Što je Higgsov bozon i zašto ga se traži?

Higgsov bozon u fizici je elementarna čestica, koja, prema znanstvenicima, igra temeljnu ulogu u formiranju mase u svemiru. Potvrđivanje ili opovrgavanje postojanja ove čestice bio je jedan od glavnih ciljeva korištenja Velikog hadronskog sudarača (LHC) - najmoćnijeg akceleratora čestica na svijetu, koji se nalazi u Europskom laboratoriju za fiziku osnovnih čestica (CERN) u blizini Ženeve.

Zašto je bilo tako važno pronaći Higgsov bozon

U modernoj fizici elementarnih čestica postoji neki standardni model. Jedina čestica koju ovaj model predviđa, a koju znanstvenici već dugo pokušavaju pronaći, je imenovani bozon. Model standardnih čestica (prema eksperimentalnim podacima) opisuje sve interakcije i transformacije između elementarnih čestica. Međutim, ostala je jedina "bijela mrlja" u ovom modelu - nedostatak odgovora na pitanje o podrijetlu mase. Važnost mase je nesumnjiva, jer bez nje svemir bi bio potpuno drugačiji. Ako elektron nije imao masu, onda atomi i materija ne bi postojali, ne bi bilo biologije i kemije, ipak ne bi bilo čovjeka.

Da bi objasnili pojam postojanja mase, nekoliko fizičara, među kojima je bio i Britanac Peter Higgs, šezdesetih godina prošlog stoljeća iznio je hipotezu o postojanju takozvanog Higsova polja. Po analogiji s fotonom, koji je čestica elektromagnetskog polja, Higgsovo polje također zahtijeva postojanje njegove čestice nosioca. Dakle, jednostavnim riječima, Higgsovi bozoni su čestice od kojih se formira Higsovo polje.

Higgsova čestica i polje koje on stvara

Sve elementarne čestice mogu se podijeliti u dvije vrste:

• Fermioni.
• Bozona.

Fermioni su one čestice koje nam tvore tvar poznatu, primjerice protone, elektrone i neutrone. Bozoni su elementarne čestice koje uzrokuju postojanje različitih tipova interakcija između fermiona. Na primjer, bozoni su foton - nositelj elektromagnetske interakcije, gluon je nositelj jake ili nuklearne interakcije, bozoni Z i W, koji su odgovorni za slabu interakciju, to jest, za transformacije između elementarnih čestica.

Govoreći jednostavnim riječima o Higgsovom bozonu i značenju hipoteze, koja objašnjava nastanak mase, treba pretpostaviti da su ti bozoni raspoređeni u prostoru Svemira i da tvore kontinuirano Higsovo polje. Kada tijelo, atom ili elementarna čestica doživljavaju "trenje" oko tog polja, to jest interakciju s njim, ta se interakcija manifestira kao postojanje mase u danom tijelu ili čestici. Što je tijelo jače "trlja" česticu na Higsovo polje, veća je njegova masa.

Kako možete pronaći i gdje kopati Higgsov bozon

Ovaj bozon se ne može otkriti na izravan način, jer (prema teorijskim podacima) nakon njegovog pojavljivanja, on se odmah raspada u druge stabilnije elementarne čestice. No, čestice koje su se pojavile nakon raspada Higgsovog bozona već se mogu otkriti. To su "tragovi" koji ukazuju na postojanje ove važne čestice.

Znanstvenici su, da bi otkrili Higgsovu bozonsku česticu, sudarili visokoenergetske protonske zrake. Ogromna energija protona u sudaru može proći u masu, prema dobro poznatoj Albert Einsteinovoj jednadžbi E = mc ² . U zoni sudara protona u sudaru ima mnogo detektora koji vam omogućuju da zabilježite izgled i raspad bilo koje čestice.

Teoretski, masa Higgsovog bozona nije utvrđena i određen je samo mogući skup njegovih vrijednosti. Za detekciju čestica potrebni su snažni akceleratori. Veliki hadronski sudarač (BAC) je trenutno najsnažniji akcelerator na Zemlji. Uz njegovu pomoć, bilo je moguće gurnuti protone s energijom blizu 14 tetraelektronvolta (TeV). Trenutno radi s energijama oko 8 TeV. Ali čak su se i te energije pokazale dovoljnima za otkrivanje Higgsovog bozona ili Božje čestice, kako ga mnogi nazivaju.

Slučajni i stvarni događaji

U fizici elementarnih čestica, postojanje događaja procjenjuje se s određenom vjerojatnošću "sigma", koja određuje slučajnost ili stvarnost tog događaja dobivenog u eksperimentu. Da biste povećali vjerojatnost događaja, morate analizirati veliku količinu podataka. Potraga i otkriće Higgsovog bozona odnose se na takve vjerojatne događaje. Da bi se otkrila ta čestica u LHC-u, generirano je oko 300 milijuna sudara u jednoj sekundi, tako da je količina podataka koja je trebala biti analizirana bila ogromna.

