Secara ringkas, boson Higgs ialah zarah paling mahal sepanjang zaman. Jika, sebagai contoh, tiub vakum dan beberapa minda yang cemerlang sudah mencukupi untuk menemui elektron, pencarian boson Higgs memerlukan penciptaan tenaga eksperimen, yang jarang ditemui di Bumi. Large Hadron Collider tidak memerlukan pengenalan, sebagai salah satu eksperimen saintifik yang paling terkenal dan berjaya, tetapi zarah profilnya, seperti sebelum ini, diselubungi misteri bagi kebanyakan penduduk. Ia telah dipanggil zarah Tuhan, bagaimanapun, berkat usaha beribu-ribu saintis, kita tidak perlu lagi menerima kewujudannya atas iman.
Terakhir tidak diketahui
Apakah boson Higgs dan apakah kepentingan penemuannya? Mengapa ia menjadi subjek gembar-gembur, pembiayaan dan maklumat yang salah? Atas dua sebab. Pertama, ia adalah zarah terakhir yang belum ditemui yang diperlukan untuk mengesahkan Model Standard fizik. Penemuannya bermakna bahawa seluruh generasi penerbitan saintifik tidak sia-sia. Kedua, boson ini memberikan zarah lain jisim mereka, yang memberikan makna istimewa dan beberapa "sihir". Kita cenderung untuk memikirkanjisim sebagai sifat intrinsik sesuatu, tetapi ahli fizik berpendapat sebaliknya. Secara ringkas, boson Higgs ialah zarah yang tanpanya jisim tidak wujud pada dasarnya.
Satu lagi medan
Sebabnya terletak pada medan Higgs yang dipanggil. Ia telah diterangkan sebelum boson Higgs, kerana ahli fizik mengiranya untuk keperluan teori dan pemerhatian mereka sendiri, yang memerlukan kehadiran medan baru, yang tindakannya akan meluas ke seluruh Alam Semesta. Mengukuhkan hipotesis dengan mencipta komponen baharu alam semesta adalah berbahaya. Pada masa lalu, sebagai contoh, ini membawa kepada penciptaan teori aether. Tetapi semakin banyak pengiraan matematik dibuat, semakin banyak ahli fizik memahami bahawa medan Higgs mesti wujud dalam realiti. Satu-satunya masalah ialah kekurangan cara praktikal untuk memerhatikannya.
Dalam Model Standard fizik, zarah asas memperoleh jisim melalui mekanisme berdasarkan kewujudan medan Higgs yang meresap ke seluruh ruang. Ia menghasilkan boson Higgs, yang memerlukan banyak tenaga, dan inilah sebab utama mengapa saintis memerlukan pemecut zarah moden untuk menjalankan eksperimen bertenaga tinggi.
Dari manakah jisim berasal?
Kekuatan interaksi nuklear yang lemah dengan cepat berkurangan dengan jarak yang semakin meningkat. Menurut teori medan kuantum, ini bermakna zarah yang terlibat dalam penciptaannya - W- dan Z-boson - mesti mempunyai jisim, tidak seperti gluon dan foton, yang tidak mempunyai jisim.
Masalahnya ialah teori tolok hanya berurusan dengan unsur tak berjisim. Jika boson tolok mempunyai jisim, maka hipotesis sedemikian tidak boleh ditakrifkan dengan munasabah. Mekanisme Higgs mengelakkan masalah ini dengan memperkenalkan medan baru yang dipanggil medan Higgs. Pada tenaga yang tinggi, boson tolok tidak mempunyai jisim, dan hipotesis berfungsi seperti yang diharapkan. Pada tenaga yang rendah, medan menyebabkan pecah simetri yang membolehkan unsur mempunyai jisim.
Apakah boson Higgs?
