Higgsi boson (Higgsi osake): mis see on ja miks see on oluline

Higgsi boson: mis see on ja miks oluline — avastus CERNis, Higgsi väli ja massi allikas, miks see muudab meie arusaama universumist lihtsas ja põhjalikus ülevaates.

Higgsi boson (või Higgsi osake) on füüsika standardmudeli üks elementaarosakestest. Ideed selle osakese ja temaga seotud Higgsi välja olemasolust pakkusid 1960. aastatel üles mitu teadlast, nende hulgas ka Peter Higgs. 4. juulil 2012 teatasid CERNi teadlased, et nad on LHC andmete põhjal avastanud Higgsi-laadse osakese; järgnevad mõõtmised ja analüüsid 2012–2013 kinnitasid, et uus osake vastab Higgsi bosoni ootustele.

Mis on Higgsi osakese roll?

Higgsi väli on osakestefüüsika standardmudeli jaoks fundamentaalne nähtus. Erinevalt sellistest tuntud väljadest nagu elektromagnetväli, mille tühijaama väärtus on null, on Higgsi välja vaakumväärtus mitte-null peaaegu kogu universumis. See mittetühi taustväli annab teatud osakestele efektiivse massi läbi kvantmehaanilise protsessi (Higgsi mehhanism). Tänu sellele saavad massiga osakesed, nagu W- ja Z-bosonid ning elementaarne fermionid, oma massi ilma, et rikuksid standardmudeli sümmeetriaid.

Higgsi bosoni omadused

Spin: 0 (skalaarnosake) — see eristab Higgsi bosoni teistest bosonitest nagu fotoon või glüoon.
Laeng: laenguta (neutraalne).
Mass: ligikaudu 125 GeV/c² (vastavalt LHC mõõtmistele).
Olek: väga lühike eluea tõttu laguneb kiiresti teisteks osakesteks ning avaldub läbi tema lagunemiskanaleid.

Kuidas Higgsi bosoni tuvastati ja miks see on keeruline?

Higgsi bosonid tekivad vaid väga kõrgetel energiatel, seetõttu on nende produtseerimine LHC-s ebatõenäoline üksiüritus: moodustumise tõenäosus konkreetse kokkupõrke kohta on väga väike. LHC kiirendab vastassuunas liikuvatesse kimpudesse miljardeid ja triljoneid osakesi, et suurendada selle harva esineva protsessi tekkimise võimalust. Iga kokkupõrge võib tekitada hulga lühiajalisi osakesi, mida suured detektorid registreerivad.

Detektorite kogutud mõõteandmete hulgast tuleb ära eraldada need sündmused, mis vastavad Higgsi bosoni toodangule ja selle konkreetsetele lagunemiskanaleile. Levinumad lagunemisteed, mida LHC eksperimendid kasutavad Higgsi leidmiseks ja uurimiseks, on:

H → γγ (kaks footoni)
H → ZZ* → 4 leptonit (nt neli elektroni või muoni)
H → WW* → leptonid + neutrino'd
H → bb (b‑kvargipaar)
H → ττ (tau parid)

Suured andmemahtud ja statistiline analüüs on vajalikud selleks, et eristada Higgsi sündmusi taustast. LHC-s toodetud datasõelumise ja keerukate statistiliste meetoditega leitakse väga harvad signaalid: algtekstis mainitud hind, üks 10 miljardist, annab mõtte haruldusest; Higgsi otsimiseks kogutakse seetõttu triljoneid sündmusi ja kasutatakse suure arvutusvõimsusega superarvuteid.

Kuidas Higgsi-mehhanism toimib lihtsustatult?

Lihtsustatult öeldes annavad osakestele massi nende interaktsioon Higgsi väljaga: mida tugevam on osakese seos väljaga (sõltuvalt osakese juurdepääsust ja Yukawa‑konstandist), seda suurem on tema mass. See erineb klassikalisest „kokkupõrke‑ja‑aeglustumise“ selgitusest. Higgsi välja mittetühi vaakumväärtus põhjustab, et lainefunktsiooni kvantvibratsioonid ümbruses (Higgsi bosonid) ja osakeste kvantväljad annavad koos massiterme standardmudeli Lagrange’i võrrandis.

E=mc² seos kirjeldab massi ja energia omavahelist seost: massi ilmumine Higgsi-mehhanismi kaudu tähendab seda, et osakeste liikumis‑ või potentsiaalenergia osa ilmneb nendel osakestel kui nende pöördumatu massi komponent. Energia säilib kõigis protsessides, sealhulgas Higgsi bosoni tekkimisel ja lagunemisel.

Miks Higgsi bosoni avastamine on tähtis?

