Czym jest bozon Higgsa i dlaczego go szukano?

Bozon Higgsa w fizyce jest cząstką elementarną, która według naukowców odgrywa fundamentalną rolę w tworzeniu masy we Wszechświecie. Potwierdzenie lub obalenie istnienia tej cząstki było jednym z głównych celów wykorzystania Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) - najpotężniejszego akceleratora cząstek na świecie, który znajduje się w Europejskim Laboratorium Fizyki Elementarnych Cząstek (CERN) pod Genewą.

Dlaczego tak ważne było znalezienie bozonu Higgsa

We współczesnej elementarnej fizyce cząstek istnieje pewien standardowy model. Jedyną cząstką, którą ten model przewiduje i którą naukowcy próbowali znaleźć od dawna, jest nazwany bozon. Standardowy model cząstek (według danych eksperymentalnych) opisuje wszystkie interakcje i transformacje między cząstkami elementarnymi. Jednak jedyna "biała plama" w tym modelu pozostała - brak odpowiedzi na pytanie o pochodzenie masy. Znaczenie masy jest ponad wszelką wątpliwość, ponieważ bez niej Wszechświat byłby zupełnie inny. Gdyby elektron nie miał masy, wówczas nie byłoby atomów i materii, nie byłoby biologii i chemii, w końcu nie byłoby człowieka.

Aby wyjaśnić koncepcję istnienia masy, kilku fizyków, wśród których był brytyjczyk Peter Higgs, w latach 60. ubiegłego wieku wysunęło hipotezę o istnieniu tak zwanego pola Higgsa. Analogicznie do fotonu, który jest cząstką pola elektromagnetycznego, pole Higgsa wymaga również istnienia jego cząstki nośnej. Tak więc, prostymi słowami, bozonami Higgsa są cząstki, z których powstaje pole Higgsa.

Cząstka Higgsa i pole, które tworzy

Wszystkie cząstki elementarne można podzielić na dwa typy:

• Fermiony.
• Bosons

Fermiony to cząstki, które tworzą materię znaną nam, na przykład protony, elektrony i neutrony. Bozony są cząstkami elementarnymi, które powodują istnienie różnych rodzajów interakcji między fermionami. Na przykład bozonami są fotony - nośnik oddziaływań elektromagnetycznych, gluon jest nośnikiem oddziaływań silnych lub jądrowych, bozonów Z i W, które są odpowiedzialne za słabe oddziaływanie, to znaczy za przemiany między cząstkami elementarnymi.

Mówiąc w uproszczeniu o bozonie Higgsa i znaczeniu hipotezy, która wyjaśnia pojawienie się masy, należy przyjąć, że bozonony te są rozmieszczone w przestrzeni Wszechświata i tworzą ciągłe pole Higgsa. Kiedy ciało, atom lub cząstka elementarna doświadczają "tarcia" o tym polu, to znaczy wchodzą w interakcje z nim, to interakcja przejawia się jako istnienie masy w danym ciele lub cząstce. Im silniejsze ciało "ociera" cząstkę na polu Higgsa, tym większa jest jej masa.

Jak znaleźć i gdzie wykopać bozon Higgsa

Tego bozonu nie można wykryć w sposób bezpośredni, ponieważ (według danych teoretycznych) po jego pojawieniu się, natychmiast rozpada się na inne, bardziej stabilne cząstki elementarne. Ale cząstki, które pojawiły się po rozpadzie bozonu Higgsa można już wykryć. Są to "ślady", wskazujące na istnienie tej ważnej cząstki.

Naukowcy, w celu wykrycia cząstki bozonu Higgsa, zderzyli wysokoenergetyczne wiązki protonów. Ogromna energia protonów w zderzeniu może przechodzić w masę, zgodnie ze znanym równaniem Alberta Einsteina E = mc ² . W strefie zderzenia protonów w zderzaczu znajduje się wiele detektorów, które pozwalają rejestrować wygląd i rozpad cząstek.

Teoretycznie masa bozonu Higgsa nie została ustalona i ustalono tylko możliwy zestaw jego wartości. Do wykrywania cząstek wymagane są silne akceleratory. Wielki Zderzacz Hadronów (BAC) to obecnie najpotężniejszy akcelerator na Ziemi. Przy jego pomocy możliwe było wypychanie protonów energią bliską 14 teteksektronowoltów (TeV). Obecnie pracuje z energiami około 8 TeV. Ale nawet te energie okazały się wystarczające do wykrycia bozonu Higgsa lub cząstki Bożej, jak to jest również przez wielu nazwane.

Przypadkowe i prawdziwe wydarzenia

W fizyce cząstek elementarnych istnienie zdarzenia jest szacowane z pewnym prawdopodobieństwem "sigma", które określa przypadkowość lub rzeczywistość tego zdarzenia uzyskanego w eksperymencie. Aby zwiększyć prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzenia, musisz przeanalizować dużą ilość danych. Poszukiwanie i odkrywanie bozonów Higgsa wiąże się z takimi prawdopodobnymi zdarzeniami. Aby wykryć tę cząsteczkę w LHC, w ciągu jednej sekundy wygenerowano około 300 milionów kolizji, więc ilość danych, które wymagały analizy, była ogromna.

