Mis on Higgsi väli? Massi allikas ja Higgsi boson selgitatud
Avasta, mis on Higgsi väli ja Higgsi boson: kuidas nad annavad osakestele massi, mõjutavad valguse käitumist ning kujundavad universumi struktuuri.
Higgsi väli on kvantvälja, mis eksisteerib kõikjal universumis ja võtta vabas olekus mitte‑nullne väärtus ehk vakumi ootusvälj. See väärtus — ligikaudu 246 GeV skaala — tähendab, et isegi "tühjas" ruumis on kohal väljale omane konstantne väli. Väljaga on seotud ka kvantiline fundamentaalosake, mida nimetatakse Higgsi bosoniks. See osake on väli ise väljendunud kvantseisundina: Higgsi boson on Higgsi välja väikseim ühtlane vibreeriv eraldiseisev kvant. Väljaga vastastikmõjus olevatele fermionidele (näiteks elektronile) ja osakestele nagu W- ja Z‑bosonid tekib praktiliselt nähtav mass tänu nende vastastikmõjule Higgsi väljaga. Sageli kasutatakse selle protsessi kirjeldamiseks lihtsustatud võrdlust objektist, mis liigub läbi melassi või tiheda vedeliku: osake ei "tõmbu" tõepoolest kinni nagu viskoosses keskkonnas, aga tema liikumiskäitumine muutub — ta omandab massiga seotud omadused. Oluline on rõhutada, et see on ainult kujundlik võrdlus; mass ei ole lihtsalt takistus või "kinni jäämine", vaid omadus, mis tuleneb osakese kvantilisest seosest Higgsi väljaga.
Kuidas Higgsi mehhanism massi annab
Higgsi mehhanism ehk Higgsi efekt on protsess, mille kaudu teatud elementaarosakesed omandavad puhkvõlli või puhvrelemendina tuntud massi. Teoreetiliselt toimub see nii, et osakeste ja Higgsi välja vahelised vastastikmõjud (mille tugevust kirjeldavad nii‑öelda Yukawa‑sidemed) tekitavad selles süsteemis energiaaluse, mida me tajume kui osakeste puhkmassi. Mida tugevam on osakese ja Higgsi välja vaheline sideme tugevus, seda suurem on osakese mass. Näiteks elektronil on suhteliselt väike ühendus‑konstant, seetõttu on tema mass väike; top‑kvark seevastu põimub väljaga tugevamalt ja on seetõttu palju raskem.
Mida Higgsi väli ei tee ja mida see ei selgita täielikult
On tähtis korrigeerida levinud väärarusaamu:
- Higgsi väli ei loo massi kõigi osakeste jaoks. Näiteks prootonite ja neutronite (ja seega suure osa nähtava aine massi) mass tuleb suurel määral kvantkromodünaamika (QCD) sidumisenergiast ja gluonide ning kvarkide liikumisest, mitte otseselt Higgsi mehhanismist.
- Massi tekkimine Higgsi kaudu ei riku füüsika säilitusseadusi. Higgsi mehhanism ei loo ainet ega energiat "ei‑millest"; ta muudab osakeste propagatsiooni ja seeläbi nende tõlgendatava puhkmassi läbi väli‑interaktsiooni.
- Gravitatsioon ei sõltu ainult Higgsi väljast. Gravitatsioon on seotud energiatiheduse ja impulsi‑momentumitensoriga üldrelatiivsuse raamistikus. Kui Higgsi väli puuduks, muutuksid paljude osakeste omadused (paljud saaksid massituks) ja universumi struktuur oleks väga teistsugune (keemia, tähe‑ ja planeediteke ei toimiks), kuid gravitatsioon ise kui kaaluv toime ei kaoks — veelgi olulisemalt muutuksid energia‑ ja rõhutingimused, mis mõjutaksid gravitatsioonilist käitumist.
