Kaj je Higgsov bozon in zakaj so ga iskali?

Higgsov bozon v fiziki je elementarni delec, ki ima po mnenju znanstvenikov temeljno vlogo pri oblikovanju mase v vesolju. Potrditev ali opustitev obstoja tega delca je bil eden glavnih ciljev uporabe velikega hadronskega trkalnika (LHC) - najmočnejšega pospeševalnika delcev na svetu, ki se nahaja v Evropskem laboratoriju za fiziko osnovnih elementov (CERN) pri Ženevi.

Zakaj je bilo tako pomembno najti Higgsov bozon

V moderni fiziki osnovnih delcev obstaja nekaj standardnih modelov. Edini delček, ki ga ta model napoveduje in ga znanstveniki že dolgo iščejo, je imenovani bozon. Standardni model delcev (po eksperimentalnih podatkih) opisuje vse interakcije in transformacije med osnovnimi delci. Vendar pa je v tem modelu ostala edina "bela lisa" - pomanjkanje odgovora na vprašanje o izvoru mase. Pomen mase je nedvomen, saj bi bil brez njega vesolje povsem drugačno. Če elektronov ne bi imel mase, potem atomov in snovi ne bi bilo, ne bi bilo biologije in kemije, ne bi bilo človeka.

Da bi pojasnili pojem obstoja mase, je več fizikov, med katerimi je bil tudi Britanec Peter Higgs, v šestdesetih letih prejšnjega stoletja predstavil hipotezo o obstoju ti Higsovega polja. Po analogiji s fotonom, ki je del elektromagnetnega polja, Higgsovo polje zahteva tudi obstoj njegovega nosilnega deleža. Tako preproste besede so Higgsovi bozoni delci, iz katerih se oblikuje Higsovo polje.

Higgsov delec in polje, ki ga ustvarja

Vse elementarne delce lahko razdelimo v dve vrsti:

• Fermioni.
• Bozoni

Fermioni so tisti delci, ki tvorijo materijo, ki nam je znana, na primer protoni, elektroni in nevtroni. Bozoni so osnovni delci, ki povzročajo obstoj različnih vrst interakcij med fermioni. Na primer, bozoni so foton - nosilec elektromagnetne interakcije, gluon je nosilec močne ali jedrne interakcije, bozoni Z in W, ki sta odgovorni za šibko interakcijo, to je za transformacije med osnovnimi delci.

Ko govorimo preprosto o Higgsovem bozonu in pomenu hipoteze, ki pojasnjuje nastanek mase, je treba predpostaviti, da so ti bozoni porazdeljeni v vesolju in tvorijo neprekinjeno Higsovo polje. Ko telo, atom ali elementarni delec doživijo "trenje" o tem polju, to je interakcijo z njim, se ta interakcija manifestira kot obstoj mase v danem telesu ali deležu. Močnejše telo "drgne" delce na Higsovo polje, večja je njegova masa.

Kako lahko najdete in kje izkopati Higgsov bozon

Tega bozona ni mogoče odkriti na neposreden način, saj se (po teoretičnih podatkih) po njegovem pojavu takoj razpade v druge bolj stabilne elementarne delce. Toda delci, ki so se pojavili po razpadu Higgsovega bozona, je mogoče že odkriti. So "sledi", ki kažejo na obstoj tega pomembnega delca.

Znanstveniki, da bi odkrili delce Higgsovih bozonov, so trčili z visoko energijskimi protonskimi žarki. Ogromna energija protonov pri trku je sposobna preiti v maso, v skladu z dobro znano Albert Einsteinovo enačbo E = mc ² . V območju trka protonov v trkalniku obstaja veliko detektorjev, ki omogočajo beleženje videza in razpadanja vseh delcev.

Teoretično masa Higgsovega bozona ni bila ugotovljena in določena je bila le njena vrednost. Za zaznavanje delcev so potrebni močni pospeševalniki. Veliki hadronski trkalnik (BAC) je trenutno najmočnejši pospeševalnik na Zemlji. Z njegovo pomočjo je bilo mogoče potiskati protone z energijo blizu 14 tetraelektronvoltov (TeV). Trenutno dela z energijami okrog 8 TeV. Toda tudi te energije so se izkazale za zadostne za odkrivanje Higgsovega bozona ali Božjega deleža, kot ga imenujejo tudi mnogi.

Naključni in realni dogodki

V fiziki elementarnih delcev je obstoj dogodka ocenjen z določeno verjetnostjo "sigma", ki določa naključnost ali realnost tega dogodka, pridobljenega v poskusu. Da bi povečali verjetnost dogodka, morate analizirati veliko količino podatkov. Iskanje in odkritje Higgsovega bozona je povezano s tako verjetnimi dogodki. Za zaznavanje tega deleža v LHC je bilo v eni sekundi ustvarjenih okoli 300 milijonov trkov, tako da je bila količina podatkov, ki jih je bilo treba analizirati, ogromna.