Możesz mówić o faktycznej obserwacji określonego wydarzenia z pewnością, jeśli jego "sigma" będzie 5 lub więcej. Jest to równoważne zdarzeniu z monetą (jeśli rzucisz to w górę, a spadnie to 20 razy z rzędu). Ten wynik odpowiada prawdopodobieństwu mniej niż 0,00006%.

Gdy tylko odkryje się "nowe" rzeczywiste wydarzenie, należy je szczegółowo zbadać, odpowiadając na pytanie, czy to wydarzenie dokładnie odpowiada cząstce Higgsa, czy jest to jakaś inna cząstka. W tym celu należy dokładnie przestudiować właściwości produktów rozpadu tej nowej cząstki i porównać je z wynikami teoretycznych prognoz.

Eksperymenty BAC i odkrywanie mas cząsteczkowych

Poszukiwania cząstek masowych, które zostały wykonane w zderzaczach LHC w Genewie i Tevatron w laboratorium Fermi w Stanach Zjednoczonych, wykazały, że cząstka Boga musi mieć masę większą niż 114 Gv (GeV), jeśli wyraża się ją w ekwiwalencie energii. Na przykład załóżmy, że masa jednego protonu odpowiada w przybliżeniu 1 GeV. Inne eksperymenty, które miały na celu znalezienie tej cząstki, wykazały, że jej masa nie może przekroczyć 158 GeV.

Pierwsze wyniki poszukiwania bozonu Higgsa w LHC zostały przedstawione w 2011 roku, dzięki analizie danych zebranych w zderzaczu przez okres jednego roku. W tym czasie przeprowadzono dwa główne eksperymenty dotyczące tego problemu - ATLAS i CMS. Zgodnie z tymi eksperymentami, bozon ma masę od 116 do 130 GeV lub od 115 do 127 GeV. Warto zauważyć, że w obu tych eksperymentach w LHC, według wielu wskazań, masa bozonu znajduje się w wąskim obszarze między 124 a 126 GeV.

Peter Higgs i jego kolega Frank Englert otrzymali nagrodę Nobla w dniu 8 października 2013 r. Za odkrycie teoretycznego mechanizmu do zrozumienia istnienia masy cząstek elementarnych, co zostało potwierdzone w eksperymentach ATLAS i CMS w LHC w CERN (Genewa), kiedy wykryto eksperymentalnie przewidywany bozon.

Znaczenie odkrycia cząstki Higgsa dla fizyki

Wyjaśniając o odkryciu bozonów Higgsa, można powiedzieć, że oznaczało to początek nowego etapu w fizyce cząstek elementarnych, ponieważ to wydarzenie dostarczyło nowych sposobów na dalsze badanie zjawisk Wszechświata. Na przykład badanie natury i cech czarnej materii, która według ogólnych szacunków wynosi około 23% całego znanego Wszechświata, ale którego właściwości pozostają tajemnicą dla teraźniejszości. Odkrycie cząstki Bożej pozwoliło na wymyślenie i przeprowadzenie nowych eksperymentów w LHC, które pomogą wyjaśnić tę kwestię.

Właściwości bozonów

Wiele właściwości cząstki Boga, które są opisane w standardowym modelu cząstek elementarnych, są teraz w pełni ustalone. Ten bozon ma zerowy spin, nie ma ładunku elektrycznego i koloru, dlatego nie oddziałuje z innymi bozonami, takimi jak foton i gluon. Jednak oddziałuje on ze wszystkimi cząstkami mającymi masę: kwarkami, leptonami i bozonami słabych oddziaływań Z i W. Im większa masa cząsteczkowa, tym silniej oddziałuje ona z bozonem Higgsa. Ponadto, ten bozon jest antycząstką dla siebie.

Masa cząstki, jej średni czas życia i oddziaływanie między bozonami nie są przewidziane przez teorię. Wartości te można zmierzyć jedynie eksperymentalnie. Wyniki eksperymentów w LHC w CERN (Genewa) wykazały, że masa tej cząsteczki mieści się w granicach 125-126 GeV, a jej żywotność wynosi około ^10-22 sekund.

Otwarty bozon i kosmiczna apokalipsa

Odkrycie tej cząstki uważane jest za jedno z najważniejszych w całej historii ludzkości. Eksperymenty z tym bozonem trwają, a naukowcy uzyskują nowe wyniki. Jednym z nich był fakt, że bozon może doprowadzić wszechświat do śmierci. Co więcej, proces ten już się rozpoczął (zdaniem naukowców). Istota problemu jest następująca: bozon Higgsa może zapaść się samoczynnie w dowolnej części Wszechświata. Stworzy to bańkę energetyczną, która stopniowo rozprzestrzenia się, absorbując wszystko na swojej drodze.