Higgsi boson — väli kvandina
Higgsi boson on Higgsi välja kvantiline eksitatsioon: lühiajaliselt tekitatav osake, millel on omapärane puhkmass (avatud mõõtmistes ~125 GeV). Higgsi bosonid on ebastabiilsed ja lagunevad väga kiiresti teisteks osakesteks — selle lagunemismustrite (näiteks paarideks fotonite, Z‑bosonite, bb‑paaride jm) uurimine lubas 2012. aastal CERNi LHC‑kiirendi eksperimentidel ATLAS ja CMS kinnitada uue osakese avastust, mis sobis Higgsi bosoni ennustusega. Just see avastus andis tugeva kinnituse Higgsi välja olemasolule ja elektrokeemilise sümmeetria murrangule standardmudelis.
Mida tähendaks Higgsi välja puudumine
Kui Higgsi väli oleks täpselt null, oleks enamik fermione ja mõned vaheosakesed massita vastavalt standardmudeli elektrokeemilise sümmeetria säilimisele. Sellises universumis ei saaks tekida tavalist aatomit ega kompleksset keemiat — elementaarsed osakesed liiguksid valguse kiirusega ja nukleosüntees ning keemilised sidemed ei toimiks samuti nagu praeguses universumis. See ei tähendaks aga, et kõik mass ja gravitatsioon täielikult kaoks — näiteks QCD‑protsessid annaksid siiski sidumisenergiast tulenevat massi‑panust ning energia endiselt kõrvutaks gravitatsiooniga üldrelatiivsuses.
Kokkuvõte
Higgsi välja olemasolu selgitab, miks paljud fundamentaalsed osakesed kannavad puhkmassi: nad põimuvad väljaga ja selle vastastikmõju tekitab nähtuse, mida me nimetame massiks. Higgsi boson on selle välja kvantitatiivne tunnus ja tema avastamine 2012. aastal kinnitas Higgsi mehhanismi kui standardmudeli olulist osa. Samas ei ole Higgsi väljaks lihtne "melass", mass ei ole ainult Higgsi poolt toodetud ning universumi massi‑ ja gravitatsiooninähtused sõltuvad lisaks ka muude füüsikaliste protsesside — eelkõige QCD — panusest.
Arvutiga genereeritud pilt Higgsi vastastikmõjust
Higgsi efekt
Higgsi efekti teoreetiliselt käsitlesid esmakordselt 1968. aastal PRLi sümmeetria purunemise paberite autorid. 1964. aastal kirjutasid kolm uurimisrühma teaduslikke artikleid, milles pakuti välja seotud, kuid erinevaid lähenemisviise, et selgitada, kuidas mass võib tekkida lokaalsetes mõõtmeteooriates.
2013. aastal tõestati Higgsi boson ja kaudselt ka Higgsi efekt esialgu suurel hadronite põrgutija abil (ja Higgsi boson avastati 4. juulil 2012). Seda efekti peeti Standardmudeli puuduva tüki leidmiseks.
Vastavalt mõõtmeteooriale (standardmudeli aluseks olev teooria) peaksid kõik jõudu kandvad osakesed olema massita. Nõrka jõudu vahendavatel jõuosakestel on aga mass. See on tingitud Higgsi efektist, mis rikub SU(2)-sümmeetriat (SU tähistab spetsiaalset unitaarset maatriksit ja 2 viitab asjaomaste maatriksite suurusele).
Süsteemi sümmeetria on süsteemiga tehtud operatsioon, näiteks pööramine või nihutamine, mis jätab süsteemi põhimõtteliselt muutumatuks. Sümmeetria annab ka reegli, kuidas miski peaks alati käituma, kui sellele ei mõju väline jõud. Näiteks võib tuua Rubiku kuubiku. Kui me võtame Rubiku kuubiku ja ajame selle segi, tehes ükskõik milliseid liigutusi, on seda ikkagi võimalik lahendada. Kuna iga liigutus, mille me teeme, jätab Rubiku kuubiku endiselt lahendatavaks, võime öelda, et need liigutused on Rubiku kuubiku "sümmeetriad". Koos moodustavad nad selle, mida me nimetame Rubiku kuubiku sümmeetriarühmaks. Ükski neist käikudest ei muuda mõistatust, jättes selle alati lahendatavaks. Kuid me võime seda sümmeetriat rikkuda, tehes midagi sellist nagu kuubiku lahtivõtmine ja täiesti valesti kokku panemine. Ükskõik, milliseid käike me nüüd ka ei prooviks, ei ole võimalik kuubikut lahendada. Kuubiku lõhkumine ja valesti kokku panemine on "väline jõud": Ilma selle välise jõuta ei tee miski, mida me kuubikuga teeme, seda lahendamatuks. Rubiku kuubiku sümmeetria seisneb selles, et ta jääb lahendatavaks, mis tahes liigutusi me ka ei teeks, kui me ei võta kuubikut laiali.