Možete govoriti o stvarnom promatranju određenog događaja s povjerenjem, ako će njegova "sigma" biti 5 ili više. To je jednako događaju s novčićem (ako ga bacite, a ono će pasti rep 20 puta zaredom). Taj rezultat odgovara vjerojatnosti manjoj od 0,00006%.

Čim se otkrije ovaj „novi“ stvarni događaj, potrebno ga je detaljno proučiti tako da odgovorimo na pitanje odgovara li taj događaj Higgsovoj čestici ili je to neka druga čestica. Za to je potrebno pažljivo proučiti svojstva produkata raspadanja ove nove čestice i usporediti ih s rezultatima teorijskih predviđanja.

BAC eksperimenti i otkrivanje mase čestica

Pretraživanje masovnih čestica koje su izvedene na kolaterima LHC-a u Ženevi i Tevatronu u Fermijevom laboratoriju u Sjedinjenim Državama otkrilo je da Božja čestica mora imati masu veću od 114 Gv (GeV), ako je izražena u ekvivalentu energije. Primjerice, recimo da masa jednog protona odgovara približno 1 GeV. Drugi eksperimenti koji su bili usmjereni na pronalaženje ove čestice pokazali su da njegova masa ne može prelaziti 158 GeV.

Prvi rezultati potrage za Higgsovim bozonom u LHC-u predstavljeni su 2011. godine, zahvaljujući analizi podataka prikupljenih u sudaru za godinu dana. Tijekom tog vremena provedena su dva glavna eksperimenta na ovom problemu - ATLAS i CMS. Prema tim eksperimentima, bozon ima masu između 116 i 130 GeV, ili između 115 i 127 GeV. Zanimljivo je primijetiti da je u oba eksperimenta u LHC-u, po mnogim pokazateljima, masa bozona u uskom području između 124 i 126 GeV.

Peter Higgs, zajedno sa svojim kolegom Frankom Englertom, 8. listopada 2013. dobio je Nobelovu nagradu za otkrivanje teoretskog mehanizma za razumijevanje postojanja mase u elementarnim česticama, što je potvrđeno u eksperimentima ATLAS i CMS na LHC-u u CERN-u (Ženeva) kada je otkriven eksperimentalno predviđeni bozon.

Važnost otkrivanja Higsove čestice za fiziku

Jednostavno objašnjavajući otkriće Higgsovog bozona, možemo reći da je to označilo početak nove faze u fizici elementarnih čestica, budući da je ovaj događaj dao nove putove za daljnje proučavanje fenomena Svemira. Primjerice, proučavanje prirode i obilježja crne materije, koja prema općim procjenama iznosi oko 23% cjelokupnog poznatog Svemira, ali čija svojstva ostaju tajna u sadašnjosti. Otkriće Božje čestice omogućilo je razmišljanje i postavljanje novih eksperimenata u LHC-u koji će pomoći u razjašnjavanju ovog pitanja.

Svojstva Bosona

Mnoga svojstva čestice Boga, koja su opisana u standardnom modelu elementarnih čestica, sada su u potpunosti uspostavljena. Ovaj bozon ima nulti spin, nema električni naboj i boju, stoga ne djeluje s drugim bozonima, kao što su foton i gluon. Međutim, ona je u interakciji sa svim česticama koje imaju masu: kvarkovima, leptonima i bozonima slabih interakcija Z i W. Što je masa čestica veća, ona snažnije stupa u interakciju s Higgsovim bozonom. Osim toga, ovaj bozon je i sam antičestica.

Teorija ne predviđa masu čestice, njezin prosječni životni vijek i interakciju između bozona. Te se vrijednosti mogu mjeriti samo eksperimentalno. Rezultati pokusa na LHC-u u CERN-u (Ženeva) pokazali su da masa ove čestice leži unutar 125-126 GeV, a njezin vijek trajanja je oko ^10-22 sekunde.

Otvoreni bozon i prostorna apokalipsa

Otkriće ove čestice smatra se jednim od najvažnijih u cijeloj povijesti čovječanstva. Eksperimenti s ovim bozonom se nastavljaju, a znanstvenici dobivaju nove rezultate. Jedna od njih bila je činjenica da bozon može voditi svemir do smrti. Štoviše, taj proces je već počeo (prema znanstvenicima). Suština problema je sljedeća: Higgsov bozon može se sam srušiti u bilo kojem dijelu Svemira. To će stvoriti energetski mjehur koji se postupno širi, apsorbirajući sve na svom putu.

