Me kaikki tiedämme ja rakastamme Higgsin bosonia - joka fyysikkojen kurjuudelle on mediassa virheellisesti merkitty "Jumalan partikkeliksi" - subatomiseksi hiukkaseksi, joka havaittiin ensimmäistä kertaa LHC: ssä vuonna 2012. Tämä partikkeli on pala kentän, joka läpäisee kaiken avaruus-ajan; se on vuorovaikutuksessa monien hiukkasten, kuten elektronien ja kvarkkien kanssa, tuottaen näille hiukkasille massaa, joka on aika viileää.
Mutta havaitsemamme Higgs oli yllättävän kevyt. Parhaiden arvioidemme mukaan sen olisi pitänyt olla paljon raskaampi. Tämä avaa mielenkiintoisen kysymyksen: Toki, huomasimme Higgsin bosonin, mutta oliko se ainoa Higgsin boson? Onko kelluvia enemmän tekemässä omia asioita?
Vaikka meillä ei ole vielä todisteita raskaammasta Higgsistä, tutkijaryhmä, joka työskentelee LHC: ssä, joka on maailman suurin atominpuristaja, pohtii tätä kysymystä puhumme. Ja on puhetta siitä, että kun protonit murskataan yhteen rengasmaisen törmäyslaitteen sisällä, mojovat Higgs ja jopa Higgs-hiukkaset, jotka koostuvat erityyppisistä Higgeistä, voisivat tulla piiloon.
Jos raskasta Higgsia todellakin on, niin meidän on muokattava ymmärryksemme hiukkasfysiikan standardimallista uudella tavalla havaitulla tavalla, että Higgsiä on paljon enemmän kuin silmään tulee. Ja noissa monimutkaisissa vuorovaikutuksissa voi olla johtolankaa kaikkeen aavemaisen neutriinohiukkasen massasta universumin lopulliseen kohtaloon.
Kaikki bosonista
Ilman Higgsin bosonia, melkein koko vakiomalli kaatuu. Mutta puhuaksesi Higgsin bosonista meidän on ensin ymmärrettävä, kuinka standardimalli näkee maailmankaikkeuden.
Parhaimmassa käsityksessämme alaatomisesta maailmasta standardimallia käyttämällä se, mitä pidämme hiukkasina, eivät oikeastaan ole kovin tärkeitä. Sen sijaan on kenttiä. Nämä kentät tunkeutuvat ja imevät kaiken tilan ja ajan. Kullakin hiukkaslajilla on yksi kenttä. Joten, siellä on kenttä elektroneille, kenttä fotoneille ja niin edelleen ja niin edelleen. Se, mitä ajattelet hiukkasiksi, ovat todella paikallisia pieniä värähtelyjä tietyillä aloilla. Ja kun hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa (toisin sanoen poistumalla toisistaan), juuri kentän värähtelyt todella tanssivat hyvin monimutkaista.
Higgsin bosonilla on erityinen kenttä. Kuten muutkin kentät, se läpäisee kaiken tilan ja ajan, ja saa myös puhua ja leikkiä kaikkien muiden kenttien kanssa.
Mutta Higgsin kentällä on kaksi erittäin tärkeää tehtävää, joita ei voida saavuttaa millään muulla alalla.
Sen ensimmäinen tehtävä on puhua heikkojen ydinvoimien kantajien W- ja Z-bosoneille (kunkin kentän kautta). Puhumalla näiden muiden bosonien kanssa Higgs pystyy antamaan heille massaa ja varmistamaan, että ne pysyvät erillään fotoneista, sähkömagneettisen voiman kantajista. Ilman Higgsin bosonin toimintahäiriöitä kaikki nämä kantoaallot sulautuvat yhteen ja nämä kaksi voimaa sulautuvat yhteen.
Higgs-bosonin toinen tehtävä on puhua muiden hiukkasten, kuten elektronien, kanssa; näiden keskustelujen kautta se antaa heille myös massaa. Tämä kaikki toimii hienosti, koska meillä ei ole muuta tapaa selittää näiden hiukkasten massoja.
