Basit bir ifadeyle, Higgs bozonu tüm zamanların en pahalı parçacığıdır. Örneğin, elektronu keşfetmek için bir vakum tüpü ve birkaç parlak zeka yeterliyse, Higgs bozonunun araştırılması, Dünya'da nadiren bulunan deneysel enerjinin yaratılmasını gerektiriyordu. En ünlü ve başarılı bilimsel deneylerden biri olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın tanıtılmasına gerek yok, ancak profil parçacığı, daha önce olduğu gibi, nüfusun çoğu için gizemle kaplandı. Tanrı parçacığı olarak adlandırıldı, ancak kelimenin tam anlamıyla binlerce bilim adamının çabaları sayesinde artık varlığını inançla kabul etmek zorunda değiliz.
Son bilinmeyen
Higgs bozonu nedir ve keşfinin önemi nedir? Neden bu kadar çok yutturmaca, finansman ve yanlış bilgiye konu oldu? İki nedenden dolayı. Birincisi, fiziğin Standart Modelini doğrulamak için gereken keşfedilmemiş son parçacıktı. Onun keşfi, bir nesil bilimsel yayının boşuna olmadığı anlamına geliyordu. İkincisi, bu bozon diğer parçacıklara kütlelerini verir, bu da ona özel bir anlam ve bir miktar "sihir" verir. hakkında düşünmeye meyilliyizkütle, şeylerin içsel bir özelliği olarak kabul edilir, ancak fizikçiler aksini düşünür. Basit bir ifadeyle, Higgs bozonu, prensipte kütlesi olmayan bir parçacıktır.
Bir alan daha
Nedeni sözde Higgs alanında yatıyor. Higgs bozonundan önce bile tanımlandı, çünkü fizikçiler onu, eylemi tüm Evrene yayılacak olan yeni bir alanın varlığını gerektiren kendi teori ve gözlemlerinin ihtiyaçları için hesapladılar. Evrenin yeni bileşenlerini icat ederek hipotezleri güçlendirmek tehlikelidir. Örneğin geçmişte bu, eter teorisinin yaratılmasına yol açtı. Ancak matematiksel hesaplamalar yapıldıkça, fizikçiler Higgs alanının gerçekte var olması gerektiğini anladılar. Tek sorun, onu gözlemlemenin pratik yollarının olmamasıydı.
Fiziğin Standart Modelinde, temel parçacıklar, tüm uzaya nüfuz eden Higgs alanının varlığına dayanan bir mekanizma aracılığıyla kütle kazanır. Çok fazla enerji gerektiren Higgs bozonları yaratır ve bilim adamlarının yüksek enerjili deneyler yapmak için modern parçacık hızlandırıcılarına ihtiyaç duymasının ana nedeni budur.
Kütle nereden geliyor?
Zayıf nükleer etkileşimlerin gücü, mesafe arttıkça hızla azalır. Kuantum alan teorisine göre bu, oluşumunda yer alan parçacıkların - W- ve Z- bozonlarının - kütlesi olmayan gluonlar ve fotonların aksine kütleye sahip olması gerektiği anlamına gelir.
Sorun, ayar teorilerinin yalnızca kütlesiz elementlerle ilgilenmesidir. Ayar bozonlarının kütlesi varsa, böyle bir hipotez makul bir şekilde tanımlanamaz. Higgs mekanizması, Higgs alanı adı verilen yeni bir alan tanıtarak bu sorunu önler. Yüksek enerjilerde ayar bozonlarının kütlesi yoktur ve hipotez beklendiği gibi çalışır. Düşük enerjilerde alan, elementlerin kütleye sahip olmasına izin veren bir simetri kırılmasına neden olur.
Higgs bozonu nedir?
Higgs alanı, Higgs bozonu adı verilen parçacıklar üretir. Kütleleri teori tarafından belirtilmemiştir, ancak deney sonucunda 125 GeV'ye eşit olduğu tespit edilmiştir. Basit bir ifadeyle, Higgs bozonu, varlığıyla Standart Modeli kesin olarak doğrulamıştır.