Medan Higgs menghasilkan zarah yang dipanggil Higgs boson. Jisim mereka tidak ditentukan oleh teori, tetapi sebagai hasil daripada eksperimen, ia ditentukan bahawa ia adalah sama dengan 125 GeV. Secara ringkasnya, boson Higgs telah mengesahkan Model Standard dengan kewujudannya secara muktamad.
Mekanisme, medan dan boson menyandang nama saintis Scotland Peter Higgs. Walaupun dia bukan orang pertama yang mencadangkan konsep ini, tetapi, seperti yang sering berlaku dalam fizik, kebetulan dia adalah orang yang dinamakan sempena nama mereka.
Simetri pecah
Medan Higgs dianggap bertanggungjawab terhadap hakikat bahawa zarah yang tidak sepatutnya mempunyai jisim. Ini adalah medium universal yang memberikan zarah tidak berjisim dengan jisim yang berbeza. Pelanggaran simetri sedemikian dijelaskan dengan analogi dengan cahaya - semua panjang gelombang bergerak dalam vakum dengan kelajuan yang sama, manakala dalam prisma setiap panjang gelombang boleh dibezakan. Ini, sudah tentu, analogi yang salah, kerana cahaya putih mengandungi semua panjang gelombang, tetapi contoh menunjukkan bagaimanapenciptaan jisim oleh medan Higgs nampaknya disebabkan oleh pecah simetri. Prisma memecahkan simetri kelajuan panjang gelombang cahaya yang berbeza dengan memisahkannya, dan medan Higgs dianggap memecahkan simetri jisim sesetengah zarah yang sebaliknya tidak berjisim simetri.
Bagaimana untuk menerangkan boson Higgs dalam istilah mudah? Baru-baru ini ahli fizik menyedari bahawa jika medan Higgs benar-benar wujud, operasinya akan memerlukan kehadiran pembawa yang sesuai dengan sifat yang boleh diperhatikan. Diandaikan bahawa zarah ini kepunyaan boson. Secara ringkas, boson Higgs ialah apa yang dipanggil daya pembawa, sama seperti foton, yang merupakan pembawa medan elektromagnet Alam Semesta. Foton, dalam erti kata lain, adalah pengujaan tempatannya, sama seperti boson Higgs ialah pengujaan tempatan bidangnya. Membuktikan kewujudan zarah dengan sifat yang diharapkan oleh ahli fizik, sebenarnya, sama dengan membuktikan secara langsung kewujudan medan.
Eksperimen
Perancangan selama bertahun-tahun telah membenarkan Large Hadron Collider (LHC) menjadi bukti potensi ketidakbuktian teori Higgs boson. Cincin elektromagnet berkuasa super sepanjang 27 km boleh mempercepatkan zarah bercas kepada pecahan ketara kelajuan cahaya, menyebabkan perlanggaran cukup kuat untuk memisahkannya ke dalam komponennya, serta mengubah bentuk ruang di sekitar titik hentaman. Mengikut pengiraan, pada tenaga perlanggaran pada tahap yang cukup tinggi, adalah mungkin untuk mengecas boson supaya ia mereput, dan ini bolehakan menonton. Tenaga ini sangat hebat sehinggakan ada yang panik dan meramalkan kiamat, dan fantasi orang lain pergi begitu jauh sehingga penemuan boson Higgs digambarkan sebagai peluang untuk melihat ke dalam dimensi alternatif.
Pengesahan akhir
Pemerhatian awal nampaknya benar-benar menyangkal ramalan dan tiada tanda zarah itu dapat ditemui. Beberapa penyelidik yang terlibat dalam kempen membelanjakan berbilion dolar malah muncul di televisyen dan dengan lemah lembut menyatakan fakta bahawa menyangkal teori saintifik sama pentingnya dengan mengesahkannya. Walau bagaimanapun, selepas beberapa lama, pengukuran mula menambah kepada gambaran besar, dan pada 14 Mac 2013, CERN secara rasmi mengumumkan pengesahan kewujudan zarah itu. Terdapat bukti yang menunjukkan kewujudan pelbagai boson, tetapi idea ini memerlukan kajian lanjut.
