Što je Higgsov bozon?

Što je Higgsov bozon? [8 minuta čitanja]

Što se dogodi kada materiju dijelimo u sve manje dijelove? Nakon nekog vremena doći ćemo do razine molekula i atoma. Daljnjim dijeljenjem dolazimo do elektrona i atomskih jezgri. Atomsku jezgru zatim dijelimo na protone i neutrone unutar kojih se nalaze kvarkovi.

U ovom trenutku dosegli smo razinu koju smatramo temeljem standardnog modela, naše trenutne teorije elementarnih čestica. Bez obzira s kojom materijom počnemo, u određenom trenutku završit ćemo s hrpom kvarkova i čestica kao što su elektroni.

Postoji šest tipova kvarkova:  gornji (up) i  donji (down) kvarkovi od kojih se sastoje protoni i neutroni i koji su znatno lakši, te teži kvarkovi  – čudni (strange), začarani (charm), dubinski(bottom) i vršni (top) kvark. Elektroni, s druge strane, pripadaju u drugu obitelj čestina nazvanu leptoni zajedno s taom i muonom i još tri leptona koji gotovo nemaju mase, a nazivaju se: elektonski neutrino, muonski neutrino i tau neutrino.

Svih 12 čestica materije, zajedno znani kao fermioni, imaju partnersku antičesticu (česticu identične mase, ali suprotnu u nekim drugim aspektima, kao što je električni naboj). I to je to! Čestice ne mogu biti manje od ovih.

Uredni uzorci čestica odgovaraju rezultatima eksperimenata, ali skrivaju zamršen problem. Sva materija ima svojstvo nazvano masom. Masa značajno varira, od neznatne mase neutrina pa sve do vršnih kvarkova. Odakle dolaze te razlike? Odakle dolazi sama masa?

RAZBIJANJE SIMETRIJE

U okviru standardnog modela, fermioni dolaze u kontakt preko sila prenesenih od strane čestica –bozona. U slučaju elektromagnetske sile, koja drži atome zajedno i prenosi struju u naše elektroničke uređaje, to su fotoni. Uzajamno djelovanje fotona s materijom ovisi o magnitudi fermionovog električkog naboja. Elektroni (električni naboj -1) snažnije osjećaj elektromagnetske sile od kavarkova  (naboj -⅓ ili +⅔).

Svaka vrsta kvarka može nositi tri moguća naboja jake sile, koji su, možda pretjerano maštovito , nazvani prema bojama, a predstavljaju brojčane vrijednosti naboja jake sile.  Jaka sila (ili jaka nuklearna sila) značajno je jača od elektromagnetske, a prenose ju gluoni koji također imaju naboj. Shodno tomu kvarkovi i gluoni nikada ne putuju slobodno. Dakle, jaka sila odgovorna je za to da drži kvarkove „slijepljenim“ zajedno unutar protona i neutrona, te da drži protone i neutrone tijesno nagurane u atomskoj jezgri.

Treća sila u standardnom modelu je slaba sila koja je najpoznatija po tomu što upravlja radioaktivnim raspadom tvari kao što su uranij i kobalt. Do slabosti sile dolazi jer njeni nositelji , W i Z bozoni, imaju vrlo velike mase – gotovo 100 puta veću masu nego proton. Stvaranje takve čestice zahtjeva mnogo energije.

Prilikom vrlo visokih energija – u prvom djeliću sekunde stvaranja svemira ili sudara u snažnom akceleratoru čestica –razlika među silama nestaje. Elektromagnetska i slaba sila postaju jedna jedinstvena elektroslaba sila.

Proces kojim se elektroslaba sila dijeli na elektromagnetsku i slabu silu poznat je kao razbijanje elektroslabe simetrije i on se morao dogoditi u početnim trenucima stvaranja svemira. Higgsov bozon je inicijalna hipoteza koja nam objašnjava kako je ta simetrija mogla biti razbijena.

ROĐENJE IDEJE

Razbijanje simetrije nije ograničeno samo na egzotične sile. Jedan od primjera iz svakodnevnoga života je hlađenje tekućine i njeno pretvaranje u kruto stanje. Ovdje je široko simetrično polje (kod kojeg sve izgleda isto bez obzira u koji smjer gledali kada je u pitanju tekućina) zamijenjeno poljem u kojem stvari izgledaju posve  drugačije uzduž bilo koje osi.

