Kaj je Higgsovo polje? Definicija, delovanje in pomen Higgsovega bozona

Higgsovo polje: definicija, delovanje in pomen — kako Higgsov bozon daje delcem maso ter zakaj je ključno za strukturo in delovanje vesolja.

Higgsovo polje je kvantno skalarni (brez usmerjenosti) energijski pojav, ki naj bi imel nen ničelno vrednost v vakuumu in zato obsega vse dele vesolja. Polje je povezano z temeljni delec, znanim kot Higgsov bozon, vendar je pomembno razumeti razmerje med njima: Higgsov bozon je kvantno nihanje oziroma vzbuda tega polja, ne „orodje“, s katerim polje deluje. Ko imajo druga osnovna polja in delci določene vrste interakcije s Higgsovim poljem (v teoriji opisana z Yukavovimi vezavami), dobijo v enačbah modela množične členke — to imenujemo Higgsov mehanizem.

Kako delci pridobijo maso?

Ko ima Higgsovo polje v praznem prostoru nen ničelno vrednost (to imenujemo vakuumska vrednost polja), imajo kvantne poljske enačbe za fermione (na primer elektrone) in za šibke vektorje (W in Z) dodatne členke, ki se matematično obnašajo kot masa. Zaradi teh interakcij postanejo nekateri delci „težji“ kot bi bili brez polja in zato ne morejo več potovati s svetlobno hitrostjo. Ta pojav pravilneje imenujemo Higgsov mehanizem ali pridobivanje mas z interakcijo s Higgsovim poljem — ne gre za ustvarjanje mase iz nič, kar bi kršilo zakone ohranitve energije.

Analogi za lažje razumevanje (pogosto uporabljena je primerjava z gibanjem skozi lepljivo tekočino ali podobno sredico) lahko pomagajo, vendar so omejene. Pogosto vidite primer: predmet, ki gre skozi trezor (ali melaso), se pri gibanju upočasni — tako nekako interakcija z Higgsovim poljem vpliva na gibanje delcev. Ta primerjava pa ne pomeni, da polje delcem odvzema energijo ali da je Higgsov bozon „snov“, ki jih ujame; Higgsov bozon je zgolj opazljiva ekscitacija polja, ki jo lahko ustvarimo v visokihenergijskih trkih.

Kaj Higgsov mehanizem ne pomeni

Dve pogosti napačni predstavi:

• Ni res, da brez Higgsovega polja ne bi bilo gravitacije. Gravitacija po splošni relativnosti reagira na energijo in gibalno količino (energijsko-impulzni tenzor), zato bi tudi brez Higgsovega polja obstajala gravitacija. Vendar pa bi bila struktura snovi in interakcije v takem svetu zelo drugačna.
• Večina mase protona in nevtrona ne izvira neposredno iz Higgsovega polja, temveč iz energije močne jedrske sile (vezavne energije kvarkov in gluonov). Higgs daje (majhne) maso osnovnim kvarkom in leptonov; vendar končna masa sestavljenih delcev pogosto izhaja iz dinamične energije znotraj njih.

Fotoni, nevtrini in druge posebnosti

Fotoni ne interagirajo z Higgsovim poljem v Standardnem modelu, zato ostajajo brez mase in se ne upočasnijo zaradi njega v vakuumu. Neutrini so v Standardnem modelu masni izziv: njihove majhne mase lahko nastanejo preko zelo šibkih Yukavovih vezav ali preko drugih mehanizmov (npr. seesaw mehanizma) — to področje je še predmet raziskav.

Odkritje Higgsovega bozona in pomen

Higgsov bozon so leta 2012 neodvisno opazili eksperimentalni sodelovanji ATLAS in CMS v CERN-ovem Velikem hadronskem trkalniku (LHC). Odkritje delca z maso okoli 125 GeV/c² in spinom 0 je močna potrditev Higgsovega mehanizma in pomemben zaključek sestavljanke Standardnega modela. Kljub temu odkritje ne rešuje vseh vprašanj — ostanejo odprte teme, kot so izvor temne snovi, hierarhični problem, stabilnost vakuuma in mehanizmi mas neutrinov.

Na kratko: Higgsovo polje je temeljni del sodobne teorije osnovnih delcev, saj pojasni, kako nekateri delci pridobijo maso, ne ustvarja pa mase iz nič. Higgsov bozon je kvantna ekscitacija tega polja; njegovo odkritje je potrdilo ključni del Standardnega modela in odprlo nova vprašanja za nadaljnje raziskave.

