Bozon Higgsa nadaje cząstkom masę - tak przynajmniej wynika z naszego stanu wiedzy

Bozon Higgsa – i co dalej?

4 lipca 2012 r. ogłoszono odkrycie nowej cząstki elementarnej przez detektory ATLAS i CMS, działające w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC). Okazało się, że jest to od dawna poszukiwana „boska cząstka”, czyli bozon Higgsa. 9 lat później, warto się zastanowić, co przez ten czas zmieniło się w fizyce.

Peter Higgs w 1964 r. sformułował hipotezę dotyczącą istnienia w próżni pola, dzięki któremu cząstki elementarne uzyskują masę – tzw. pola Higgsa. Na potwierdzenie istnienia „boskiej cząstki”, czyli bozonu nadającego masę innym cząstkom, Higgs musiał czekać blisko 50 lat. Doczekał się, a w 2013 r. został uhonorowany Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki. Ale dlaczego tak naprawdę bozon Higgsa jest tak wyjątkowy? Co o nim wiemy, a czego jeszcze nie?

Odkrycie bozonu Higgsa to nie tylko jest najważniejsze odkrycie w fizyce w ostatnich latach, ale w pewnym stopniu największe odkrycie w nauce w ogóle.

dr Piotr Zalewski z Zakładu Fizyki Wysokich Energii Narodowego Centrum Badań Jądrowych

Bozon Higgsa, czyli co?

Co tak naprawdę „robi” bozon Higgsa? To cząstka, której istnienie jest postulowane przez Model Standardowy, czyli podstawową teorię fizyczną opisującą zachowanie elementów budulcowych materii. W wyniku tzw. mechanizmu Higgsa pola kwantowe sprzęgają się z polem Higgsa – następuje spontaniczne złamanie symetrii, a bezmasowe cząstki zostają obdarzone masą. Co to tak naprawdę oznacza? Nie mniej, nie więcej, a tyle, że bez bozonu Higgsa nic we Wszechświecie nie miałoby masy.

Naukowcy od dawna zastanawiali się, skąd bierze się masa danego obiektu. Wskazywano na nieuchwytny bozon Higgsa, zwany także „boską cząstką”, bez które nie mogłoby istnieć nic, co znamy. Przez wiele lat próbowano go „złapać”, ale dopiero budowa Wielkiego Zderzacza Hardonów (LHC), gigantycznego akceleratora cząstek w CERN, dostarczyła prawdziwy dowód.

Zderzenia cząstek elementarnych, dzięki którym odkryto bozon Higgsa

Niektórzy naukowcy twierdzą, że bozon Higgsa jest jak żywa skamielina z początków istnienia Wszechświata. Dlaczego? Przed Wielkim Wybuchem nie istniały prawa fizyki, które znamy (a inne?) i nagle okazało się, że z niczego powstało coś, a Wszechświat rozwinął się do postaci, którą obserwujemy dzisiaj. Dlaczego tak się stało? Jakie były kolejne etapy po sobie następujące? To jedne z najtrudniejszych pytań nie tylko w fizyce, ale we współczesnej nauce ogólnie.

Tuż po Wielkim Wybuchu Wszechświat był niewyobrażalnie gorący, ale szybko zaczął stygnąć. Kiedy tylko ten proces się zaczął, pojawiły się stałe, które są obecne w każdym punkcie przestrzeni.

Teoria, która została wymyślona m.in. przez Higgsa, przewiduje, że gdzie byśmy się nie znaleźli, możemy zapytać stan o najniższej energii, czyli próżnię, czy ona ma jakieś własności i okazuje się, że ona właśnie ma dwie liczby. Jedna z nich jest bezpośrednio związana z tym, jaka jest masa tej cząstki, czyli bozonu Higgsa.

dr Piotr Zalewski

Czego jeszcze brakuje?

Na odkryciu bozonu Higgsa nie możemy poprzestać. W Modelu Standardowym wciąż brakuje pewnych „puzzli”. Odkrycie bozonu Higgsa dało fizykom pole do snucia nowych rozważań i teorii.

Jest to cząstka, która nie jest związana z żadnymi innymi cząstkami, o których wiemy. Pozostało wiele do zbadania.

prof. Michael Peskin, fizyk teoretyczny z SLAC National Accelerator Laboratory

Masa bozonu Higgsa „coś” nam mówi, ale fizycy nadal nie są pewni co dokładnie. Potrzebujemy więcej badań i więcej detekcji „boskiej cząstki”, które wcale tak często się nie zdarzają. Zmierzone właściwości bozonu Higgsa dość dobrze pasują do przewidywań Modelu Standardowego. Peskin uważa jednak, że wciąż jest wiele luk w naszej wiedzy.

Obecność nowych, cięższych cząstek tylko nieznacznie wpłynęłaby na bozon Higgsa. Jeśli pojawią się cięższe, nowe cząstki, pomiary Higgsa będą tylko nieznacznie odbiegać od przewidywań Modelu Standardowego – być może o około 5 procent.

prof. Michael Peskin

To nie wszystko, bo nowe, cięższe cząstki, o których wspomina prof. Peskin, tak naprawdę mogą być egzotycznymi rodzajami bozonów Higgsa. Nikt nigdy nie powiedział, że może istnieć tylko jedna „boska cząstka”.

Zderzenia cząstek są możliwe dzięki akceleratorom, takim jak LHC

Jeśli jest to tylko najlżejszy Higgs spośród wielu innych bozonów Higgsa, potrzebujemy precyzyjnych pomiarów, aby szukać tych niewielkich odstępstw od Modelu Standardowego. Wciąż niewiele wiemy o Wszechświecie.

prof. Michael Peskin

Podczas pierwszego uruchomienia LHC, uzyskano ok. 14 000 bozonów Higgsa do badań. Kolejne powinny dać 5-10 razy więcej tych cząstek, co oczywiście przełoży się na jakość samych pomiarów.

Samo odkrycie bozonu Higgsa było imponujące, ale należy je potraktować nie jako zwieńczenie liczącej blisko 50 lat teorii, a trampolinę do uformowania kolejnych. Czasy fizyki cząstek elementarnych nigdy jeszcze nie były tak ekscytujące.

Chcesz być na bieżąco z CHIP? Obserwuj nas w Google News