O resničnem opazovanju določenega dogodka lahko govorite z zaupanjem, če bo njegova "sigma" 5 ali več. To je enakovredno dogodku s kovancem (če ga vržete gor in bo padel rep 20-krat zapored). Ta rezultat ustreza verjetnosti, ki je manjša od 0,00006%.

Takoj ko se odkrije ta »nov« resnični dogodek, ga je treba podrobno preučiti z odgovorom na vprašanje, ali ta dogodek natančno ustreza Higgsovemu delcu ali pa je to kak drug delček. Za to je potrebno skrbno preučiti lastnosti razpadnih produktov tega novega delca in jih primerjati z rezultati teoretičnih napovedi.

BAC eksperimenti in odkrivanje mase delcev

Pri iskanju masnih delcev, ki so bili izvedeni na razstavljavcih LHC v Ženevi in ​​Tevatronu v Fermijevem laboratoriju v Združenih državah, je bilo ugotovljeno, da mora imeti Božji delček maso večjo od 114 Gv (GeV), če je izražena v ekvivalentu energije. Na primer, recimo, da masa enega protona ustreza približno 1 GeV. Drugi poskusi, ki so bili namenjeni iskanju tega delca, so ugotovili, da njegova masa ne sme preseči 158 GeV.

Prvi rezultati iskanja Higgsovega bozona v LHC so bili predstavljeni leta 2011, zahvaljujoč analizi podatkov, zbranih v koliderju za eno leto. V tem času sta bila izvedena dva glavna eksperimenta na tem problemu - ATLAS in CMS. Glede na te poskuse ima bozon maso med 116 in 130 GeV ali med 115 in 127 GeV. Zanimivo je omeniti, da je v obeh poskusih v LHC, po mnogih indikacijah, masa bozona v ozki regiji med 124 in 126 GeV.

Peter Higgs je skupaj s svojim kolegom Frankom Englertom 8. oktobra 2013 prejel Nobelovo nagrado za odkrivanje teoretičnega mehanizma za razumevanje obstoja mase v osnovnih delcih, kar je bilo potrjeno v eksperimentih ATLAS in CMS na LHC pri CERN (Ženeva), ko je bil ugotovljen eksperimentalno predviden bozon.

Pomen odkritja Higsovega delca za fiziko

S preprosto razlago o odkritju Higgsovega bozona lahko rečemo, da je označil začetek nove faze v fiziki osnovnih delcev, saj je ta dogodek omogočil nove načine za nadaljnje proučevanje pojavov vesolja. Na primer, preučevanje narave in značilnosti črne snovi, ki po splošnih ocenah znaša približno 23% celotnega znanega Univerzuma, a čigar lastnosti ostajajo tajne do danes. Odkritje božjega delca je omogočilo, da smo razmišljali in postavljali nove eksperimente v LHC, ki bodo pomagali razjasniti to vprašanje.

Lastnosti Bosona

Mnoge lastnosti Božjega delca, ki so opisane v standardnem modelu elementarnih delcev, so zdaj v celoti vzpostavljene. Ta bozon nima nič spina, nima električnega naboja in barve, zato ne vpliva na druge bozone, kot sta foton in gluon. Vendar pa je v interakciji z vsemi delci, ki imajo maso: kvarki, leptoni in bozoni šibkih interakcij Z in W. Večja kot je masa delcev, močneje je povezana z Higgsovim bozonom. Poleg tega je ta bozon antipartikel zase.

Teorija ne predvideva mase delca, njegove povprečne življenjske dobe in interakcije med bozoni. Te vrednosti je mogoče izmeriti le eksperimentalno. Rezultati poskusov na LHC v CERN (Ženeva) so pokazali, da masa tega delca leži v območju 125-126 GeV, njegova življenjska doba pa je približno ^10-22 sekund.

Odprti bozon in prostorska apokalipsa

Odkritje tega delca velja za enega najpomembnejših v celotni zgodovini človeštva. Eksperimenti s tem bozonom se nadaljujejo in znanstveniki dobijo nove rezultate. Eden od njih je dejstvo, da lahko bozon vodi vesolje do smrti. Poleg tega se je ta proces že začel (po mnenju znanstvenikov). Bistvo problema je naslednje: Higgsov bozon se lahko sam sesuje v katerem koli delu vesolja. To bo ustvarilo energetski mehurček, ki se postopoma širi in absorbira vse na svoji poti.

