Jednostavno rečeno, Higgsov bozon je najskuplja čestica svih vremena. Ako su, na primjer, vakuumska cijev i par briljantnih umova bili dovoljni za otkrivanje elektrona, potraga za Higgsovim bozonom zahtijevala je stvaranje eksperimentalne energije koja se rijetko nalazi na Zemlji. Veliki hadronski sudarač ne treba predstavljati, jedan je od najpoznatijih i najuspješnijih znanstvenih eksperimenata, ali je njegova profilna čestica, kao i prije, za većinu stanovništva obavijena velom misterije. Nazvana je Božjom česticom, međutim, zahvaljujući naporima doslovno tisuća znanstvenika, više ne moramo prihvaćati njezino postojanje na vjeru.
Zadnje nepoznato
Što je Higgsov bozon i kolika je važnost njegovog otkrića? Zašto je to postalo predmet tolikog hypea, financiranja i dezinformacija? Iz dva razloga. Prvo, to je bila posljednja neotkrivena čestica potrebna za potvrdu Standardnog modela fizike. Njezino otkriće značilo je da čitava generacija znanstvenih publikacija nije bila uzaludna. Drugo, ovaj bozon drugim česticama daje njihovu masu, što mu daje posebno značenje i neku "čaroliju". Skloni smo razmišljati omasa kao intrinzično svojstvo stvari, ali fizičari misle drugačije. Jednostavno rečeno, Higgsov bozon je čestica bez koje masa u principu ne postoji.
Još jedno polje
Razlog leži u takozvanom Higgsovom polju. Opisan je i prije Higgsovog bozona, jer su ga fizičari izračunali za potrebe vlastitih teorija i zapažanja, što je zahtijevalo prisutnost novog polja čije bi se djelovanje proširilo na cijeli Svemir. Pojačavanje hipoteza izmišljanjem novih komponenti svemira je opasno. U prošlosti je, na primjer, to dovelo do stvaranja teorije etera. No, što je bilo više matematičkih izračuna, to su fizičari više shvaćali da Higgsovo polje mora postojati u stvarnosti. Jedini problem bio je nedostatak praktičnih sredstava za njegovo promatranje.
U standardnom modelu fizike, elementarne čestice dobivaju masu kroz mehanizam koji se temelji na postojanju Higgsovog polja koje prožima cijeli prostor. Stvara Higgsove bozone, koji zahtijevaju puno energije, a to je glavni razlog zašto su znanstvenici potrebni moderni akceleratori čestica za provođenje eksperimenata visoke energije.
Odakle dolazi masa?
Snaga slabih nuklearnih interakcija brzo opada s povećanjem udaljenosti. Prema kvantnoj teoriji polja, to znači da čestice koje sudjeluju u njegovom stvaranju - W- i Z-bozoni - moraju imati masu, za razliku od gluona i fotona koji nemaju masu.
Problem je u tome što se mjerne teorije bave samo elementima bez mase. Ako gauge bozoni imaju masu, onda se takva hipoteza ne može razumno definirati. Higgsov mehanizam izbjegava ovaj problem uvođenjem novog polja zvanog Higgsovo polje. Pri visokim energijama, gauge bozoni nemaju masu, a hipoteza funkcionira kako se očekivalo. Pri niskim energijama, polje uzrokuje kršenje simetrije što omogućuje elementima da imaju masu.
Što je Higgsov bozon?
Higgsovo polje proizvodi čestice zvane Higgsovi bozoni. Njihova masa nije teorijski određena, ali je kao rezultat eksperimenta utvrđeno da je jednaka 125 GeV. Jednostavno rečeno, Higgsov bozon je svojim postojanjem definitivno potvrdio standardni model.
Mehanizam, polje i bozon nose ime škotskog znanstvenika Petera Higgsa. Iako nije bio prvi koji je predložio te koncepte, ali, kao što je to često slučaj u fizici, jednostavno je bio taj po kome su i dobili ime.
Narušena simetrija
Smatralo se da je Higgsovo polje odgovorno za činjenicu da jesu čestice koje ne bi trebale imati masu. Ovo je univerzalni medij koji česticama bez mase daje različite mase. Takvo kršenje simetrije objašnjava se analogijom sa svjetlošću – sve se valne duljine kreću u vakuumu istom brzinom, dok se u prizmi može razlikovati svaka valna duljina. Ovo je, naravno, pogrešna analogija, budući da bijela svjetlost sadrži sve valne duljine, ali primjer pokazuje kakoČini se da je stvaranje mase Higgsovim poljem posljedica kršenja simetrije. Prizma razbija simetriju brzine različitih valnih duljina svjetlosti tako što ih razdvaja, a smatra se da Higgsovo polje razbija simetriju masa nekih čestica koje su inače simetrično bez mase.
Kako jednostavno objasniti Higgsov bozon? Tek nedavno su fizičari shvatili da će, ako Higgsovo polje stvarno postoji, njegovo djelovanje zahtijevati prisutnost odgovarajućeg nosača sa svojstvima zbog kojih se može promatrati. Pretpostavljalo se da ova čestica pripada bozonima. Jednostavno rečeno, Higgsov bozon je takozvana nosiva sila, isto kao i fotoni, koji su nositelji elektromagnetskog polja Svemira. Fotoni su, na neki način, njegove lokalne pobude, baš kao što je Higgsov bozon lokalna pobuda svog polja. Dokazivanje postojanja čestice sa svojstvima koja su očekivali fizičari zapravo je bilo jednako izravnom dokazivanju postojanja polja.
