Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Wszystko wokół nas, w tym my sami, składa się z cząstek, ale kiedy powstał Wszechświat, żadne cząstki nie miały masy, a to co istniało poruszało się z prędkością światła. Gwiazdy, planety i życie mogły powstać tylko dlatego, że cząstki zyskały swoją masę poprzez oddziaływanie z podstawowym polem skalarnym (cząstką bez spinu). Istnienie tego dającego masę pola potwierdzono w 2012 roku, kiedy w CERN odkryto pierwszą elementarną cząstkę skalarną, tzw. bozon Higgsa przy użyciu tak zwanej kwantowej teorii pola.

Cząstka, którą dziś nazywamy bozonem Higgsa, po raz pierwszy pojawiła się w artykule naukowym napisanym przez Petera Higgsa w 1964 roku. W tym czasie fizycy pracowali nad opisaniem słabego oddziaływania – jednej z czterech fundamentalnych sił Natury – przy użyciu struktury zwanej teorią pola kwantowego (ang. Quantum Field Theory, QFT).

Cząstka, fala czy jedno i drugie?

Teoria pola kwantowego opisuje świat cząstek, który jest zupełnie inny niż świat makro, znany nam z życia codziennego. Podstawowe pola kwantowe wypełniają Wszechświat i dyktują, co Natura może, a czego nie może zrobić. W tym opisie każda cząsteczka może być reprezentowana przez pole falowe, podobnie do fali na powierzchni ogromnego oceanu. Jednym z przykładów jest foton, który jest falą w polu elektromagnetycznym.

Nośnicy sił

Kiedy cząstki oddziałują ze sobą, wymieniają się „nośnikami siły”. Te nośniki siły są cząstkami i można je również opisać jako fale w ich odpowiednich polach. Przykładowo, kiedy dwa elektrony oddziałują, robią to poprzez wymianę fotonów – fotony są nośnikami siły oddziaływania elektromagnetycznego.

Symetria

Kolejnym ważnym elementem tego obrazu jest symetria. Podobnie jak kształt można nazwać symetrycznym, jeśli nie zmienia się podczas obracania lub odwracania, podobne wymagania nakładane są na prawa Natury.

Przykładowo, siła elektryczna między cząstkami o ładunku elektrycznym równym jeden będzie zawsze taka sama, niezależnie od tego, czy cząstka jest elektronem, mionem czy protonem. Takie symetrie stanowią podstawę i definiują strukturę teorii.

Mechanizm Brout-Englert-Higgs (BEH)

Kwantowa teoria pola stanowiła już podstawę elektromagnetyzmu kwantowego, bardzo udanego opisu oddziaływania elektromagnetycznego. Zastosowanie podobnego podejścia do oddziaływań słabych nie było jednak możliwe z powodu fundamentalnego problemu: teoria nie pozwalała, aby cząstki miały masę. W szczególności słabe nośniki siły znane jako bozony W i Z musiały być bezmasowe, w przeciwnym razie podstawowa symetria teorii zostałaby złamana i teoria nie zadziałałaby. Stanowiło to poważny problem, ponieważ nośniki słabej siły musiały być masywne, aby były spójne z bardzo krótkim zasięgiem oddziaływań słabych. Rozwiązanie tego problemu znaleziono za pomocą mechanizmu Brout-Englert-Higgs. Mechanizm ten składa się z dwóch głównych elementów: całkowicie nowego pola kwantowego i specjalnej „sztuczki”. Nowe pole nazywamy obecnie polem Higgsa, a owa sztuczka polega na spontanicznym łamaniu symetrii.

Symetria spontanicznie złamana to taka, która jest obecna w równaniach teorii, ale złamana w układzie fizycznym. Wyobraźmy sobie ołówek stojący na czubku na środku stołu. Sytuacja idealnie symetryczna, ale tylko na chwilę: ołówek natychmiast by spadł, łamiąc symetrię obrotową, wybierając jeden kierunek. Jednak prawa natury pozostałyby niezmienione, bez wpisanego w nie z góry określonego kierunku. Tak więc brak symetrii został zasadniczo „oszukany”, bez naruszania symetrii fizyki.

Jak to działa w przypadku mas cząstek? Kiedy Wszechświat się narodził, był wypełniony polem Higgsa w stanie niestabilnym, ale symetrycznym. Ułamek sekundy po Wielkim Wybuchu pole znalazło stabilną konfigurację, ale taką, która łamie początkową symetrię. W tej konfiguracji równania pozostają symetryczne, ale zerwana symetria pola Higgsa powoduje powstanie mas bozonów W i Z. Jak się później okazało, inne cząstki elementarne również uzyskują masy poprzez interakcję z polem Higgsa, dając początek właściwościom cząstek, które obserwujemy dzisiaj.