Dua tahun selepas CERN mengumumkan penemuan zarah itu, saintis yang bekerja di Large Hadron Collider dapat mengesahkannya. Di satu pihak, ini adalah kemenangan besar untuk sains, dan sebaliknya, ramai saintis kecewa. Jika sesiapa mengharapkan boson Higgs akan menjadi zarah yang akan membawa kepada kawasan yang aneh dan indah di luar Model Standard - supersimetri, jirim gelap, tenaga gelap - maka, malangnya, ini ternyata tidak berlaku.
Kajian yang diterbitkan dalam Nature Physics telah mengesahkan pereputan menjadi fermion. Model Standard meramalkan bahawa, secara ringkas, bosonHiggs ialah zarah yang memberikan jisim fermion mereka. Pengesan pelanggar CMS akhirnya mengesahkan pereputannya menjadi fermion - quark bawah dan tau lepton.
Higgs boson secara ringkas: apakah itu?
Kajian ini akhirnya mengesahkan bahawa ini ialah boson Higgs yang diramalkan oleh Model Standard fizik zarah. Ia terletak di kawasan tenaga jisim 125 GeV, tidak mempunyai putaran, dan boleh mereput menjadi banyak unsur yang lebih ringan - pasangan foton, fermion, dll. Terima kasih kepada ini, kami dengan yakin boleh mengatakan bahawa boson Higgs, secara ringkas, ialah zarah yang memberikan jisim kepada segala-galanya.
Kecewa dengan gelagat lalai elemen yang baru dibuka. Sekiranya pereputannya sedikit berbeza, ia akan dikaitkan dengan fermion secara berbeza, dan kaedah penyelidikan baharu akan muncul. Sebaliknya, ini bermakna kami tidak bergerak satu langkah pun melepasi Model Standard, yang tidak mengambil kira graviti, tenaga gelap, jirim gelap dan fenomena realiti pelik yang lain.
Kini seseorang hanya boleh meneka apa yang menyebabkan mereka. Teori yang paling popular ialah supersimetri, yang menyatakan bahawa setiap zarah dalam Model Standard mempunyai rakan kongsi yang sangat berat (dengan itu membentuk 23% daripada alam semesta - jirim gelap). Menaik taraf pelanggar, menggandakan tenaga perlanggarannya kepada 13 TeV, berkemungkinan akan membolehkan untuk mengesan zarah super ini. Jika tidak, supersimetri perlu menunggu pembinaan pengganti yang lebih berkuasa kepada LHC.
Prospek lanjut
Jadi bagaimanakah keadaan fizik selepas boson Higgs? LHC baru-baru ini meneruskan kerjanya dengan peningkatan yang ketara dan dapat melihat segala-galanya daripada antijirim kepada tenaga gelap. Adalah dipercayai bahawa jirim gelap berinteraksi dengan jirim biasa semata-mata melalui graviti dan melalui penciptaan jisim, dan kepentingan boson Higgs adalah kunci untuk memahami dengan tepat bagaimana ini berlaku. Kelemahan utama Model Standard ialah ia tidak dapat menjelaskan kesan graviti - model sedemikian boleh dipanggil Teori Bersatu Besar - dan ada yang percaya bahawa zarah dan medan Higgs boleh menjadi jambatan yang sangat terdesak untuk ditemui oleh ahli fizik.
Kewujudan boson Higgs telah disahkan, tetapi pemahaman penuhnya masih sangat jauh. Adakah eksperimen masa depan akan menyangkal supersimetri dan idea penguraiannya menjadi jirim gelap itu sendiri? Atau adakah mereka akan mengesahkan setiap butiran terakhir ramalan Model Standard tentang sifat boson Higgs dan menamatkan bidang penyelidikan ini selama-lamanya?
