Lihtsam alt öeldes on Higgsi boson kõigi aegade kõige kallim osake. Kui elektroni avastamiseks piisas näiteks vaakumtorust ja paarist säravast mõistusest, siis Higgsi bosoni otsimine eeldas eksperimentaalse energia loomist, mida Maal leidub harva. Suur hadronite põrkur ei vaja tutvustamist, kuna see on üks kuulsamaid ja edukamaid teaduslikke katseid, kuid selle profiilosake, nagu varemgi, on enamiku elanikkonna jaoks varjatud saladustega. Seda on nimetatud jumalaosakeseks, kuid tänu sõna otseses mõttes tuhandete teadlaste jõupingutustele ei pea me enam leppima selle olemasoluga usul.
Viimane teadmata
Mis on Higgsi boson ja milline on selle avastamise tähtsus? Miks on sellest saanud nii palju reklaami, raha ja valeinformatsiooni? Kahel põhjusel. Esiteks oli see viimane avastamata osake, mida oli vaja füüsika standardmudeli kinnitamiseks. Tema avastus tähendas, et terve põlvkond teaduspublikatsioone ei olnud asjata. Teiseks annab see boson teistele osakestele nende massi, mis annab sellele erilise tähenduse ja mingi "maagia". Me kipume mõtlemamass kui asjade olemuslik omadus, kuid füüsikud arvavad teisiti. Lihtsam alt öeldes on Higgsi boson osake, ilma milleta massi põhimõtteliselt ei eksisteeri.
Veel üks väli
Põhjus peitub nn Higgsi väljas. Seda kirjeldati juba enne Higgsi bosonit, sest füüsikud arvutasid selle välja oma teooriate ja vaatluste vajadusteks, mis eeldas uue välja olemasolu, mille tegevus laieneks kogu Universumile. Hüpoteeside tugevdamine universumi uute komponentide leiutamise kaudu on ohtlik. Varem viis see näiteks eetri teooria loomiseni. Kuid mida rohkem matemaatilisi arvutusi tehti, seda rohkem mõistsid füüsikud, et Higgsi väli peab tegelikkuses eksisteerima. Ainus probleem oli praktiliste vahendite puudumine tema jälgimiseks.
Füüsika standardmudelis omandavad elementaarosakesed massi mehhanismi kaudu, mis põhineb kogu ruumi läbival Higgsi väljal. See loob Higgsi bosoneid, mis nõuavad palju energiat, ja see on peamine põhjus, miks teadlased vajavad suure energiaga katsete läbiviimiseks kaasaegseid osakeste kiirendeid.
Kust tuleb mass?
Nõrga tuuma vastastikmõju tugevus väheneb kauguse suurenedes kiiresti. Kvantväljateooria järgi tähendab see, et selle loomises osalevatel osakestel – W- ja Z-bosonidel – peab olema mass, erinev alt gluoonidest ja footonitest, millel puudub mass.
Probleem on selles, et gabariiditeooriad käsitlevad ainult massita elemente. Kui gabariidibosonitel on mass, ei saa sellist hüpoteesi mõistlikult määratleda. Higgsi mehhanism väldib seda probleemi, võttes kasutusele uue välja, mida nimetatakse Higgsi väljaks. Suure energia korral ei ole gabariidibosonitel massi ja hüpotees töötab ootuspäraselt. Madala energia korral põhjustab väli sümmeetria katkemise, mis võimaldab elementidel omada massi.
Mis on Higgsi boson?
Higgsi väli toodab osakesi, mida nimetatakse Higgsi bosoniteks. Nende mass pole teoorias täpsustatud, kuid katse tulemusena tehti kindlaks, et see võrdub 125 GeV-ga. Lihtsam alt öeldes on Higgsi boson oma olemasoluga standardmudeli lõplikult kinnitanud.
Mehhanism, väli ja boson kannavad Šoti teadlase Peter Higgsi nime. Kuigi ta ei olnud esimene, kes need mõisted välja pakkus, kuid nagu füüsikas sageli juhtub, juhtus ta lihts alt olema see, kelle järgi need mõisted nimetati.
Katkine sümmeetria
Arvati, et Higgsi väli on vastutav selle eest, et osakesed, millel ei tohiks olla massi, seda tegid. See on universaalne meedium, mis varustab massita osakesi erineva massiga. Sellist sümmeetria rikkumist seletatakse analoogiaga valgusega – kõik lainepikkused liiguvad vaakumis ühesuguse kiirusega, samas kui prismas saab iga lainepikkust eristada. See on muidugi vale analoogia, kuna valge valgus sisaldab kõiki lainepikkusi, kuid näide näitab, kuidasmassi loomine Higgsi välja poolt näib olevat tingitud sümmeetria purunemisest. Prisma lõhub erinevate valguse lainepikkuste kiiruste sümmeetriat, eraldades neid, ja arvatakse, et Higgsi väli rikub osade masside sümmeetriat, mis muidu on sümmeetriliselt massita.
Kuidas seletada Higgsi bosonit lihtsal viisil? Alles hiljuti on füüsikud mõistnud, et kui Higgsi väli on tõesti olemas, on selle toimimiseks vaja sobiva kandja olemasolu, millel on omadused, mille tõttu seda saab jälgida. Eeldati, et see osake kuulus bosonitele. Lihtsam alt öeldes on Higgsi boson nn kandejõud, sama mis footonid, mis on Universumi elektromagnetvälja kandjad. Footonid on teatud mõttes selle lokaalsed ergastused, nii nagu Higgsi boson on oma välja lokaalne ergastus. Füüsikute eeldatud omadustega osakese olemasolu tõestamine võrdus tegelikult välja olemasolu otsese tõestamisega.
