Higsov bozon

Uvod

Higgsov bozon je hipotetska čestica koja, ako postoji, daje mehanizam po kojem čestice stječu masu.

Materija je izrađena od molekula; molekule od atoma; atomi od oblaka elektrona veličine sto milijunitog dijela centrimetra i jezgre veličine sto tisućitog dijela oblaka. Jezgra je građena od protona i neutrona. Svaki proton (i neutron) ima oko dvije tisuće puta veću masu nego elektron. Znamo mnogo o tome zašto je jezgra tako mala. Ono što ne znamo je kako čestice stječu masu, Zašto su mase takve kakve jesu. Zašto su omjeri masa upravo takvi. Ne možemo tvrditi da razumijemo konstituente materije ako ne možemo dati zadovoljavajući odgovor na ovo pitanje.

Što određuje veličine objekata koje vidimo oko nas ili čak i našu vlastitu veličinu? Odgovor je u veličini molekula i prema tome i atoma koji tvore molekule. Ali što određuje veličinu samih atoma. Kvantna teorija i atomska fizika nam daje odgovor. Veličina atoma je određena stazama elektronskog kruženja oko jezgre. Veličina tih orbita je, pak, određena masom elektrona. Da su elektroni manje mase, orbite (a prema tome i sami atomi) bi bile manje te bi kao posljedica toga sve bilo manje. Zato je razumijevanje mase elektrona ključno za razumijevanje veličine svega oko nas.

Moglo bi biti teško shvatiti porijeklo jedne veličine – a ta veličina je masa elektrona. Srećom, priroda nam je dala više od jedne elementarne čestice i te čestice dolaze sa širokom raznolikosti masa. Najlakša čestica je elektron, a najteža je, vjerujemo, čestica po imenu t kvark, koji je barem 200 000 puta teži od elektrona. Sa ovom raznolikošću čestičnih masa, možemo imati trag za individualne mase čestica.

Nažalost, ako pokušate napisati teoriju čestica i njihovih interakcija, tada najjednostavnija verzija zahtjeva da su sve mase jednake nuli. Dakle, s jedne strane imamo različite mase čestica, a s druge strane teoriju po kojoj bi sve mase trebale biti nula. Takva zagonetka daje uzbudljivost i izazovnost znanosti.

Higgsov bozon

Postoji jedno pametno i vrlo elegantno rješenje problema, rješenje koje je prvi predstavio Peter Higgs. On je predložio da je cijeli prostor ispunjen poljem, sličnom na neki način elektromagnetskom polju. Kako čestica putuje kroz polje, interagira s njim i stječe ono što se doima kao masa. Ovo je slično viskoznim silama koje osjete čestice dok putuju kroz gustu tekućinu. Što je veća interakcija čestice s polje, veća nam se čini njena masa. Zato je postojanje ovog polja ključno u Higgsovoj hipotezi za produkciju mase čestica.

Higgsov bozon je neotkrivena elementarna čestica, za koju se smatra da bi bila vitalan dio za upotpunjenje slagalice u fizici čestica. Kao i sve čestice, ima valna svojstva srodna onima koja nastaju mreškanjem površine vode u jezeru koje je uznemireno. U kvantnom jeziku analog površini vode koja prenosi valove je polje. Svaki tip čestica ima svoje odgovarajuće polje.

Zamislite koktel-zabavu političke stranke na kojoj su uzvanici uniformno raspodjeljeni po prostoriji, svi razgovaraju sa najbližim susjedom. Ministar ulazi i prolazi kroz prostoriju. Svi uzvanici u njegovoj okolini su jako privučeni njemu i nakupljaju se oko njega. Kako se kreće, privlači ljude u čiju blizinu dolazi, dok oni koje ostavi se vraćaju u svoje položaje. Zbog skupine ljudi koji su stalno oko njega, on efektivno dobiva veću masu od normalne, tj. ima veću količinu gibanja za istu brzinu dok se giba po prostoriji. Dok se kreće, teško se zaustavlja i kad se zaustavi, teško se ponovo pokreće.