Šezdesetih godina prošloga stoljeća teoretičari su se počeli zapitkivati da li bi se alati razvijeni za opisivanje razbijanja gore navedene simetrije mogli primijeniti na čitav svemir? Ovo nije bio nimalo lagan zadatak. Interakcije molekula u tekućem ili krutom stanju mogu se definirati upućivanjem na stalni set koordinata, ali zahvaljujući Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti ne postoji takav standardni okvir unutar svemira.

U 1964. godini, belgijski teoretičari Robert Brout i Francois Englert osmislili su jednadžbe kvantnog polja koje će prevladavati u svemiru i razbiti elektroslabu simetriju dok je u skladu s teorijom relativnosti. Britanski fizičar Peter Higgs dao je isti prijedlog i istaknuo kako bi valovi u ovom polju preuzeli oblik nove čestice.  Kasnije iste te godine, Gerald Guralnik, Carl Hagen i Tom Kibble ujedinili su te ideje u realističniju teoriju koja je prethodnik teoriji standardnog modela.

Središnja točka onoga što je kasnije postalo poznato kao Higgsovo polje je ta da čak ni područja s najnižom energijom nisu prazna. Čestice putujući kroz svemir komuniciraju s poljima različitih stupnjeva i kreiraju masu.  W i Z bozoni stječu masu jednom vrstom interakcije s ovim poljem, dok fermioni rade isto drugom vrstom interakcije. Budući da Higgsovo polje nema naboj, fotoni i gluoni nemaju interakcija s njim i  ostaju bez mase.  Daljnjim teorijskim i eksperimentalnim razvojem znanstvenici su utvrdili kako masa Higgsova bozona mora biti između 100 i 400 gigaelektronvolta. Za eksperimentiranje s takvom masom biti će potreban uistinu velik stroj.

VELIKI HADRONSKI SUDARAČ

Jedna od posljedica proslavljene Einsteinove jednadžbe koja povezuje energiju i masu (E=mc²) je otpuštanje energije  prilikom sudara masivnih čestice pri velikim brzinama. Ta energija može se koristiti kako bi stvorili drugu česticu velike mase. Veliki hadronski sudarač (LHC) u CERNu  (Geneva, Švicarska) dvije godine je većinom radio na sudaranju protona.  LHC je smješten u 27 kilometara dugom tunelu prstenastog oblika.  Do trenutka sudara protoni  postignu 99,999999991 posto brzine svjetlosti, dok četiri velika detektora bilježe rezultate.

Higgsov bozon je čestica kratkog vijeka koja propada neposredno nakon pojave. Kako bi izveli određene zaključke iz njene prisutnosti, moramo mjeriti propadanje. Na svu sreću, standardni model predviđa sve što trebamo znati o Higgsovu bozonu, osim precizne mase. Za svaku moguću masu, možemo predvidjeti broj Higgsovih čestica koji bi LHC trebao proizvesti.

JESMO LI PRONAŠLI HIGGSOV BOZONU?

Već 4.7.2012. dobili  smo veliku i medijski popraćenu vijest o otkrivanju „Božje čestice“. Znanstvenici su ipak ostali dijelom skeptični, nesigurni da li je pronađena čestica (koja je zasigurno bozon) upravo Higgsov bozon. Daljnjom obradom podataka u narednih godinu dana fizičari su potvrdili kako je riječ upravo o Higgsovom bozonu. Ovom zaključku prethodilo je okupljanje fizičara na Moriondo konferenciji u Italiji gdje su predstavljeni detaljniji rezultati obrade podataka. Za sada još nije potpuno razriješeno o kojoj vrsti Higgsova bozona je riječ. Da li je riječ o Higgsovu bozonu iz standardnog modela ili je riječ o nekoj egzotičnoj čestici (vjerojatno najlakšem bozonu predviđenom od drugih teorija)?

Kada LHC ponovno započne s radom, vjerojatno početkom 2015., provodit će sudare s gotovo dvostruko više energije nego prije nadogradnje. Ova nadogradnja omogućit će ispitivanje nekih svojstava (kao što je spin) koji bi mogli sa sigurnošću potvrditi da je uistinu riječ o čestici koja daje masu drugim česticama.