Katse
Paljude aastatepikkune planeerimine on võimaldanud suurel hadronite põrkeseadmel (LHC) saada tõendiks Higgsi bosoniteooria võimalikust ümberlükkamisest. 27 km pikkune ülivõimsate elektromagnetide rõngas võib kiirendada laetud osakesi valguse kiiruse märkimisväärse osani, põhjustades piisav alt tugevaid kokkupõrkeid, et need osadeks eraldada, ning deformeerida kokkupõrkepunkti ümber ruumi. Arvutuste kohaselt on piisav alt kõrge kokkupõrkeenergia korral võimalik laadida bosonit nii, et see laguneb ja see võibhakkab vaatama. See energia oli nii suur, et mõned sattusid isegi paanikasse ja ennustasid maailmalõppu ning teiste fantaasia läks nii kaugele, et Higgsi bosoni avastamist kirjeldati kui võimalust vaadata alternatiivsesse dimensiooni.
Lõplik kinnitus
Esialgsed vaatlused näisid ennustused tegelikult ümber lükavat ja osakese märki ei leitud. Mõned miljardite dollarite kulutamise kampaanias osalenud teadlased esinesid isegi televisioonis ja teatasid alandlikult, et teadusliku teooria ümberlükkamine on sama oluline kui selle kinnitamine. Mõne aja pärast aga hakkasid mõõtmised tervikpilti liitma ning 14. märtsil 2013 teatas CERN ametlikult osakese olemasolu kinnitusest. On tõendeid, mis viitavad mitme bosoni olemasolule, kuid see idee vajab täiendavat uurimist.
Kaks aastat pärast seda, kui CERN teatas osakese avastamisest, suutsid suure hadronite põrgataja juures töötavad teadlased seda kinnitada. Ühest küljest oli see teadusele tohutu võit ja teisest küljest olid paljud teadlased pettunud. Kui keegi oleks lootnud, et Higgsi boson on see osake, mis viib standardmudelist kaugematesse kummalistesse ja imelistesse piirkondadesse – supersümmeetria, tumeaine, tumeenergia –, siis kahjuks see nii ei olnud.
Ajakirjas Nature Physics avaldatud uuring kinnitas fermioonideks lagunemist. Standardmudel ennustab, et lihtsustatult öeldes on bosonHiggs on osake, mis annab fermionidele nende massi. CMS põrkuri detektor kinnitas lõpuks nende lagunemist fermionideks – udukvarkideks ja tau-leptoniteks.
Higgsi boson lihts alt öeldes: mis see on?
See uuring kinnitas lõpuks, et tegemist on osakeste füüsika standardmudeliga ennustatud Higgsi bosoniga. See asub massienergia piirkonnas 125 GeV, sellel puudub spin ja see võib laguneda paljudeks kergemateks elementideks – footonite paarideks, fermioonideks jne. Tänu sellele võime kindl alt väita, et Higgsi boson lihtsas mõttes on osake, mis annab massi kõigele.
Pettunud äsja avatud elemendi vaikekäitumises. Kui selle lagunemine oleks kasvõi veidi erinev, oleks see fermionidega erinev alt seotud ja tekiksid uued uurimisteed. Teisest küljest tähendab see, et me pole astunud sammugi kaugemale standardmudelist, mis ei võta arvesse gravitatsiooni, tumeenergiat, tumeainet ja muid reaalsuse veidraid nähtusi.
Nüüd võib vaid oletada, mis need põhjustas. Kõige populaarsem teooria on supersümmeetria, mis väidab, et standardmudeli igal osakesel on uskumatult raske superpartner (mis moodustab seega 23% universumist – tumeaine). Kokkupõrke täiustamine, kahekordistades selle kokkupõrkeenergia 13 TeV-ni, võimaldab tõenäoliselt neid superosakesi tuvastada. Vastasel juhul peab supersümmeetria ootama LHC võimsama järglase ehitamist.
Edasised väljavaated
Mis saab siis füüsikast pärast Higgsi bosonit? LHC jätkas hiljuti oma tööd oluliste täiustustega ja suudab näha kõike alates antiainest kuni tumeda energiani. Arvatakse, et tumeaine suhtleb tavalise ainega ainult gravitatsiooni ja massi loomise kaudu ning Higgsi bosoni tähtsus on võtmeks, et mõista, kuidas see täpselt juhtub. Standardmudeli peamiseks puuduseks on see, et see ei suuda seletada gravitatsiooni mõjusid – sellist mudelit võiks nimetada suureks ühtseks teooriaks – ning mõned usuvad, et osake ja Higgsi väli võivad olla sild, mida füüsikud nii meeleheitlikult leida soovivad.
Higgsi bosoni olemasolu on kinnitatud, kuid selle täielik mõistmine on veel väga kaugel. Kas tulevased katsed lükkavad ümber supersümmeetria ja selle tumeaineks lagunemise idee? Või kas nad kinnitavad iga viimsegi detaili standardmudeli ennustustest Higgsi bosoni omaduste kohta ja lõpetavad selle uurimisvaldkonna igaveseks?
