:

• Higso laukas nėra vienintelis „masės šaltinis“. Pvz., didžioji matomos materijos masės gaunama iš stipriųjų sąveikų energijos (QCD), o ne vien tik iš Higso sąveikų.
• Higso bozonas nėra pastovi medžiaga, pro kurią „svarstyklė užkliūna“; tai yra lauko kvantas — lauko būsenos kintamumas, kuriuo galima aptikti greitintuvuose.
• Gravitacija nėra visiškai priklausoma nuo Higso lauko. Gravitacija veikia masę ir energiją apskritai; jeigu tam tikros dalelės liktų be masės, Visata elgtųsi kitaip, bet Higso laukas nėra vienintelis gravitacijos „šaltinis“.

Santrauka: Higso laukas yra universali lauko savybė, kurios buvimas paaiškina, kodėl daugumai elementarių dalelių reikia energijos, kad jas pagreitintume — kitaip tariant, kodėl jos turi masę. Higso bozonas yra šio lauko kvantas, kurio atradimas 2012 m. patvirtino Higso mechanizmo vaidmenį dalelių fizikoje.

Higso efektas

Pirmą kartą teoriją apie Higso efektą 1968 m. pateikė PRL simetrijos laužymo darbų autoriai. 1964 m. trys mokslininkų grupės parašė mokslinius straipsnius, kuriuose pasiūlė susijusius, bet skirtingus požiūrius, kaip paaiškinti, kaip masė gali atsirasti lokaliose matuojamosiose teorijose.

2013 m. Higso bozonas ir netiesiogiai Higso efektas buvo preliminariai įrodyti Didžiajame hadronų greitintuve (Higso bozonas buvo atrastas 2012 m. liepos 4 d.). Šis efektas buvo vertinamas kaip trūkstamos standartinio modelio dalies atradimas.

Pagal matuojamąją teoriją (teorija, kuria grindžiamas standartinis modelis) visos jėgą perduodančios dalelės turėtų būti be masės. Tačiau silpnąją jėgą perduodančios jėgos dalelės turi masę. Taip yra dėl Higso efekto, kuris pažeidžia SU(2) simetriją (SU reiškia specialiąją unitarinę matricą, o 2 reiškia susijusių matricų dydį).

Sistemos simetrija - tai su sistema atliktas veiksmas, pavyzdžiui, sukimas ar poslinkis, dėl kurio sistema iš esmės nesikeičia. Simetrija taip pat nustato taisyklę, kaip kas nors visada turėtų veikti, jei neveikia išorinė jėga. Pavyzdys - Rubiko kubas. Jei paimtume Rubiko kubą ir jį užšifruotume atlikdami bet kokius judesius, vis tiek būtų įmanoma jį išspręsti. Kadangi po kiekvieno mūsų atlikto judesio Rubiko kubas vis tiek lieka išsprendžiamas, galime sakyti, kad šie judesiai yra Rubiko kubo "simetrijos". Kartu jie sudaro vadinamąją Rubiko kubo simetrijos grupę. Atlikus bet kurį iš šių judesių, galvosūkis nepasikeičia ir visada lieka išsprendžiamas. Tačiau galime pažeisti šią simetriją, pavyzdžiui, išardyti kubą ir vėl jį sudėti visiškai neteisingai. Nesvarbu, kokius ėjimus dabar bandysime atlikti, kubo išspręsti neįmanoma. Kubo išardymas ir sudėjimas atgal neteisingu būdu yra "išorinė jėga": Be šios išorinės jėgos jokie mūsų veiksmai su kubu nepadarys jo neišsprendžiamo. Rubiko kubo simetrija yra ta, kad jis išlieka išsprendžiamas, kad ir kokius judesius darytume, kol kubo neišardome.

Higso bozono sukūrimas

SU(2) simetrijos pažeidimo būdas vadinamas "spontaniniu simetrijos pažeidimu". Spontaniškas reiškia atsitiktinis arba netikėtas, simetrijos yra taisyklės, kurios yra keičiamos, o laužymas reiškia, kad simetrijos nebėra tokios pačios. Spontaniško SU(2) simetrijos pažeidimo rezultatas gali būti Higso bozonas.

Higgso efekto priežastis

Higso efektas atsiranda, nes gamta "linksta" į mažiausios energijos būseną. Higso efektas pasireikš, nes šalia Higso lauko esantys matuojamieji bozonai norės būti mažiausios energijos būsenose, o tai pažeistų bent vieną simetriją.

Norėdami pateisinti masės suteikimą būsimai be masei, mokslininkai buvo priversti padaryti kai ką neįprasto. Jie padarė prielaidą, kad vakuumas (tuščia erdvė) iš tikrųjų turi energijos, todėl jei į jį patektų dalelė, kurią laikome nemasine, vakuumo energija būtų perduota tai dalelei ir suteiktų jai masę. Matematikas Džefris Goldstonas įrodė, kad pažeidus simetriją (pavyzdžiui, Rubiko kubo simetrija būtų tokia, jei teigtumėte, kad kampai visada turi būti pasukti 0 arba 3 kartus, kad būtų išsprendžiami (tai veikia)), įvyks reakcija. Rubiko kubo atveju kubas taps neišsprendžiamas, jei bus pažeista jo simetrija. Higso lauko atveju susidaro kažkas, pavadintas Džefrio Goldstouno (ir kito su juo dirbusio mokslininko, vardu Joičiro Nambu) vardu - Nambu-Goldstouno bozonas. Tai yra sužadinta arba energinė vakuumo forma, kurią galima pavaizduoti grafike, atskleidžiančiame aukščiau pateiktą grafiką. Pirmasis tai paaiškino Piteris Higgsas.

Vadinamasis "meksikietiškos skrybėlės potencialas"

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra Higso laukas?

K.: Kokia fundamentalioji dalelė yra susijusi su Higgso lauku?

K: Kas atsitinka, kai dalelės sąveikauja su Higgso lauku?

K: Ar Higgso laukas sukuria masę?

K.: Kaip dalelė įgyja masę dėl Higgso lauko?

K: Kas nutiktų, jei Higgso laukas neegzistuotų?

K: Kas yra Higso efektas?

Paieška pagal raidę