Na pitanje je li kraj svijeta, svaki znanstvenik reagira pozitivno. Činjenica je da postoji teorija nazvana "model zvijezde". Postulira očitu izjavu: sve ima svoj početak i kraj. Prema suvremenim konceptima, kraj Svemira će izgledati kako slijedi: ubrzano širenje Svemira dovodi do raspršivanja materije u prostoru. Taj će se proces nastaviti sve dok ne ispadne posljednja zvijezda, nakon čega će svemir uroniti u vječnu tamu. Nakon što se to dogodi, nitko ne zna.

Otkrivanjem Higgsovog bozona pojavila se još jedna teorija sudnjeg dana. Činjenica je da neki fizičari vjeruju da je dobivena masa bozona jedna od mogućih vremenskih masa, njezine druge vrijednosti postoje. Ove vrijednosti mase također se mogu realizirati, budući da je (na jednostavan način) Higgsov bozon elementarna čestica koja može pokazivati ​​valna svojstva. To jest, postoji vjerojatnost njezina prijelaza u stabilnije stanje koje odgovara većoj masi. Ako dođe do takvog prijelaza, tada će svi prirodni zakoni poznati čovjeku poprimiti drugačiji pogled, pa će doći kraj poznatog svemira. Osim toga, taj se proces već mogao dogoditi u bilo kojem dijelu svemira. Čovječanstvo nema mnogo vremena za svoje postojanje.

Prednosti LHC-a i drugih akceleratora čestica za društvo

Tehnologije koje se razvijaju za akceleratore čestica također su korisne za medicinu, računalne znanosti, industriju i okoliš. Primjerice, magneti za kolider napravljeni od supravodljivih materijala s kojima se mogu ubrzati elementarne čestice mogu se koristiti za medicinske dijagnostičke tehnologije. Suvremeni detektori raznih čestica nastalih u sudaru mogu se koristiti u pozitronskoj tomografiji (pozitron je antičestica elektrona). Osim toga, tehnologija stvaranja greda od elementarnih čestica u LHC-u može se koristiti za liječenje različitih bolesti, na primjer, tumora raka.

S obzirom na prednosti istraživanja korištenjem LAB-a u CERN-u (Ženeva) za informacijsku tehnologiju, treba reći da globalna računalna mreža GRID, kao i sam Internet, svoj razvoj duguje u mnogim aspektima eksperimentima s akceleratorima čestica, koji su proizveli ogromnu količinu podataka. Potreba za razmjenom tih podataka među znanstvenicima diljem svijeta dovela je do stvaranja na CERN-u Tim Burnels-Lee-a na World Wide Web (WWW) jeziku na kojem se temelji internet.

Grede čestica, koje su se formirale i formirale u različitim vrstama akceleratora, sada se u industriji široko koriste za proučavanje svojstava novih materijala, strukture bioloških objekata i proizvoda kemijske industrije. Postignuća fizike elementarnih čestica koriste se za izradu ploča solarne energije, za obradu radioaktivnog otpada i tako dalje.

Utjecaj otkrića Higgsove čestice na književnost, film i glazbu

Sljedeće činjenice svjedoče o senzacionalnoj vijesti o otkriću čestice mase u fizici:

• Nakon otkrića ove čestice, popularna znanstvena knjiga "Božja čestica: ako je svemir odgovor, što je onda pitanje?" Leo Liderman. Fizičari vjeruju da je nazivanje Higgsovog bozona česticom Boga pretjerivanje.
• U filmu "Anđeli i demoni", koji se temelji na istoimenoj knjizi, koristi se i naziv bozona "Božja čestica".
• U znanstvenofantastičnom filmu "Solaris", u kojem su glavni likovi George Clooney i Natasha Makehone, teorija je napredna, u kojoj se spominje Higgsovo polje i njegova važna uloga u stabilizaciji subatomskih čestica.
• U znanstvenofantastičnoj knjizi "Flashforward", koju je napisao Robert Sawyer 1999. godine, dva znanstvenika postaju uzrok globalne katastrofe kada postavljaju eksperimente na Higgsovom bozonu.
• Španjolska serija "The Ark" govori o globalnoj katastrofi, u kojoj su svi kontinenti bili potopljeni kao rezultat eksperimenata na Velikom hadronskom sudaraču, a samo su ljudi na brodu "Polar Star" preživjeli.
• Glazbeni sastav iz Madrida "Aviador Dro" u svom albumu "Glas znanosti" posvetio je pjesmu pronađenom masovnom bozonu.
• Australski pjevač Nick Cave u svom albumu "Push the Sky Away" jedna je od pjesama pod nazivom "The Blue Higgs Boson".