Higsa daļiņa (Higsa bozons) — definīcija, atklājums un nozīme fizikā
Higsa daļiņa: definīcija, atklājums un nozīme fizikā — uzzini Higsa bozona lomu Standartmodelī, atklāšanas vēsturi un tā ietekmi uz daļiņu fiziku.
Higsa bozons (jeb Higsa daļiņa) ir Standarta modeļa skalārais bozons, kas saistīts ar Higsa lauku. To pirmoreiz teorētiski paredzēja Pīters Higss un vairākas citas grupas 1960. gados kā daļu no mehānisma, kas izskaidro, kā elementārdaļiņas iegūst masu. Eksperimentāli līdzīgas īpašības piemītoša jauna bozona parādīšanos paziņoja CERN fiziķi 2012. gada 4. jūlijā — ATLAS un CMS detektori konstatēja jaunu bozonu ar masu aptuveni 125 GeV/c2, kas atbilda Higsa bozonam; Nobela prēmija fizikā 2013. gadā tika piešķirta François Englert un Pīteram Higsam par šo teorētisko izklāstu.
Kāda ir nozīme Standartmodelī
Standartmodelis apraksta elementārdaļiņas un to savstarpējās mijiedarbības (izņemot gravitāciju). Higsa lauks ir skalārs lauks, kam vakuma gaidāmā vērtība (VEV) ir nenulles — tas nozīmē, ka telpā pastāv nemainīgs "lauks", ar ko daļiņas mijiedarbojas pat tad, ja nekas cits nenotiek. Šī mijiedarbība ar Higsa lauku izpaužas kā efektīva masa: daļiņas, kas mijiedarbojas spēcīgāk, iegūst lielāku masu.
Higsa bozons ir lauka kvanta ekscitācija — tā ir iespējamā novērojamā "trakā" viļņa forma Higsa laukā. Svarīgi ir saprast, ka ne visi bozoni ir "atbildīgi par spēkiem": fotons, W un Z bozoni un glions ir piemēri bozoniem, kas mediē spēkus (elektromagnētisko, vājās un stiprās mijiedarbības). Higsa bozons pats par sevi nav spēka nesošs kvants, bet Higsa lauka esamība svarīgi ietekmē Standartmodeļa struktūru un daļiņu masas. Gravitācijas iekļaušana Standartmodelī joprojām ir neatrisināta problēma.
Kā Higsa lauks darbojas (vienkāršots skaidrojums)
Higsa mehānisms balstās uz simetrijas spontānu saplīšanu: sākotnēji teorijā pastāv noteikta simetrija, bet Higsa laukam iegūstot nenulles vakuma vērtību, daļa no šīs simetrijas tiek "sadalīta". Tas ļauj daļiņām, kas ar lauku mijiedarbojas (piemēram, W un Z bozonam un fermioniem), efektīvi iegūt masu, turpretī fotons, kuram nav šādas mijiedarbības, paliek masuizvēlēts. Masas lielums kvantitatīvi atbilst mijiedarbības stiprumam (Yukavas mijiedarbībai) starp attiecīgo daļiņu un Higsa lauku.
Atklāšana un laboratorijas
Lai radītu Higsa bozonu, nepieciešama liela enerģija, jo tā masa ir aptuveni 125 GeV/c2. Tieši tāpēc Lielais hadronu paātrinātājs (CERN) tika būvēts — tas paātrina protonu kūļus gandrīz līdz gaismas ātrumam un saskaņo tos sadursmēs. No milzīga sadursmju skaita tikai neliela daļa radīs Higsa bozonu, tāpēc detektori reģistrē triljonus sadursmju un superdatori apstrādā milzīgu datu apjomu, lai filtrētu izraudzītus notikumus.
Higsa bozonu ražošana LHC galvenokārt notiek caur procesiem, piemēram, gluon–gluon fūziju (dominujošais mehānisms), vektoru bozonu fūziju un asociēto ražošanu ar W/Z vai top kvarkiem. Bozona parādīšanos konstatē, analizējot tā bojāšanos — populāras "kanālas" ir γγ (divi fotoni), ZZ* → 4 leptoni un WW* → ℓνℓν, kā arī bozonu bojāšanās uz b kvarkiem vai τ leptoniem. Katrs kanāls prasa atšķirīgu metodi signāla izdalīšanai no fona.
Pierādījumi un īpašības
- Massas mērījums: aptuveni 125 GeV/c2 (ar nelielu neizsvarotību).
- Spin-paritāte: novērojumi atbilst skalārajam spinam 0 (spin = 0, pozitīva paritāte), kā paredz Standartmodelis.
- Sajūga (coupling) stiprums pie fermioniem un vektoru bozoniem kopumā saskan ar Standartmodeļa paredzējumiem līdz mērījumu kļūdām — taču turpinās precizējoši mērījumi, lai meklētu nelielas novirzes, kas varētu norādīt uz jaunu fiziku.
Nozīme un turpmākie pētījumi
Higsa bozona atklāšana pabeidza ilgi gaidāmu Standartmodeļa paredzējumu pārbaudi, tomēr atstāj daudz neatbildētu jautājumu:
- Hierarhijas problēma: kāpēc Higsa masas mērogs ir ievērojami mazāks par Plancka mērogu? Tas mudina meklēt jaunas teorijas (piem., supersimetriju, paplašinātas Higsa nozares).