Kevyt ja raskas
Tämä kaikki tehtiin 1960-luvulla monimutkaisten mutta varmasti tyylikkäiden matematiikoiden avulla, mutta teoriaan liittyy vain yksi pieni kiinnitys: Ei ole mitään todellista tapaa ennustaa Higgsin bosonin tarkkaa massaa. Toisin sanoen, kun menet etsimään hiukkasta (joka on paljon suuremman kentän pieni paikallista värähtelyä) hiukkaskolarittajassa, et tiedä tarkalleen mitä ja mistä löydät sen.
Vuonna 2012 LHC: n tutkijat ilmoittivat Higgs-bosonin löytöstä löydettyään muutamia Higgsin kenttää edustavista hiukkasista, kun protonit oli murskattu toisiinsa lähes valon nopeudella. Näiden hiukkasten massa oli 125 gigaelektronvolttia (GeV) tai suunnilleen yhtä suuri kuin 125 protonia - joten se on tavallaan raskasta, mutta ei uskomattoman suurta.
Ensi silmäyksellä kaikki kuulostaa hyvältä. Fyysikoilla ei oikeastaan ollut tarkkaa ennustetta Higgsin bosonin massalle, joten se voi olla mikä tahansa, mitä se halusi olla; sattumalta löysimme massan LHC: n energia-alueella. Puhdista kupla, ja alamme juhlia.
Lukuun ottamatta sitä, että on olemassa joitain epäröiviä, eräänlaisia puoliprognooseja Higgsin bosonin massasta sen mukaan, miten se toimii yhdessä toisen hiukkasen, ylimmän kvarkin kanssa. Nämä laskelmat ennustavat, että lukumäärä on suurempi kuin 125 GeV. Voi vain olla, että nuo ennusteet ovat vääriä, mutta sitten meidän on kiertävä takaisin matematiikkaan ja selvitettävä, mihin asiat menevät. Tai laajojen ennusteiden ja LHC: n sisällön todellisuuden välinen epäsuhta voi tarkoittaa, että Higgsin bosonin tarinassa on enemmän.
Valtava Higgs
Siellä voi olla hyvinkin koko joukko Higgsin bosoneja, jotka ovat liian raskaita näkemään nykyisen hiukkaskohdistimien sukupolven kanssa. (Massaenergia-asia palaa Einsteinin kuuluisaan E = mc ^ 2 -yhtälöön, joka osoittaa, että energia on massaa ja massa on energiaa. Mitä suurempi hiukkasen massa on, sitä enemmän energiaa sillä on ja sitä enemmän energiaa tarvitaan tämän tuulen luomiseen asia.)
Itse asiassa jotkut spekulatiiviset teoriat, jotka työntävät fysiikan tietomme standardimallin ulkopuolelle, ennustavat näiden raskaiden Higgs-bosonien olemassaolon. Näiden ylimääräisten Higgs-merkkien tarkka luonne riippuu tietenkin teoriasta, aina välillä yhdestä tai kahdesta erityisen painavasta Higgs-kentästä jopa komposiittirakenteisiin, jotka on valmistettu useista erilaisista Higgs-bosoneista.
Teoreetikot työskentelevät ahkerasti yrittäessään löytää mahdollisen tavan testata näitä teorioita, koska suurin osa heistä on yksinkertaisesti saavuttamattomia nykyisiin kokeisiin. Äskettäisessä artikkelissa, joka toimitettiin Journal of High Energy Physics -julkaisulle ja julkaistu verkossa preprint-lehdessä arXiv, fyysikkojen ryhmä on esittänyt ehdotuksen etsiä enemmän Higgsin bosoneja olemassa olevan perustan perusteella, jolla hiukkaset saattavat hajota vaaleammat, helpommin tunnistettavat hiukkaset, kuten elektronit, neutriinot ja fotonit. Nämä rappeutumiset ovat kuitenkin erittäin harvinaisia, joten vaikka löydämme ne periaatteessa LHC: ltä, vie vielä paljon vuosia etsimättä tarpeeksi tietoa.
Kun kyse on raskaasta Higgsista, meidän on vain oltava kärsivällisiä.
