CERN

CERN

lähes 50 vuotta sen ennustamisen jälkeen hiukkasfyysikot ovat vihdoin saaneet kiinni Higgsin bosonin. Nobel-komitea on myöntänyt tämän vuoden fysiikan palkinnon kahdelle teoreetikolle, jotka aloittivat hiukkasjahdin. François Englert Brysselin vapaasta yliopistosta (ULB) ja Peter Higgs Edinburghin yliopistosta (Iso-Britannia) johtivat itsenäisesti mallin, joka selittää, miksi hiukkaset eivät ole massattomia, ja tämä malli edellyttää Higgsin bosonin olemassaoloa. Molemmat paperit julkaistiin vuonna 1964 Physical Review Lettersissä.

Higgsin bosoni on hiukkasfysiikan standardimallin viimeinen havaittava kappale vuosikymmenten etsinnän jälkeen. Kesäkuussa 2012 Cern ilmoitti suurella fanfaarilla, että Large Hadron Collider (LHC) Genevessä oli löytänyt hiukkasen, jolla oli oikeat ominaisuudet Higgsin bosoniksi, mikä merkitsi sitä, että tutkijat olivat vahvistaneet perusteorian massasta.

Higgsin bosoni ei teknisesti anna muiden hiukkasten massaa. Tarkemmin hiukkanen on kvantisoitu ilmentymä kentästä (Higgsin kentästä), joka tuottaa massaa vuorovaikutuksensa kautta muiden hiukkasten kanssa. Mutta miksei messua voisi vain olettaa itsestäänselvyydeksi?

vastaus juontaa juurensa aiempaan työhön kvanttikenttäteoriassa. Kvanttikentät muistuttavat tutumpia kenttiä, kuten sähkö-ja magneettikenttiä. Mutta kvanttikentissä on jännittyneitä tiloja, joita havaitsemme hiukkasina. Nämä kentät voidaan jakaa ainekenttiin (joiden hiukkaset ovat elektroneja, kvarkkeja jne.) ja voimakentät (joiden hiukkaset ovat fotoneja, gluoneja jne.). 1940-luvun lopulla teoreetikot osoittivat, että fotonien ja elektronien Kvanttikenttäteoria voisi selittää onnistuneesti sähkömagneettisia vuorovaikutuksia suurella energialla.

teorialla oli kuitenkin vaikeuksia mallintaa ydinreaktioita. Heikon ydinvoiman lyhyt kantama antoi ymmärtää, että sen vastaavilla hiukkasilla oli massa, toisin kuin massattomalla fotonilla, sähkömagneettisiin kenttiin liittyvällä hiukkasella. Pelkällä massan kiinnittämisellä voimaa kantavaan hiukkaseen oli tuhoisia vaikutuksia, mikä sai tietyt ennustukset eroamaan äärettömyyteen. 1960-luvun alussa teoreetikot etsivät kuumeisesti vaihtoehtoisia tapoja, joilla massa voitaisiin tuoda teoriaan.

Higgsin, Englertin ja Robert Broutin (joka työskenteli Englertin kanssa ULB: ssä, mutta on nyt kuollut) muotoilema ratkaisu ehdottaa, että koko avaruus on täynnä kenttää, joka vuorovaikuttaa heikkojen voimahiukkasten kanssa antaakseen niille massaa. Se tekee niin, koska kentän ei oleteta olevan nolla tyhjässä tilassa. Tämä nollaton maatila rikkoo symmetriaa, jota pidetään kvanttikenttäteorian perustavana. Aikaisempi työ oli osoittanut, että tällainen symmetrian rikkoutuminen johti massattomaan, kehrättömään hiukkaseen, joka suljettiin pois kokeiden avulla . Englert, Brout ja Higgs osoittivat, miten tämän ei-toivotun hiukkasen voi saada katoamaan kytkemällä avaruuden täyttävän kentän heikon voiman kenttään. Kun he selvittivät kaikki vuorovaikutukset, he huomasivat, että voimahiukkasilla oli tehokkaasti massa, ja ei-toivottu, massaton, spinaton hiukkanen absorboitui olennaisesti heikkoihin hiukkasiin. Nämä hiukkaset saivat tämän seurauksena kolmannen spin-tilan, ja ainoa jäljelle jäänyt spinaton hiukkanen oli massiivinen Higgsin bosoni. Kolmas teoreetikkojen ryhmä kehitti samanlaisen teorian samana vuonna .

myöhempi työ osoitti, että Brout-Englert-Higgsin mekanismi (tai lyhyesti ”Higgsin mekanismi”) voisi antaa massaa paitsi heikoille hiukkasille, myös elektroneille, kvarkeille ja muille perushiukkasille. Mitä voimakkaammin hiukkanen vuorovaikuttaa Higgsin kentän kanssa, sitä massiivisempi se on. On kuitenkin tärkeää huomata, että suurin osa komposiittihiukkasten massasta, kuten protonit, ytimet ja atomit, ei tule Higgsin mekanismista, vaan sidosenergiasta, joka pitää nämä hiukkaset koossa.

”Brout ja Englert ja Higgs esittivät erittäin nokkelan idean, joka tunnetaan nykyään Higgsin mekanismina”, sanoo Michael Turner Chicagon yliopistosta. ”Se tarjoaa selityksen yhteen yksinkertaisimmista kysymyksistä, joita voidaan kysyä: miksi hiukkasilla on massa? Niin yksinkertainen kysymys – mutta hyvin syvällinen-että monet eivät edes ajattele kysyä sitä.”Vahvistaakseen tämän mekanismin hiukkasfyysikot rakensivat LHC: n, suurimman ja teknologisesti kehittyneimmän koskaan rakennetun koneen, sanoo Joseph Incandela, CMS-kokeen tiedottaja, joka oli yksi Higgsin bosonin havainneista ilmaisimista. ”Luulen, että ihmiset katsovat tätä ja kokevat, että hiukkasfysiikka on vetänyt tässä jotain kuin kuuhun laskeutumisen”, hän sanoo.

–Michael Schirber

Michael Schirber on vastaava fysiikan toimittaja, jonka kotipaikka on Lyon, Ranska.

1. J. Goldstone,” Field theories with Superconductor Solutions”, Nuovo Cimento 19, 154 (1961); J. Goldstone, A. Salam ja S. Weinberg, ”Broken Symmetries”, Phys. Rev. 127, 965 (1962)
2. G. S. Guralnik, C. R. Hagen, and T. W. B. Kibble, ”Global Conservation Laws and Massless Particles”, Phys. Pastori Lett. 13, 585 (1964)

lisätietoa

Nobel-palkintoilmoitus oheistaustoineen

Focus story on 2008 Nobel Prize for theory of symmetry breaking

Brief History of the Higgs Mechanism, Edinburghin yliopistosta

aihealueet

Lisää artikkeleita