Mekanizma, alan ve bozon, İskoç bilim adamı Peter Higgs'in adını taşıyor. Her ne kadar bu kavramları ilk öneren o olmasa da, fizikte sıklıkla olduğu gibi, sadece o kavramların adlarını alan kişi oldu.
Kırık simetri
Higgs alanının, kütlesi olmaması gereken parçacıkların yaptığı gerçeğinden sorumlu olduğu düşünülüyordu. Bu, kütlesiz parçacıklara farklı kütleler kazandıran evrensel bir ortamdır. Böyle bir simetri ihlali, ışıkla benzetme ile açıklanır - tüm dalga boyları boşlukta aynı hızda hareket ederken, bir prizmada her dalga boyu ayırt edilebilir. Beyaz ışık tüm dalga boylarını içerdiğinden, bu elbette yanlış bir benzetmedir, ancak örnek nasıl olduğunu gösterir. Higgs alanının kütle yaratması simetri kırılmasından kaynaklanıyor gibi görünüyor. Bir prizma, ışığın farklı dalga boylarındaki hızlarının simetrisini onları ayırarak bozar ve Higgs alanının, aksi halde simetrik olarak kütlesiz olan bazı parçacıkların kütlelerinin simetrisini kırdığı düşünülür.
Higgs bozonu basit terimlerle nasıl açıklanır? Fizikçiler, Higgs alanı gerçekten varsa, çalışmasının, gözlemlenebileceği özelliklere sahip uygun bir taşıyıcının varlığını gerektireceğini ancak son zamanlarda anladılar. Bu parçacığın bozonlara ait olduğu varsayıldı. Basit bir ifadeyle, Higgs bozonu, Evrenin elektromanyetik alanının taşıyıcıları olan fotonlarla aynı, sözde taşıyıcı kuvvettir. Fotonlar, bir anlamda, Higgs bozonunun kendi alanının yerel bir uyarımı olması gibi, onun yerel uyarılarıdır. Fizikçilerin beklediği özelliklere sahip bir parçacığın varlığını kanıtlamak aslında bir alanın varlığını doğrudan kanıtlamakla eşdeğerdi.
Deneme
Yıllarca süren planlama, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın (LHC), Higgs bozonu teorisinin olası bir çürütülmesinin kanıtı haline gelmesine izin verdi. 27 km'lik süper güçlü bir elektromıknatıs halkası, yüklü parçacıkları ışık hızının önemli bölümlerine kadar hızlandırabilir, bu da onları bileşenlerine ayıracak kadar güçlü çarpışmalara neden olur ve ayrıca çarpma noktasının etrafındaki alanı deforme eder. Hesaplamalara göre, yeterince yüksek bir seviyedeki bir çarpışma enerjisinde, bozonu bozunması için şarj etmek mümkündür ve bu,izleyecek. Bu enerji o kadar büyüktü ki bazıları paniğe kapılıp dünyanın sonunu öngördü ve diğerlerinin fantezisi o kadar ileri gitti ki Higgs bozonunun keşfi alternatif bir boyuta bakmak için bir fırsat olarak tanımlandı.
Son onay
İlk gözlemler aslında tahminleri çürütüyor gibiydi ve parçacıktan hiçbir iz bulunamadı. Milyarlarca dolar harcama kampanyasına katılan araştırmacıların bir kısmı televizyona bile çıktı ve uysalca bir bilimsel teoriyi çürütmenin onu doğrulamak kadar önemli olduğunu belirttiler. Ancak bir süre sonra, ölçümler büyük resmi tamamlamaya başladı ve 14 Mart 2013'te CERN resmi olarak parçacığın varlığının doğrulandığını duyurdu. Birden fazla bozonun varlığına dair kanıtlar var, ancak bu fikrin daha fazla araştırılması gerekiyor.
