Me kõik teame ja armastame Higgsi bosoni - mida füüsikute kurjuseks on meedias ekslikult nimetatud "jumala osakeseks" - subatomiliseks osakeseks, mis ilmus esmakordselt 2012. aastal suures hadronite põrkeseadises (LHC). See osake on tükk väljast, mis tungib läbi kogu aegruumi; see interakteerub paljude osakestega, nagu elektronid ja kvargid, andes neile osakestele massi, mis on päris lahe.
Kuid Higgs, mida me märkasime, oli üllatavalt kerge. Meie parimate hinnangute kohaselt oleks see pidanud olema palju raskem. See avab huvitava küsimuse: Muidugi, me märkasime Higgsi bosoni, kuid kas see oli ainus Higgsi boson? Kas seal on rohkem asju, kes teevad omi asju?
Ehkki meil pole veel ühtegi tõendit raskema Higgsi kohta, tegeleb maailma suurima aatomite purustaja LHC juures tegutsev teadlaste meeskond selle küsimusega, nagu me räägime. Ja seal räägitakse, et kui prootonid on rõngakujulises kokkupõrkes kokku purustatud, võivad peituda kopsakad Higgsi ja isegi erinevat tüüpi Higgidest koosnevad Higgsi osakesed.
Kui raske Higgs tõepoolest eksisteerib, siis peame oma arusaama osakeste füüsika standardmudelist ümber seadma nii, et ta leiaks, et Higgsi on palju enamat kui silmast silma. Ja nendes keerulistes interaktsioonides võib olla aimugi kõigele alates kummitusliku neutriinoosakeste massist kuni universumi lõpliku saatuseni.
Kõik bosoni kohta
Ilma Higgsi bosonita jookseb peaaegu kogu standardmudel kokku. Kuid Higgsi bosonist rääkimiseks peame kõigepealt mõistma, kuidas standardmudel universumit vaatab.
Meie parimate standardmudelit kasutavate subatomaatomaailma ettekujutuste puhul pole see, mida me osakesteks peame, tegelikult väga olulised. Selle asemel on põllud. Need väljad läbistavad ja imendavad kogu ruumi ja aega. Iga osakese liigi jaoks on üks väli. Niisiis, seal on elektronide väli, footonite väli jne ja nii edasi. See, mida arvate osakestena, on tõesti väikesed kohalikud vibratsioonid nende konkreetsetes väljades. Ja kui osakesed interakteeruvad (ütleme näiteks üksteiselt ära põrgates), teevad tõesti põldude vibratsioonid väga keeruka tantsu.
Higgsi bosonil on eriline väli. Nagu teisedki väljad, läbistab see kogu ruumi ja aja ning saab ka rääkida ja mängida kõigi teiste väljadega.
Kuid Higgsi väljal on kaks väga olulist tööd, mida ükski teine valdkond ei saavuta.
Selle esimene ülesanne on rääkida nõrga tuumajõu kandjatega W ja Z bosonitega (nende vastavate väljade kaudu). Nende teiste bosonidega rääkides suudab Higgs anda neile massi ja veenduda, et nad püsivad footonitest, elektromagnetilise jõu kandjatest, eraldatuna. Ilma Higgsi bosoni töötamise häireteta liidetakse kõik need kandjad kokku ja need kaks jõudu ühinevad.
Higgsi bosoni teine ülesanne on rääkida teiste osakestega, näiteks elektronidega; nende vestluste kaudu annab see neile ka massi. See kõik sujub kenasti, sest meil pole muud võimalust nende osakeste massi selgitada.
Kerge ja raske
See kõik töötati 1960. aastatel välja keeruka, kuid kindlalt elegantse matemaatika abil, kuid teooriale on lisatud vaid üks pisike tõik: puudub reaalne viis Higgsi bosoni täpset massi ennustada. Teisisõnu, kui lähete osakeste (mis on palju suurema välja väike lokaalne vibratsioon) otsimiseks osakeste põrkeseadmesse, ei tea te täpselt, mida ja kust te selle leiate.
Aastal 2012 teatasid LHC teadlased Higgsi bosoni avastamisest pärast seda, kui leidsid mõned Higgsi välja esindavad osakesed, kui prootonid olid purustatud üksteisega peaaegu valguse kiirusel. Nende osakeste mass oli 125 gigaelektronvolti (GeV) ehk umbes samaväärne 125 prootoniga - seega on see omamoodi raske, kuid mitte uskumatult tohutu.
Esmapilgul kõlab kõik see hästi. Füüsikutel polnud tegelikult Higgsi bosoni massi kohta kindlat ennustust, nii et see võib olla ükskõik, mis ta tahtis olla; juhtusime, et leidsime massi LHC energiavahemikust. Murra mulli välja ja hakkame tähistama.
Välja arvatud see, et Higgsi bosoni massi kohta on mõned kõhklevad, omamoodi poolprognoosid selle põhjal, kuidas see interakteerub veel ühe osakese, ülemise kvargiga. Need arvutused ennustavad mitu korda kõrgemat kui 125 GeV. Võib juhtuda, et need ennustused on valed, kuid siis peame ringlema tagasi matemaatika juurde ja välja mõtlema, kuhu asjad lähevad. Või võib laiaulatuslike ennustuste ja LHC-st leitu reaalsuse mittevastavus tähendada, et Higgsi bosonilugu on rohkem.
Tohutu Higgs
Seal võib väga hästi olla terve hulk Higgsi bosone, mis on meie praeguse osakeste põrkeseadme põlvkonna jaoks liiga rasked. (Mass-energia asi ulatub tagasi Einsteini kuulsasse E = mc ^ 2 võrrandisse, mis näitab, et energia on mass ja mass on energia. Mida suurem on osakese mass, seda rohkem energiat sellel on ja seda rohkem energiat selle kopsaka loomiseks kulub) asi.)
Tegelikult ennustavad mõned spekulatiivsed teooriad, mis lükkavad meie teadmised füüsikast kaugemale standardmudelist, nende raskete Higgsi bosonite olemasolu. Nende täiendavate Higgsi märkide täpne olemus sõltub muidugi teooriast, ulatudes lihtsalt ühest või kahest üliraskest Higgsi väljast kuni isegi mitmest erinevat tüüpi Higgsi bosonist koosnevate komposiitstruktuurideni.
Teoreetikud üritavad nende teooriate kontrollimiseks leida võimalikku viisi, kuna enamik neist on praegustele katsetele lihtsalt ligipääsmatud. Hiljutises ajakirjas High Energy Physics esitatud ja veebis avaldatud eeltrükiajakirjas arXiv avaldatud dokumendis esitas füüsikute meeskond ettepaneku otsida rohkem Higgsi bosoneid, mis põhinevad sellel, kuidas osakesed võivad laguneda kergemad, hõlpsamini äratuntavad osakesed, näiteks elektronid, neutriinod ja footonid. Need lagunemised on aga äärmiselt haruldased, nii et kuigi me leiame need põhimõtteliselt LHC-st, kulub veel palju aastaid otsimist, et koguda piisavalt andmeid.
Kui tegemist on raske Higgsiga, peame lihtsalt olema kannatlikud.