- Vakuuma stabilitāte: Higsa masas un top kvarka masas vērtības ietekmē kosmiskā vakuuma stabilitāti; pašreizējie mērījumi liek domāt par piesardzīgi metastabilu vai stabilu vakuumu, tomēr lieta nav pilnībā skaidra.
- Jauna fizika: precīzi Higsa mijiedarbību mērījumi var atklāt nelielas novirzes no Standartmodeļa, kas norādītu uz jaunām daļiņām vai paplašinājumiem.
- Kosmoloģijas saikne: Higsa lauks var būt saistīts ar agrīnā Visuma fāzēm (piem., inflācijas vai fāžu pārejām), kaut arī tieši sakarības nav pierādītas.
Publiskā tēla piezīmes
Higsa bozons parādās arī populārzinātnē un zinātniskajā fantastikā. Leons Ledermans 1993. gadā plaši pazīstamajā grāmatā to nosauca par "Dieva daļiņu" (angļu val. "The God Particle"), nosaukums, kas izraisījis gan publicitāti, gan kritiku no daļas zinātnieku kā sensacionāls un maldinošs.
Kopsavilkumā: Higsa lauks un ar to saistītais Higsa bozons ir centrāla daļa mūsdienu daļiņu fizikā. Atklājums 2012. gadā apstiprināja ilgi gaidītu teorētisku priekšlikumu, bet arī atklāja jaunas zinātniskas iespējas — pētniekiem joprojām jāprecizē bozona īpašības un jāmeklē norādes uz fiziku ārpus Standartmodeļa.
Higsa mijiedarbības datorģenerēts attēls
Atklājums
2011. gada 12. decembrī abas Lielā hadronu paātrinātāja komandas, kas meklēja Higsa bozonu, ATLAS un CMS, paziņoja, ka beidzot ir iegūti rezultāti, kas varētu liecināt par Higsa bozona eksistenci; tomēr tās vēl nezināja, vai tas ir taisnība.
2012. gada 4. jūlijā Lielā hadronu paātrinātāja komandas paziņoja, ka ir atklājušas daļiņu, kas, viņuprāt, ir Higsa bozons.
2013. gada 14. martā komandas bija veikušas daudz vairāk testu un paziņoja, ka, viņuprāt, jaunā daļiņa ir Higsa bozons.
Jautājumi un atbildes
Jautājums: Kas ir Higsa bozons?
A: Higsa bozons ir daļiņa fizikas standarta modelī. Pirmo reizi to ierosināja Pīters Higss pagājušā gadsimta sešdesmitajos gados, un 2013. gada 14. martā CERN zinātnieki apstiprināja, ka tā eksistē. Tā ir viena no 17 daļiņām Standartmodelī un ir bozons, kas, domājams, ir atbildīgs par fizikālajiem spēkiem.
J: Kā darbojas Higsa lauks?
A: Higsa lauks ir fundamentāls lauks, kas gandrīz visur iegūst nenulles vērtību. Tā bija pēdējā nepārbaudītā Standartmodeļa daļa, un tās pastāvēšana tika uzskatīta par "centrālo daļiņu fizikas problēmu". Kad mērījumu bozoni ar to mijiedarbojas, tie palēninās, un to kinētiskā enerģija nonāk masas enerģijas radīšanā, kas kļūst par to, ko mēs saucam par Higsa bozonu. Šis process pakļaujas enerģijas saglabāšanas likumam, kur neviena enerģija netiek radīta vai iznīcināta, bet gan var tikt nodota vai mainīt formu.
Jautājums: Kāpēc ir grūti atklāt Higsa bozonu?
A: Higsa bozonam ir ļoti liela masa, salīdzinot ar citām daļiņām, tāpēc tā nepastāv ilgi. Apkārt parasti nav, jo, lai to radītu, ir nepieciešams tik daudz enerģijas. Lai tos atrastu, zinātnieki ar superdatoru palīdzību sijā milzīgus datu apjomus, kas iegūti triljonos daļiņu sadursmju CERN Lielajā hadronu paātrinātājā (LHC). Pat tad ir tikai neliela iespēja (1 pret 10 miljardiem), ka Higsa radīšanas pierādījumi parādīsies un tiks atklāti.
J: Kādi vēl ir citi zināmi bozoni?
A: Citi zināmie bozoni ir fotoni, W un Z bozoni un glioni.
J: Kā Einšteina vienādojums E=mc2 ir saistīts ar masas enerģijas radīšanu no kinētiskās enerģijas?
A: Einšteina slavenais vienādojums nosaka, ka masa ir vienāda ar ārkārtīgi lielu enerģijas daudzumu (piemēram, 1 kg = 90 kvadriljonu džoulu). Kad kinētiskā enerģija, ko rada mērījumu bozonu mijiedarbība ar Higsa lauku, palēninās, šis pats kinētiskās enerģijas daudzums nonāk masas enerģijas radīšanā, kas kļūst par to, ko mēs saucam par Higsa bozonu, tādējādi saglabājot kopējo enerģiju saskaņā ar saglabāšanas likumiem.
J: Kāda nozīme ir zinātniskās fantastikas stāstiem, lai saprastu, kā darbojas Higsa bozoni?
A.: Zinātniskās fantastikas stāstos bieži vien sižeta sižetā ir higsbosoni, taču šie stāsti ne vienmēr sniedz precīzu zinātnisku informāciju par to, kā tie darbojas, - tie vairāk ir domāti izklaidei, nevis kam citam!
Meklēt