Wszyscy znamy i kochamy bozon Higgsa - który ku rozczarowaniu fizyków został błędnie oznaczony w mediach jako „cząstka Boga” - cząsteczka subatomowa po raz pierwszy zauważona w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w 2012 roku. Ta cząstka jest kawałkiem pola, które przenika całą czasoprzestrzeń; oddziałuje z wieloma cząsteczkami, takimi jak elektrony i kwarki, zapewniając masie tym cząsteczkom, co jest całkiem fajne.
Ale Higgs, które zauważyliśmy, był zaskakująco lekki. Według naszych najlepszych szacunków powinna być znacznie cięższa. To otwiera interesujące pytanie: Jasne, zauważyliśmy bozon Higgsa, ale czy był to jedyny bozon Higgsa? Czy jest więcej osób, które pływają tam i robią własne rzeczy?
Chociaż nie mamy jeszcze dowodów na istnienie cięższego Higgsa, zespół badaczy z LHC, największego na świecie niszczyciela atomów, zastanawia się nad tym pytaniem. Mówi się, że gdy protony są rozbijane razem w zderzaku w kształcie pierścienia, ciężkie Higgs, a nawet cząstki Higgsa złożone z różnego rodzaju Higgów mogą wyjść z ukrycia.
Jeśli ciężkie Higgs rzeczywiście istnieje, musimy ponownie skonfigurować nasze rozumienie Standardowego Modelu Fizyki Cząstek z nowo odkrytym uświadomieniem sobie, że Higgs ma znacznie więcej niż na pierwszy rzut oka. A w tych złożonych interakcjach może istnieć wskazówka do wszystkiego, od masy upiornej cząsteczki neutrina po ostateczny los wszechświata.
Wszystko o bozonie
Bez bozonu Higgsa prawie cały model standardowy ulega awarii. Aby jednak mówić o bozonie Higgsa, musimy najpierw zrozumieć, w jaki sposób Model Standardowy postrzega wszechświat.
W naszej najlepszej koncepcji świata subatomowego z wykorzystaniem Modelu Standardowego to, co uważamy za cząstki, nie jest tak naprawdę bardzo ważne. Zamiast tego są pola. Te pola przenikają i pochłaniają całą przestrzeń i czas. Dla każdego rodzaju cząstek istnieje jedno pole. Jest więc pole na elektrony, pole na fotony itd. I tak dalej. To, co myślisz o cząstkach, to tak naprawdę lokalne małe wibracje w ich poszczególnych polach. A kiedy cząstki wchodzą w interakcje (powiedzmy, odbijając się od siebie), tak naprawdę wibracje na polach wykonują bardzo skomplikowany taniec.
Bozon Higgsa ma specjalny rodzaj pola. Podobnie jak inne pola, przenika całą przestrzeń i czas, a także może rozmawiać i bawić się polami wszystkich innych.
Ale pole Higgsa ma dwa bardzo ważne zadania do wykonania, których nie może osiągnąć żadna inna dziedzina.
Jego pierwszym zadaniem jest rozmowa z bozonami W i Z (poprzez ich odpowiednie pola), nośnikami słabej siły jądrowej. Rozmawiając z tymi innymi bozonami, Higgowie są w stanie nadać im masę i upewnić się, że pozostają w odległości od fotonów, nośników siły elektromagnetycznej. Bez interferencji bozonu Higgsa wszystkie te nośniki zostałyby połączone razem i te dwie siły połączyłyby się.
Innym zadaniem bozonu Higgsa jest rozmawianie z innymi cząsteczkami, takimi jak elektrony; dzięki tym rozmowom daje im również masę. To wszystko działa dobrze, ponieważ nie mamy innego sposobu na wyjaśnienie mas tych cząstek.
Lekki i ciężki
Wszystko to zostało wypracowane w latach 60. XX wieku poprzez serię skomplikowanych, ale z pewnością eleganckich obliczeń matematycznych, ale jest tylko jeden drobny problem z teorią: nie ma prawdziwego sposobu przewidzenia dokładnej masy bozonu Higgsa. Innymi słowy, kiedy idziesz szukać cząstki (która jest małą lokalną wibracją znacznie większego pola) w zderzaczu cząstek, nie wiesz dokładnie, co i gdzie ją znajdziesz.
W 2012 r. Naukowcy z LHC ogłosili odkrycie bozonu Higgsa po odkryciu, że kilka cząstek reprezentujących pole Higgsa powstało, gdy protony zostały rozbite na siebie z prędkością bliską prędkości światła. Cząstki te miały masę 125 gigaelektronowoltów (GeV) lub mniej więcej równowartość 125 protonów - więc jest to rodzaj ciężki, ale niewiarygodnie ogromny.
Na pierwszy rzut oka wszystko to brzmi dobrze. Fizycy tak naprawdę nie mieli jednoznacznych przewidywań co do masy bozonu Higgsa, więc mogło być tym, czymkolwiek chciało być; zdarzyło nam się znaleźć masę w zakresie energii LHC. Wybij szampana i zacznijmy świętować.
Tyle, że istnieją pewne niepewne, niejasne półprzewidywania dotyczące masy bozonu Higgsa, oparte na sposobie, w jaki oddziałuje on z kolejną cząsteczką, najwyższym kwarkiem. Obliczenia te przewidują liczbę znacznie wyższą niż 125 GeV. Możliwe, że te prognozy są błędne, ale musimy zawrócić do matematyki i dowiedzieć się, co się dzieje. Lub niedopasowanie między szerokimi przewidywaniami a rzeczywistością tego, co znaleziono w LHC, może oznaczać, że w historii bozonu Higgsa jest coś więcej.
Ogromne Higgsy
Bardzo dobrze mogłaby istnieć cała masa bozonów Higgsa, które są zbyt ciężkie, abyśmy mogli je zobaczyć w naszej obecnej generacji zderzaczy cząstek. (Rzecz masy i energii wraca do słynnego równania Einsteina E = mc ^ 2, które pokazuje, że energia jest masą, a masa jest energią. Im wyższa masa cząstki, tym więcej energii ona ma i tym więcej energii potrzebuje do wytworzenia tego potężnego rzecz.)
W rzeczywistości niektóre teorie spekulatywne, które popychają naszą wiedzę o fizyce poza Model Standardowy, przewidują istnienie tych ciężkich bozonów Higgsa. Dokładny charakter tych dodatkowych postaci Higgsa zależy oczywiście od teorii, począwszy od jednego lub dwóch bardzo ciężkich pól Higgsa, a nawet na złożonych strukturach złożonych z wielu różnych rodzajów bozonów Higgsa połączonych ze sobą.
Teoretycy ciężko pracują, próbując znaleźć jakikolwiek sposób na przetestowanie tych teorii, ponieważ większość z nich jest po prostu niedostępna dla obecnych eksperymentów. W niedawnym artykule przesłanym do Journal of High Energy Physics i opublikowanym online w czasopiśmie arXiv, zespół fizyków przedstawił propozycję poszukiwania istnienia większej liczby bozonów Higgsa, w oparciu o szczególny sposób, w jaki cząsteczki mogą się rozpaść na lżejsze, łatwiej rozpoznawalne cząstki, takie jak elektrony, neutrina i fotony. Jednak te rozpady są niezwykle rzadkie, więc chociaż w zasadzie możemy je znaleźć za pomocą LHC, potrzeba więcej lat poszukiwań, aby zebrać wystarczającą ilość danych.
Jeśli chodzi o ciężkie Higgs, będziemy musieli uzbroić się w cierpliwość.