Higgsi bosoni loomine
SU(2)-sümmeetria purunemise viisi nimetatakse "spontaanseks sümmeetria purustamiseks". Spontaanne tähendab juhuslikku või ootamatut, sümmeetriad on reeglid, mida muudetakse, ja murdumine viitab sellele, et sümmeetriad ei ole enam samad. SU(2)-sümmeetria spontaanse murdmise tulemuseks võib olla Higgsi boson.
Higgsi efekti põhjus
Higgsi efekt tekib seetõttu, et loodus "kaldub" madalaima energiaga olekusse. Higgsi efekt tekib seetõttu, et Higgsi välja läheduses olevad mõõtmisbosonid tahavad olla oma madalaimates energiastatsionaarides ja see rikub vähemalt ühte sümmeetriat.
Et õigustada massi andmist eeldatavalt massita osakestele, olid teadlased sunnitud tegema midagi ebatavalist. Nad eeldasid, et vaakumil (tühjal ruumil) on tegelikult energiat ja et kui sellesse siseneks osakese, mida me peame massivabaks, siis kanduks vaakumi energia sellesse osakestesse üle, andes talle massi. Üks matemaatik nimega Jeffrey Goldstone tõestas, et kui rikkuda sümmeetriat (näiteks Rubiku kuubiku sümmeetria oleks, kui sätestada, et nurgad peavad alati olema 0 või 3 korda pööratud, et neid saaks lahendada (see toimib)), siis tekib reaktsioon. Rubiku kuubiku puhul muutub kuubik lahendamatuks, kui seda rikutakse. Higgsi välja puhul tekib midagi Jeffrey Goldstone'i (ja teise temaga koos töötanud teadlase Yoichiro Nambu) järgi nimetatut, Nambu-Goldstone'i boson. See on vaakumi ergastatud või energeetiline vorm, mida saab graafiliselt kujutada, paljastades ülaltoodut. Seda selgitas esimesena Peter Higgs.
Niinimetatud "Mehhiko mütsipotentsiaal"
Küsimused ja vastused
K: Mis on Higgsi väli?
V: Higgsi väli on energiaväli, mis arvatakse olevat olemas igas universumi piirkonnas.
K: Milline on Higgsi väljaga seotud fundamentaalosakese?
V: Higgsi väljaga seotud fundamentaalosake on Higgsi boson.
K: Mis juhtub, kui osakesed suhtlevad Higgsi väljaga?
V: Higgsi väljaga vastastikmõjus olevad osakesed "saavad" massi ja muutuvad seda läbides aeglasemaks.
K: Kas Higgsi väli tekitab massi?
V: Ei, Higgsi väli ei tekita massi. Osakesed saavad massi läbi nende vastastikmõju Higgsi bosoniga.
K: Mis on selle tulemus, kui osake omandab massi Higgsi väljast?
V: Kui osake saab massi Higgsi väljast, siis selle tulemuseks on see, et ta ei saa liikuda valguse kiirusega.
K: Mis juhtuks, kui Higgsi välja ei oleks olemas?
V: Kui Higgsi väli ei eksisteeriks, ei oleks osakestel üksteise ligitõmbamiseks vajalikku massi ja nad hõljuksid vabalt valguskiirusel.
K: Mis on Higgsi efekt?
V: Higgsi efekt viitab objektile massi andmise protsessile, mis toimub siis, kui osakesed läbivad Higgsi välja ja suhtlevad Higgsi bosoniga.
Otsige