Czym więc jest bozon Higgsa?

Ponieważ każdą cząstkę można przedstawić jako falę w polu kwantowym, wprowadzenie do teorii nowego pola oznacza, że powinna istnieć również cząstka związana z tym polem. Większość właściwości tej cząstki jest przewidziana przez teorię, więc znalezienie cząstki pasującej do opisu dostarcza mocnych dowodów na mechanizm BEH – w przeciwnym razie nie mamy możliwości zbadania istnienia pola Higgsa. Bozon Higgsa jest tą cząstką, a jego odkrycie w 2012 roku potwierdziło mechanizm BEH i pole Higgsa, umożliwiając naukowcom dalsze badania w zrozumieniu materii. Szczegółowy pomiar właściwości bozonu Higgsa ma kluczowe znaczenie dla odkrywania wielu niezwykłych tajemnic fizyki cząstek elementarnych i kosmologii, od burzliwej zmienności mas cząstek elementarnych po losy Wszechświata.

Jak odkryto bozon Higgsa?

Bozon Higgsa został odkryty prawie 50 lat po pierwszym postawieniu hipotezy o jego istnieniu. Ale dlaczego potwierdzenie tego zajęło tak dużo czasu?

Z masą ponad 120 razy większą od masy protonu, bozon Higgsa jest drugą najcięższą znaną obecnie cząstką. Ta duża masa w połączeniu z niezwykle krótkim czasem „życia” (10^{-22} sekund) oznacza, że cząstki nie można znaleźć w Naturze – jej istnienie można zweryfikować jedynie, wytwarzając ją w laboratorium. Pierwszym w historii zderzaczem cząstek zdolnym do wytwarzania bozonów Higgsa w znacznych ilościach jest Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), który rozpoczął swój program zderzeń wysokoenergetycznych w 2010 roku.

Biorąc pod uwagę czas życia, bozon Higgsa niemal natychmiast rozpada się – lub przekształca – w inne cząstki. Nie można więc go zaobserwować bezpośrednio. Cząsteczki z rozpadu bozonu są jedynymi śladami, jakie po sobie pozostawia. Ślady te muszą być wykrywane i precyzyjnie mierzone za pomocą detektorów cząstek.

Po wykryciu produktów rozpadu następnym krokiem jest ustalenie, czy możemy powiedzieć, że powstał bozon Higgsa. Problem polega na tym, że cząstki, na które rozpada się bozon Higgsa, są tymi samymi rodzajami cząstek, które są obficie produkowane w zderzeniach protonów w LHC. Samo zobaczenie pary fotonów (jeden z końcowych stanów rozpadu bozonu Higgsa) nie wskazuje na to, że bozon Higgsa istnieje i jest wytwarzany w eksperymencie. Zwłaszcza, że ​​bozon Higgsa jest produkowany tylko raz na miliard takich zderzeń. Naukowcy potrzebują zatem sposobu na określenie, kiedy para fotonów (lub cztery miony czy inny stan końcowy, w który rozpada się bozon) pochodzi z rozpadu bozonu Higgsa, a kiedy nie. Ten problem w stylu poszukiwania igły w stogu siana można rozwiązać, ale nie bezpośrednio. Innymi słowy, nie można znaleźć igły, ale można sprawdzić, czy igła jest gdzieś w stogu siana.

W szczególności nie można stwierdzić, w której kolizji powstał bozon Higgsa, ale fakt, że jest on wytwarzany, można z całą pewnością ustalić po przeanalizowaniu wystarczającej liczby zderzeń.

Peter Higgs

Brytyjski fizyk teoretyk w roku 1964 sformułował hipotezę dotyczącą istnienia w próżni pola (nazwanego później polem Higgsa), dzięki któremu cząstki elementarne uzyskują masę. Ta hipoteza umożliwiła Stevenowi Weinbergowi rozwinięcie modelu standardowego. W 2013 roku otrzymał wraz z François Englertem Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za przewidzenie teoretyczne i potwierdzenie doświadczalne istnienia bozonu Higgsa, a przez to za wkład w zrozumienie istoty masy materii.

Opracowano na podstawie:

What's so special about the Higgs boson?
How did we discover the Higgs boson?