CERN'in parçacığın keşfini duyurmasından iki yıl sonra, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda çalışan bilim adamları bunu doğrulayabildiler. Bu bir yandan bilim için büyük bir zaferdi, diğer yandan birçok bilim insanı hayal kırıklığına uğradı. Eğer biri Higgs bozonunun Standart Model'in ötesinde garip ve harika bölgelere -süpersimetri, karanlık madde, karanlık enerji- yol açacak parçacık olacağını umsaydı, o zaman ne yazık ki durumun böyle olmadığı ortaya çıktı.
Nature Physics'te yayınlanan bir araştırma, fermiyonlara bozunmayı doğruladı. Standart Model, basit terimlerle, bozonunHiggs, fermiyonlara kütlelerini veren parçacıktır. CMS çarpıştırıcısının detektörü sonunda bunların fermiyonlara - aşağı kuarklara ve tau leptonlarına - bozunduğunu doğruladı.
Higgs bozonu basit terimlerle: nedir?
Bu çalışma sonunda bunun parçacık fiziğinin Standart Modeli tarafından tahmin edilen Higgs bozonu olduğunu doğruladı. 125 GeV kütle-enerji bölgesinde bulunur, dönüşü yoktur ve birçok daha hafif elemente - foton çiftlerine, fermiyonlara, vb. bozunabilir. Bu sayede, Higgs bozonunun basit bir ifadeyle, güvenle söyleyebiliriz: her şeye kütle veren bir parçacıktır.
Yeni açılan bir öğenin varsayılan davranışından dolayı hayal kırıklığına uğradım. Bozulması biraz daha farklı olsaydı, fermiyonlarla farklı şekilde ilişkilendirilecek ve yeni araştırma yolları ortaya çıkacaktı. Öte yandan bu, yerçekimi, karanlık enerji, karanlık madde ve diğer tuhaf gerçeklik fenomenlerini hesaba katmayan Standart Model'in bir adım ötesine geçmediğimiz anlamına geliyor.
Artık insan bunlara neyin sebep olduğunu tahmin edebilir. En popüler teori, Standart Modeldeki her parçacığın inanılmaz derecede ağır bir süpereşine sahip olduğunu belirten süpersimetridir (böylece evrenin %23'ünü oluşturur - karanlık madde). Çarpıştırıcıyı yükseltmek, çarpışma enerjisini ikiye katlayarak 13 TeV'e çıkarmak, muhtemelen bu süper parçacıkları tespit etmeyi mümkün kılacaktır. Aksi takdirde, süpersimetri, LHC'nin daha güçlü bir halefinin inşasını beklemek zorunda kalacaktır.
Gelişmiş beklentiler
Peki Higgs bozonundan sonra fizik nasıl olacak? LHC kısa süre önce önemli iyileştirmelerle çalışmasına yeniden başladı ve antimaddeden karanlık enerjiye kadar her şeyi görebiliyor. Karanlık maddenin sıradan madde ile yalnızca yerçekimi ve kütle oluşturma yoluyla etkileştiğine inanılıyor ve Higgs bozonunun önemi, bunun tam olarak nasıl olduğunu anlamanın anahtarıdır. Standart Modelin ana dezavantajı, yerçekiminin etkilerini açıklayamamasıdır - böyle bir modele Büyük Birleşik Teori denebilir - ve bazıları parçacık ve Higgs alanının fizikçilerin bulmak için çok çaresiz oldukları köprü olabileceğine inanırlar.
Higgs bozonunun varlığı doğrulandı, ancak tam olarak anlaşılması hala çok uzak. Gelecekteki deneyler süpersimetriyi ve onun karanlık maddeye ayrışma fikrini çürütecek mi? Yoksa Standart Model'in Higgs bozonunun özellikleriyle ilgili tahminlerinin her ayrıntısını doğrulayıp bu araştırma alanını sonsuza dek sonlandıracaklar mı?