Mehanizam

U tri dimenzije i sa relativističkim komplikacijama, ovo je opis Higgsovog mehanizma. Da bi čestica dobila masu, izumljeno je pozadinsko polje koje postaje lokalno poremećeno kada se čestica giba kroz njega. Poremećaj – nakupljanje polja oko čestice – generira čestičnu masu. Ideja dolazi izravno iz fizike čvrstog stanja. Umjesto polja raširenog po cijelom prostoru, krutina sadržava rešetke pozitivnog naboja atoma kristala. Kada se elektron giba kroz njih, privlači sebi atome, što efektivnu masu elektrona čini i do četrdeset puta većom od mase slobodnog elektrona.

Postulirano Higgsovo polje u vakuumu je vrsta hipotetske rešetke koja popunjava naš Svemir. To trebamo jer inače ne možemo objasniti zašto su Z i W bozoni, čestice koje prenose slabu interakciju, tako teški dok je foton, koji prenosi elektromagnetske sile, bez mase.

Sada promotrimo vijest koja se kreće našom sobom punom uniformno raspoređenih političkih govornika. Oni bliže vratima je prvi čuju i skupe se bliže da čuju detalje, tada se okrenu i približe susjedima koji također žele čuti. Val nakupljanja prolazi sobom. Može se raširiti u sve kuteve sobe ili formirati kompaktnu nakupinu koja nosi vijest po pravcu do neke važne ličnosti na drugom kraju sobe. Budući da informaciju nose nakupine ljudi i budući da je nakupljanje ono što je ministru dalo dodatnu masu, ispada da i nakupine koje nose vijest također imaju masu.

Higgsov bozon je predviđen da bude baš kao nakupine u Higgsovom polju. Puno ćemo lakše povjerovati da polje postoji i da je mehanizam koji daje česticama masu ispravan ako nađemo samu Higgsovu česticu. Opet, postoje analogije sa fizikom čvrstog stanja. Kristalna rešetka može prenijeti valove nakupina bez potrebe za elektronom koji pokreće i privlači atome. Ti se valovi ponašaju kao da su čestice. Oni se zovu fononi i oni su također bozoni.

Higgsovo polje je jednostavno – ima iste karakteristike bez obzira iz kojeg se smjera promatra i u nekim pogledima se ne razlikuje od praznog prostora. Zato fizičari zamišljaju Higgsovo polje kao nešto što prožima cijeli prostor i snabdijeva ga «zrncima» kao npr. daskama od drveta.
Smjer zrnaca se ne može detektirati i postaje bitan jedino kada se uzimaju u obzir Higgsove interakcije sa drugim česticama, npr. čestice koje se zovu vektorski bozoni mogu putovati sa zrncima, u tom se slučaju lako gibaju na velikim udaljenostima i promatraju se kao fotoni – čestice svjetlosti, ili u suprotnom smjeru, a u tom slučaju njihov efektivni domet postaje puno kraći i zovemo ih W ili Z čestice. One igraju važnu ulogu u fizici nuklearih reakcija kakve se javljaju u jezgri Sunca.

Higgsovo polje omogućuje nam da vidimo naizgled nevezane fenomene kao dvije strane istog novčića. Oba se mogu opisati u terminima karakteristika istih vektroskih bozona. Kada čestice materije kao što su elektroni i kvarkovi putuju kroz zrnca, konstantno se «prevrću» što ih usporava sporije od njihove prirodne brzine – brzine svjetlosti, čineći ih teškima. Vjerujemo da je Higgsovo polje odgovorno za snabdijevanje doslovno sve materije masom.

Može postojati Higgsov mehanizam i Higgsovo polje u našem Svemiru bez da postoji Higgsov bozon. Nova generacija akceleratora bi to trebala riješiti.

Kao i mnoge analogije, drvena zrnca su uvjerljiva, ali pogrešna. Trebamo zrnca doživljavati ne definiranjem njihovog smjera u svakodnevnom trodimenzionalnom prostoru, nego radije u nekom apstraktnom internom prostoru naseljenom raznim vrstama vektorskih bozona, elektrona i kvarkova.

=================================================================

Izvor: http://www.croeos.net