See kinnitab Higgsi välja olemasolu ja Higgsi mehhanismi, mis selgitab, miks elementaarosakestel on mass.
See täidab standardmudeli viimase puudujäägi: kuni avalduse ja mõõtmisteni oli Higgsi väli teoreetiliselt oluline, kuid eksperimente puudus otsene tõestus.
Higgsi bosoni omaduste täpne mõõtmine annab vihjeid võimaliku uue füüsika kohta, mis ületab standardmudeli (näiteks supersümmeetria, täiendavad Higgsi‑skalaarsed osakesed või muud nähtused).

Kultuuriline ja populaarteaduslik mõju

Higgsi boson ja Higgsi välj on saanud ulme- ja populaarteaduses palju tähelepanu. Füüsik Leon Lederman nimetas Higgsi bosoni 1993. aastal mõnevõrra humoorikalt „jumala osakeseks“, mis äratas nii meediakajastust kui ka teadusliku ja avaliku diskussiooni Higgsi rolli üle looduse süsteemis.

Lõpetuseks: Higgsi bosoni avastus oli oluline verstapost, mis kinnitas standardmudeli põhialuseid ja avas uksed täpsematele mõõtmistele ning võimalikele uutele avastustele osakestefüüsikas.

Arvutiga genereeritud kujutis Higgsi vastastikmõjust

Discovery

12. detsembril 2011 teatasid kaks Higgsi bosoni otsimise meeskonda, ATLAS ja CMS, et nad on lõpuks näinud tulemusi, mis võiksid viidata Higgsi bosoni olemasolule, kuid nad ei teadnud kindlalt, kas see on tõsi.

4. juulil 2012 teatasid Suure Hadronite põrguti meeskonnad, et nad on avastanud osakese, mis on nende arvates Higgsi boson.

14. märtsil 2013 olid meeskonnad teinud palju rohkem katseid ja teatasid, et nad arvavad nüüd, et uus osake on Higgsi boson.

Küsimused ja vastused

Küsimus: Mis on Higgsi boson?

V: Higgsi boson on füüsika standardmudeli osake. Esimest korda pakkus seda välja Peter Higgs 1960. aastatel ja 14. märtsil 2013 kinnitasid CERNi teadlased selle olemasolu. See on üks standardmudeli 17 osakesest ja boson, mis arvatakse olevat vastutav füüsikaliste jõudude eest.

K: Kuidas Higgsi väli toimib?

V: Higgsi väli on fundamentaalne väli, mis võtab peaaegu kõikjal mittenullväärtuse. See oli Standardmudeli viimane kontrollimata osa ja selle olemasolu peeti "osakestefüüsika keskseks probleemiks". Kui mõõtmisbosonid sellega interakteeruvad, aeglustuvad nad ja nende kineetiline energia läheb massi-energia loomiseks, millest saab see, mida me nimetame Higgsi bosoniks. See protsess allub energia säilimise seadusele, mille kohaselt energiat ei looda ega hävitata, vaid seda saab üle kanda või muuta vormi.

K: Miks on Higgsi bosoni raske avastada?

V: Higgsi bosonil on teiste osakestega võrreldes väga suur mass, mistõttu see ei kesta väga kaua. Tavaliselt ei ole ümberringi, sest selle tekkimiseks kulub nii palju energiat. Nende leidmiseks kasutavad teadlased superarvuteid, mis sõeluvad läbi tohutu hulga andmeid triljonite osakeste kokkupõrgetest CERNi suures hadronite põrguti (LHC). Isegi siis on vaid väike tõenäosus (üks 10 miljardist), et Higgs ilmub ja avastatakse.

K: Millised muud tuntud bosonid on olemas?

V: Teiste teadaolevate bosonite hulka kuuluvad fotoonid, W- ja Z-bosonid ning glüoonid.

K: Kuidas on Einsteini võrrand E=mc2 seotud massi-energia tekkimisega kineetilisest energiast?

V: Einsteini kuulus võrrand väidab, et mass võrdub äärmiselt suure energiakogusega (näiteks 1 kg = 90 kvadriljonit džauli). Kui Higgsi väljaga vastastikmõjus olevate mõõtmisbosonite kineetiline energia aeglustub, läheb sama kogus kineetilist energiat massi-energia loomiseks, mis muutub selleks, mida me nimetame Higgsi bosoniks - seega säilib kogu energia vastavalt säilitusseadustele.

K: Millist rolli mängivad ulmejutud seoses arusaamisega, kuidas Higgsbosonid toimivad?

V: Teaduskirjanduslugudes on sageli higgsbosonid osa nende süžeest, kuid need lood ei pruugi anda täpset teaduslikku teavet selle kohta, kuidas nad töötavad - need on pigem meelelahutuseks kui millekski muuks!