Higgsov bozon spada među najvažnije čestice koje su fizičari ikad proučavali.
Zahvaljujući njemu, čestice poput elektrona i kvarkova imaju masu, a to je temelj za postojanje atoma, tvari i cijelog svemira kakvog poznajemo.
Znanstvenici su Higgsov bozon otkrili tek 2012. godine u CERN-u.
Na tome su radili desetljećima, još od 1964.
Kako Higgsovo polje daje masu česticama
Higgsovo polje ispunjava cijeli svemir.
Masa elementarnih čestica ovisi o tome koliko snažno one reagiraju s ovim poljem.
Foton, na primjer, uopće ne reagira pa nema masu.
W i Z bozoni, s druge strane, snažno reagiraju i zbog toga su masivni.
Što je Higgsovo polje i kako djeluje
Ne možemo vidjeti Higgsovo polje, niti ga možemo izravno osjetiti.
Ipak, ono je prisutno posvuda.
Kad čestica prolazi kroz to polje, nailazi na otpor.
Taj otpor zapravo shvaćamo kao masu.
Ako pokušamo pojednostaviti, zamislimo česticu koja se kreće kroz gustu tekućinu.
Što se više “lijepi” za tu tekućinu, to je teža i sporija.
Nije savršena usporedba, ali može pomoći.
Koje čestice dobivaju masu, a koje ne
Standardni model dijeli elementarne čestice u nekoliko skupina:
| Skupina | Primjeri | Imaju li masu |
|---|---|---|
| Fermioni | Kvarkovi, leptoni | Da |
| Bozoni sile | W i Z bozoni | Da |
| Bozoni sile | Foton, gluon | Ne |
Kvarkovi i leptoni su fermioni, oni čine svu tvar oko nas.
Foton nema masu jer ne reagira s Higgsovim poljem.
W i Z bozoni su vrlo masivni, čak 80 do 91 puta teži od protona.
Higgsov bozon je kvant samog Higgsovog polja, slično kao što je foton kvant elektromagnetskog polja.
Znanstvenici su 1964. predložili Higgsov mehanizam upravo zato da objasne zašto neke čestice imaju masu, a druge ne.
Zašto je ova čestica bila ključna za Standardni model
Standardni model fizike čestica opisuje sve poznate elementarne čestice i sile.
Bez Higgsovog bozona, model bi bio nepotpun.
Jednadžbe bez mehanizma za masu ne bi imale smisla – sve bi se raspalo.
Masa čestica nije nebitna stvar.
Protoni i neutroni, koji čine atomske jezgre, svoju masu uglavnom duguju interakcijama kvarkova.
Bez mase elementarnih čestica, atomi se ne bi mogli stvoriti.
Zapravo, ne bi bilo ni tvari ni svemira kakvog vidimo.
Higgsov bozon ima nekoliko važnih uloga:
- Objašnjava zašto W i Z bozoni imaju masu, a foton nema.
- Potvrđuje mehanizam narušavanja elektroslabe simetrije u ranom svemiru.
- Daje teorijsku konzistentnost modelu koji opisuje sile, osim gravitacije.
- Pomaže da jednadžbe o interakcijama čestica imaju smisla.
Kako je otkrivena u CERN-u
Otkriće Higgsovog bozona nije bilo jednostavno.
Fizičari su koristili najmoćniji akcelerator čestica na svijetu.
Potvrda je stigla iz dva odvojena eksperimenta.
Znanstvenici su česticu prepoznali pomoću proizvoda njenog raspada, posebno tzv. four-lepton final state.
Taj signal se pojavio na 125 GeV i bio je prilično jasan.
Veliki hadronski sudarač i eksperimenti ATLAS i CMS
Veliki hadronski sudarač (LHC) u CERN-u ubrzava protone gotovo do brzine svjetlosti.
Protoni se sudaraju u točkama gdje su detektori.
Energija sudara bila je dovoljna da se stvori Higgsov bozon.
On se odmah raspada na lakše čestice.
Dva eksperimenta su neovisno potvrdila otkriće.
ATLAS i CMS radili su odvojeno, bez razmjene rezultata.
Oba su 4. srpnja 2012. objavila otkriće čestice mase oko 125 GeV.
Particle Data Group kasnije je preciznije izmjerila masu: 125,18 ± 0,16 GeV/c².
Nobelova nagrada i potvrda otkrića
François Englert i Peter Higgs dobili su Nobelovu nagradu za fiziku 2013.
Oni su još 1964. teoretski predvidjeli ovu česticu.
Robert Brout, koji je s Englertom predložio isti mehanizam, preminuo je 2011. i nije mogao dobiti nagradu.
Kasniji eksperimenti na LHC-u potvrdili su da nova čestica ima spin 0.
To je baš ono što je standardni model predviđao za Higgsov bozon.
Što još ne znamo i gdje vode nova istraživanja
Iako su znanstvenici 2012. otkrili Higgsov bozon, ova čestica još uvijek skriva puno toga. Jedno od glavnih pitanja jest može li Higgsovo polje imati veze s tamnom materijom. Tamna materija, kažu, čini oko 27% svemira, a fizičari je još uvijek ne mogu izravno uhvatiti.
Neki istraživači razmišljaju: postoji li možda više vrsta Higgsovih bozona, a ne samo jedan jedini? Teorije izvan standardnog modela zapravo predviđaju mogućnost da postoji cijela “obitelj” tih čestica.
Neka otvorena pitanja koja trenutačno usmjeravaju nova istraživanja:
- Veza s tamnom materijom: Znanstvenici nagađaju da bi Higgsovo polje moglo biti svojevrsni “portal” prema nevidljivim česticama tamne materije.
- Stabilnost svemira: Masa Higgsovog bozona, oko 125 GeV, svemir postavlja na rub između stabilnosti i metastabilnosti. To ima ozbiljne kozmološke posljedice.
- Jesu li Higgsova svojstva baš onakva kakva predviđa standardni model: Svako malo odstupanje u mjerenjima moglo bi značiti da postoji neka nova fizika.
- Zašto je masa Higgsovog bozona toliko mala u odnosu na Planckovu energiju? Ovo zovu problemom hijerarhije.
Naziv “božja čestica” zapravo dolazi iz popularne literature, a ne od fizičara poput Petera Higgsa ili Françoisa Englerta. U znanstvenim krugovima često kritiziraju taj naziv jer zvuči senzacionalistički i ne opisuje stvarnu prirodu čestice. Peter Higgs, zanimljivo, nije volio taj izraz i često ga je izbjegavao.