Eksperiment
Mnogogodišnje planiranje omogućilo je da Veliki hadronski sudarač (LHC) postane dokaz potencijalnog opovrgavanja teorije Higgsovog bozona. Prsten super-moćnih elektromagneta od 27 km može ubrzati nabijene čestice do značajnih djelića brzine svjetlosti, uzrokujući sudare koji su dovoljno jaki da ih razdvoje na njihove komponente, kao i deformirati prostor oko točke udara. Prema proračunima, kod energije sudara na dovoljno visokoj razini, moguće je napuniti bozon tako da se raspadne, a to se možeće gledati. Ta je energija bila toliko velika da su se neki čak uspaničili i predvidjeli smak svijeta, a fantazija drugih otišla je toliko daleko da je otkriće Higgsovog bozona opisano kao prilika da se pogleda u alternativnu dimenziju.
Konačna potvrda
Činilo se da su prva opažanja zapravo opovrgla predviđanja, a nije se mogao pronaći nikakav znak čestice. Neki od istraživača uključenih u kampanju za trošenje milijardi dolara čak su se pojavili na televiziji i krotko izjavili da je pobijanje znanstvene teorije jednako važno kao i njezino potvrđivanje. Nakon nekog vremena, međutim, mjerenja su se počela zbrajati u širu sliku, a 14. ožujka 2013. CERN je službeno objavio potvrdu postojanja čestice. Postoje dokazi koji upućuju na postojanje višestrukih bozona, ali ovu ideju treba dodatno proučiti.
Dvije godine nakon što je CERN objavio otkriće čestice, znanstvenici koji rade na Velikom hadronskom sudaraču uspjeli su to potvrditi. S jedne strane, ovo je bila ogromna pobjeda znanosti, a s druge strane, mnogi su znanstvenici bili razočarani. Ako se itko nadao da će Higgsov bozon biti čestica koja će dovesti do čudnih i prekrasnih područja izvan Standardnog modela - supersimetrija, tamna tvar, tamna energija - onda se, nažalost, pokazalo da to nije slučaj.
Studija objavljena u Nature Physics potvrdila je raspad u fermione. Standardni model predviđa da, jednostavnim riječima, bozonHiggs je čestica koja fermionima daje njihovu masu. Detektor CMS sudarača konačno je potvrdio njihov raspad u fermione - down kvarkove i tau leptone.
Higgsov bozon jednostavnim riječima: što je to?
Ova studija je konačno potvrdila da je ovo Higgsov bozon predviđen Standardnim modelom fizike čestica. Nalazi se u području mase i energije od 125 GeV, nema spin i može se raspasti na mnogo lakših elemenata - parove fotona, fermiona itd. Zahvaljujući tome, možemo sa sigurnošću reći da Higgsov bozon, jednostavnim riječima, je čestica koja daje masu svemu.
Razočarani zadanim ponašanjem novootvorenog elementa. Kad bi njezino raspadanje bilo čak i malo drugačije, bilo bi drugačije povezano s fermionima i pojavili bi se novi putevi istraživanja. S druge strane, to znači da nismo odmakli niti jedan korak dalje od Standardnog modela, koji ne uzima u obzir gravitaciju, tamnu energiju, tamnu tvar i druge bizarne fenomene stvarnosti.
Sada se može samo nagađati što ih je uzrokovalo. Najpopularnija teorija je supersimetrija, koja kaže da svaka čestica u Standardnom modelu ima nevjerojatno teškog superpartnera (tako da čini 23% svemira – tamnu tvar). Nadogradnja sudarača, udvostručavajući njegovu energiju sudara na 13 TeV, vjerojatno će omogućiti otkrivanje ovih superčestica. Inače će supersimetrija morati pričekati na izgradnju snažnijeg nasljednika LHC-a.
Daljnji izgledi
Pa kakva će biti fizika nakon Higgsovog bozona? LHC je nedavno nastavio s radom uz značajna poboljšanja i može vidjeti sve, od antimaterije do tamne energije. Vjeruje se da tamna tvar komunicira s običnom materijom isključivo gravitacijom i stvaranjem mase, a značaj Higgsovog bozona ključan je za razumijevanje kako se to točno događa. Glavni nedostatak Standardnog modela je to što ne može objasniti učinke gravitacije – takav bi se model mogao nazvati Velikom unificiranom teorijom – a neki vjeruju da bi čestica i Higgsovo polje mogli biti most koji fizičari toliko očajnički žele pronaći.
Postojanje Higgsovog bozona je potvrđeno, ali njegovo potpuno razumijevanje je još jako daleko. Hoće li budući eksperimenti pobiti supersimetriju i ideju njezine razgradnje u samu tamnu tvar? Ili će potvrditi svaki posljednji detalj predviđanja Standardnog modela o svojstvima Higgsovog bozona i zauvijek okončati ovo područje istraživanja?