Na pytanie, czy koniec świata, każdy naukowiec reaguje pozytywnie. Faktem jest, że istnieje teoria zwana "Star Model". Postuluje oczywiste stwierdzenie: wszystko ma swój początek i koniec. Według współczesnych koncepcji koniec Wszechświata będzie wyglądał następująco: przyspieszona ekspansja Wszechświata prowadzi do rozproszenia materii w przestrzeni. Proces ten będzie trwać aż do zniknięcia ostatniej gwiazdy, po czym Wszechświat pogrąży się w wiecznej ciemności. Po tym, jak to się dzieje, nikt nie wie.

Wraz z odkryciem bozonu Higgsa wyłoniła się kolejna teoria zagłady. Faktem jest, że niektórzy fizycy uważają, że uzyskana masa bozonowa jest jedną z możliwych mas czasowych, a jej pozostałe wartości istnieją. Te wartości mas mogą również zostać zrealizowane, ponieważ (w prostych słowach) bozon Higgsa jest elementarną cząstką, która może wykazywać właściwości falowe. Oznacza to, że istnieje prawdopodobieństwo przejścia do bardziej stabilnego stanu odpowiadającego większej masie. Jeśli dojdzie do takiego przejścia, wtedy wszystkie naturalne prawa znane człowiekowi przyjdą na inny sposób, tak że nadejdzie koniec znanego wszechświata. Ponadto proces ten może już wystąpić w dowolnej części wszechświata. Ludzkość nie ma wiele czasu na swoje istnienie.

Korzyści dla LHC i innych akceleratorów cząstek dla społeczeństwa

Technologie opracowywane na potrzeby akceleratorów cząstek są również przydatne w medycynie, informatyce, przemyśle i środowisku. Na przykład, magnesy zderzakowe wykonane z nadprzewodzących materiałów, z którymi można przyspieszyć cząstki elementarne, mogą być wykorzystywane do medycznych technologii diagnostycznych. Nowoczesne detektory różnych cząstek powstających w zderzaczu można wykorzystać w tomografii pozytronowej (pozyton jest antycząstką elektronu). Ponadto, technologię tworzenia wiązek z cząstek elementarnych w LHC można stosować do leczenia różnych chorób, na przykład nowotworów nowotworowych.

Jeśli chodzi o korzyści płynące z badań wykorzystujących LAB w CERN (Genewa) dla technologii informacyjnych, należy stwierdzić, że globalna sieć komputerowa GRID, a także sam Internet, zawdzięcza swój rozwój pod wieloma względami eksperymentom z akceleratorami cząstek, które wytworzyły ogromną ilość danych. Potrzeba wymiany tych danych między naukowcami z całego świata doprowadziła do powstania w CERN Tim Burnels-Lee języka World Wide Web (WWW), na którym opiera się Internet.

Belki cząstek, które zostały utworzone i uformowane w różnego rodzaju akceleratorach, są obecnie szeroko stosowane w przemyśle do badania właściwości nowych materiałów, struktury obiektów biologicznych i produktów przemysłu chemicznego. Osiągnięcia fizyki cząstek elementarnych są wykorzystywane do budowy paneli słonecznych, przetwarzania odpadów radioaktywnych i tak dalej.

Wpływ odkrycia cząstki Higgsa na literaturę, film i muzykę

Poniższe fakty świadczą o sensacyjnej wieści o odkryciu cząstki masy w fizyce:

• Po odkryciu tej cząstki popularna książka naukowa "A Particle of God: jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jakie jest pytanie?" Leo Liderman. Fizycy uważają, że nazywanie bozonem Higgsa cząstką Boga jest przesadą.
• W filmie "Anioły i demony", opartym na książce o tej samej nazwie, użyto również nazwy bozonu "cząstka Boga".
• W filmie science-fiction "Solaris", w którym głównymi bohaterami są George Clooney i Natasha Makehone, teoria jest zaawansowana, która wspomina pole Higgsa i jego ważną rolę w stabilizacji cząstek subatomowych.
• W książce science fiction "Flashforward", napisanej przez Roberta Sawyera w 1999 roku, dwóch naukowców stało się przyczyną globalnej katastrofy, kiedy przeprowadzali eksperymenty na bozonie Higgsa.
• Hiszpański cykl "Arka" opowiada o globalnej katastrofie, w której wszystkie kontynenty zostały zalane w wyniku eksperymentów w Wielkim Zderzaczu Hadronów, a tylko ludzie na statku "Gwiazda polarna" przetrwali.
• Zespół muzyczny z Madrytu "Aviador Dro" w swoim albumie "The Voice of Science" poświęcił piosenkę znalezionemu masowemu bozonowi.
• Australijski piosenkarz Nick Cave w swoim albumie "Push the Sky Away" jeden z piosenek o nazwie "The Blue Higgs Boson".