Higgsov učinek

Higgsov učinek so leta 1968 prvič teoretično predstavili avtorji člankov o razbijanju simetrije PRL. Leta 1964 so tri skupine napisale znanstvene članke, v katerih so predlagale sorodne, a različne pristope za razlago nastanka mase v lokalnih merskih teorijah.

Leta 2013 so na Velikem hadronskem trkalniku preliminarno dokazali obstoj Higgsovega bozona in posredno tudi Higgsovega učinka (Higgsov bozon pa je bil odkrit 4. julija 2012). Učinek so obravnavali kot najdbo manjkajočega dela standardnega modela.

V skladu z merilno teorijo (teorija, na kateri temelji standardni model) bi morali biti vsi delci, ki prenašajo silo, brez mase. Vendar imajo delci sile, ki posredujejo šibko silo, maso. To je posledica Higgsovega učinka, ki razbije simetrijo SU(2) (SU pomeni posebno unitarno, vrsto matrike, 2 pa pomeni velikost vključenih matrik).

Simetrija sistema je operacija, ki se izvede s sistemom, na primer vrtenje ali premik, pri čemer sistem ostane v osnovi nespremenjen. Simetrija je tudi pravilo, kako naj bi nekaj vedno delovalo, če nanj ne deluje zunanja sila. Primer je Rubikova kocka. Če vzamemo Rubikovo kocko in jo zakompliciramo s poljubnimi potezami, jo je še vedno mogoče rešiti. Ker vsaka poteza, ki jo naredimo, še vedno omogoča rešitev Rubikove kocke, lahko rečemo, da so te poteze "simetrije" Rubikove kocke. Skupaj tvorijo tako imenovano skupino simetrij Rubikove kocke. Če naredimo katero koli od teh potez, se sestavljanka ne spremeni, temveč je vedno rešljiva. Lahko pa to simetrijo porušimo tako, da kocko razstavimo in jo sestavimo nazaj na povsem napačen način. Ne glede na to, s katerimi potezami bomo poskusili, kocke ne bo mogoče rešiti. Razbitje kocke in njeno sestavljanje na napačen način je "zunanja sila": Brez te zunanje sile kocke ne bo mogoče rešiti, če je ne bomo rešili. Simetrija Rubikove kocke je v tem, da ostane rešljiva ne glede na poteze, ki jih naredimo, dokler kocke ne razstavimo.

Nastanek Higgsovega bozona

Način porušitve simetrije SU(2) je znan kot "spontana porušitev simetrije". Spontano pomeni naključno ali nepričakovano, simetrije so pravila, ki se spreminjajo, lomljenje pa se nanaša na dejstvo, da simetrije niso več enake. Rezultat spontane porušitve simetrije SU(2) je lahko Higgsov bozon.

Razlog za Higgsov učinek

Higgsov učinek se pojavi, ker narava "teži" k najnižjemu energijskemu stanju. Do Higgsovega učinka bo prišlo, ker bodo merilni bozoni v bližini Higgsovega polja želeli biti v svojih najnižjih energijskih stanjih, to pa bi porušilo vsaj eno simetrijo.

Da bi upravičili dodelitev mase delcu, ki naj bi bil brez mase, so bili znanstveniki prisiljeni storiti nekaj neobičajnega. Predpostavili so, da ima vakuum (prazen prostor) dejansko energijo in da bi se tako, če bi vanj vstopil delec, ki ga imamo za nemasnega, energija iz vakuuma prenesla na ta delec in mu dala maso. Matematik Jeffrey Goldstone je dokazal, da če kršimo simetrijo (na primer simetrija pri Rubikovi kocki bi bila, če bi določili, da je treba vogale vedno obrniti 0 ali 3-krat, da bi jih bilo mogoče rešiti (deluje)), bi prišlo do reakcije. V primeru Rubikove kocke bo kocka ob kršitvi postala nerešljiva. V primeru Higgsovega polja nastane nekaj, kar se imenuje po Jeffreyju Goldstonu (in drugem znanstveniku, ki je delal z njim, z imenom Yoichiro Nambu), Nambu-Goldstoneov bozon. To je vzbujena ali energijska oblika vakuuma, ki se lahko izriše v obliki grafa, ki razkriva zgornji prikaz. To je prvi razložil Peter Higgs.

Tako imenovani "mehiški klobuk potencial"

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je Higgsovo polje?

V: Kaj je osnovni delec, ki je povezan s Higgsovim poljem?

V: Kaj se zgodi, ko delci interagirajo s Higgsovim poljem?

V: Ali Higgsovo polje ustvarja maso?

V: Kaj se zgodi, če delec pridobi maso zaradi Higgsovega polja?

V: Kaj bi se zgodilo, če Higgsovo polje ne bi obstajalo?

V: Kaj je Higgsov učinek?

Išči po črki