Higgsov bozon

Prethodni članak je donio uvod u teoriju o eventualnom postojanju Higgsove čestice i njenom utjecaju na materiju kakvu imamo u svemiru. Što je Higgsov bozon i njegov mehanizam je već iznesen, a ovaj članak donosi pregled razvoja matematičke pozadine ovog fenomena. Pročitajte kako je razvijana teorija postojanja Higgsovog bozona.

Razvoj matematičke pozadine

U matematici kvantne mehanike objašnjenje stvaranja i poništavanja elementarnih čestica, kakvo je promatrano u akceleratorima, nastaje iz «polja» raširenih po prostoru i vremenu. Higgs je našao da parametri u jednadžbama za polje pridruženo čestici H se mogu izabrati na način da je najniže energijsko stanje tog polja (prazan prostor) je ono sa poljem ne-nula. Iznenađujuće je da je polje ne-nula u praznom prostoru, ali rezultat, neočigledan, je: sve čestice mogu interagirati sa H i steći masu iz interakcije.

Teoretski fizičari uvijek teže prema unifikaciji. Newton je prepoznao da pad jabuke, plima i oseka te kruženje planeta su sve aspekti jednog fenomena – gravitacije. Maxwell je unificirao elektricitet, magnetizam i svjetlost. Svaka sinteza proširuje naše razumijevanje i vodi do novih primjena.

1960-tih godina je sazrilo vrijeme za novi korak. Imali smo zapanjujuće točnu teoriju elektromagnetskih sila i kvantne elektrodinamike. U njoj se elektromagnetske sile gledaju kao posljedica izmjene fotona (paketa elektromagnetskih valova) između električki nabijenih čestica. (razlika između čestice i vala je nestala u kvantnoj teoriji). Slabe sile, koje sudjeluju u radioaktivnosti u Sunčevom «generatoru», su u mnogo načina slične, osim što su mnogo slabije i ograničene u dosegu. Lijepa teorija ujedinjenja slabe i elektromagnetske sile je predstavljena 1967. Prezentirali su je Steven Weinberg i Abdus Salam (neovisno). Slabe sile nastaju izmjenom W i Z čestica. Njihov kratak doseg i slabost je posljedica toga što su W i Z, za razliku od fotona, vrlo masivne čestice, čak 100 puta teže od atoma vodika.
«Elektroslaba» teorija je uvjerljivo potvrđena, pogotovo otkrićem W i Z čestica u CERN-u 1983. i mnogim testovima njihovih karakteristika. Ipak, porijeklo njihovih masa ostaje neriješena tajna. Naša najbolja pretpostavka je Higgsov mehanizam – ali taj aspekt teorije još nije testiran.

Fundamentalna teorija izlaže lijepu simetriju između W, Z i fotona, ali to je spontano razbijena simetrija. Spontano razbijanje simetrije je sveprisutan fenomen. Npr. olovka balansirana na vrhu pokazuje potpunu rotacijsku simetriju – izgleda jednako sa svih strana – ali kada pada, to mora biti u nekom određenom smjeru, razbijajući simetriju. Mi smatramo da mase W i Z izranjaju preko sličnog mehanizma. Kao da su olovke po svuda u Svemiru, čak i u vakuumu. (naravno, to nisu realne fizikalne olovke – one predstavljaju Higgsovo polje – niti je njihov smjer smjer u realnom fizikalnom prostoru, ali analogija je dovoljno blizu). Olovke su sve sparene zajedno, tako da padaju u istom smjeru. Njihova prisutnost vakuumu utječe na valove koji kroz njih putuju. Valovi naravno imaju smjer u prostoru, ali također imaju «smjer» i u konceptualnom prostoru. U nekim «smjerovima» valovi moraju pomaknuti i olovke, što ih čini sporijima. Ti valovi su W i Z kvanti.

Teorija se može testirati jer sugerira da može postojati drugačija vrsta valova, val u samoj olovci, gdje se odbijaju gore-dolje. Taj val je Higgsova čestica. Njen pronalazak bi potvrdio da zaista razumijemo porijeklo mase i dopustio nam da damo završni dodir elektroslaboj teoriji, popunjavajući preostale praznine.

Kada teorije jednom bude gotova, možemo se nadati da možemo dalje graditi na njoj: krajnji cilj je unificiranje teorije uključujući također i jaku interakciju koja veže protone i neutrone u atomsku jezgru i čak i gravitaciju, naizgled silu najtežu da ujedinjenje u shemu unifikacije.

Postoje jake naznake da je sinteza velikog ujedinjenja moguća, ali su detalji i dalje prilično nejasni. Pronalazak Higgsa bi dao vrlo važan trag prirodi velike sinteze.

Slijedi da matematika povezuje postojanje H sa doprinosom masi svih čestica s kojima H interagira. Slika koja odgovara matematici je ona najnižeg energijskog stanja – praznog prostora, imajući obilježja H čestice bez vlastite energije. Ostale čestice dobiju masu interakcijom sa tom kolekcijom nul-energetskih H čestica. Masa (inercija ili otpor gibanju) čestice dolazi od toga što je ona «uhvaćena» od Higgsove čestice kada je pokušamo pokrenuti.

Znamo iz kvantne teorije da polja imaju pridružene čestice. Čestica za elektromagnetsko polje je foton. Mora, dakle, postojati i čestica pridružena Higgsovom polju i ona se naziva Higgsov bozon. Pronalazak Higgsovog bozona je ključan za rješenje nedoumice o postojanju Higgsovog polja, naše najbolje hipoteze o porijeklu mase.

Ova pitanja, mehanizam pomoću kojeg čestice stječu masu te veza među različitim silama prirode, su velika i toliko temeljna što se tiče razumijevanja konstituenata materije i sila među njima, da je teško vidjeti kako možemo ići naprijed u saznavanju stvari od kojih je Zemlja napravljena, ako na njih prethodno ne odgovorimo.

Higgsova sposobnost ispunjavanja prostora svojom misterioznom prisutnošću je važna komponenta u ambicioznijim teorijama u tome kako je nastao Svemir iz neke početne kvantne fluktuacije i zašto Svemir preferira biti ispunjen materijom radije nego anti-materijom; tj. zašto postoji nešto radije nego ništa. Da bi ove ideje proveli rigoroznije i zaista izbacili cijelu sliku, moramo naći dokaz za Higgsovo polje iz prve ruke, drugim riječima – pronaći Higgsov bozon. Koliko postoji Higgsovih čestica? Jesu li i one izrađene od još elementarnijih komponenti? Najbitnije pitanje: koliko je teška ta čestica? Naše trenutno znanje može njegovu masu smjestiti negdje između mase atoma željeza i urana. Ovo je potpuno novi oblik materije o čijoj prirodi imamo tek nejasna nagađanja i njeno je otkriće najuzbudljiviji vidik u suvremenoj fizici čestica.