Na vprašanje, ali je konec sveta, se vsak znanstvenik odziva pozitivno. Dejstvo je, da obstaja teorija, imenovana "Star model". Postavlja očitno izjavo: vse ima svoj začetek in konec. V skladu s sodobnimi koncepti bo konec vesolja izgledal takole: pospešena ekspanzija vesolja vodi do razpršitve materije v prostoru. Ta proces se bo nadaljeval, dokler ne bo izginila zadnja zvezda, po kateri bo vesolje padlo v večno temo. Po tem, koliko se to zgodi, nihče ne ve.

Z odkritjem Higgsovega bozona se je pojavila še ena teorija sodobnega dne. Dejstvo je, da nekateri fiziki verjamejo, da je pridobljena masa bozona ena od možnih časovnih mas, njene druge vrednosti obstajajo. Te masne vrednosti se lahko uresničijo tudi, ker je (na preprost način) Higgsov bozon osnovni delček, ki lahko kaže valovne lastnosti. To pomeni, da obstaja verjetnost njegovega prehoda v bolj stabilno stanje, ki ustreza večji masi. Če pride do takega prehoda, bodo vsi naravni zakoni, ki jih pozna človek, sprejeli drugačen pogled, zato bo prišel konec znanega vesolja. Poleg tega bi se ta proces lahko že zgodil v katerem koli delu vesolja. Človeštvo nima veliko časa za svoj obstoj.

Koristi LHC in drugih pospeševalnikov delcev za družbo

Tehnologije, ki se razvijajo za pospeševalnike delcev, so koristne tudi za medicino, računalništvo, industrijo in okolje. Na primer, za medicinske diagnostične tehnologije se lahko uporabijo kolidarski magneti, izdelani iz superprevodnih materialov, s katerimi se lahko pospešijo osnovni delci. V pozitronski tomografiji lahko uporabimo sodobne detektorje različnih delcev, ki nastanejo v koliderju (pozitron je antičnik elektrona). Poleg tega je mogoče tehnologijo oblikovanja nosilcev iz osnovnih delcev v LHC uporabiti za zdravljenje različnih bolezni, na primer rakavih tumorjev.

Glede koristi raziskav z uporabo LAB v CERN-u (Ženeva) za informacijsko tehnologijo je treba povedati, da globalni računalniški sistem GRID, kot tudi internet sam, v mnogih pogledih dolguje svoj razvoj eksperimentom s pospeševalniki delcev, ki proizvajajo ogromno podatkov. Potreba po izmenjavi teh podatkov med znanstveniki po vsem svetu je pri CERN-u ustvarila Tim Burnels-Lee iz svetovnega spleta (WWW), na katerem temelji internet.

Žarki delcev, ki so bili oblikovani in oblikovani v različnih vrstah pospeševalnikov, se danes v industriji široko uporabljajo za preučevanje lastnosti novih materialov, strukture bioloških objektov in izdelkov kemične industrije. Dosežki fizike osnovnih delcev se uporabljajo za izdelavo panelov sončne energije, za obdelavo radioaktivnih odpadkov itd.

Vpliv odkritja Higsovega deleža na literaturo, film in glasbo

Naslednja dejstva pričajo o senzacionalni novici o odkritju delcev mase v fiziki:

• Po odkritju tega delca, popularna znanstvena knjiga "Božja delca: če je vesolje odgovor, kakšno je vprašanje?" Leo Liderman. Fiziki verjamejo, da je imenovanje Higgsovega bozona delček Boga pretiravanje.
• V filmu "Angeli in demoni", ki temelji na knjigi z istim imenom, se uporablja tudi ime bozona "Božji delček".
• V znanstvenofantastičnem filmu "Solaris", v katerem so glavni junaki George Clooney in Natasha Makehone, je teorija napredna, ki omenja Higsovo polje in njegovo pomembno vlogo pri stabilizaciji subatomskih delcev.
• V znanstvenofantastični knjigi "Flashforward", ki jo je leta 1999 napisal Robert Sawyer, sta dva znanstvenika postala vzrok globalne katastrofe, ko sta postavila poskuse na Higgsovem bozonu.
• Španska serija "The Ark" pripoveduje o globalni katastrofi, v kateri so bili vsi kontinenti poplavljeni zaradi poskusov na Velikem hadronskem trkalniku, in preživeli so le ljudje na ladji "Polar Star".
• Glasbeni bend iz Madrida "Aviador Dro" je v svojem albumu "The Voice of Science" posvečal pesem najdenemu masovnemu bozonu.
• Avstralski pevec Nick Cave v svojem albumu "Push the Sky Away" je ena od pesmi z naslovom "The Blue Higgs Boson".