CERN

CERN

nästan 50 år efter dess förutsägelse har partikelfysiker äntligen fångat Higgs boson. Så Nobelutskottet har tilldelat årets fysikpris till två av de teoretiker som initierade denna partikeljakt. Fran bijois Englert från Free University of Brussels (ULB) och Peter Higgs från University of Edinburgh, Storbritannien, härledde självständigt en modell som förklarar varför partiklar inte är masslösa, och denna modell kräver att Higgs boson finns. Båda tidningarna publicerades 1964 i Physical Review Letters.Higgs boson är den sista delen av standardmodellen för partikelfysik som ska observeras efter årtionden av sökning. I juni 2012 meddelade CERN med mycket fanfare att Large Hadron Collider (LHC) i Geneva hade upptäckt en partikel med rätt egenskaper att vara Higgs boson, vilket innebar att forskare hade bekräftat en grundläggande teori om massa.Higgs boson ger inte tekniskt andra partiklar massa. Mer exakt är partikeln en kvantiserad manifestation av ett fält (Higgs-fältet) som genererar massa genom dess interaktion med andra partiklar. Men varför kunde inte massan bara antas som en given?

svaret går tillbaka till tidigare arbete inom kvantfältteori. Kvantfält liknar mer kända fält, som elektriska och magnetiska fält. Men kvantfält innehåller upphetsade tillstånd som vi observerar som partiklar. Dessa fält kan delas in i materiefält (vars partiklar är elektroner, kvarkar etc.) och kraftfält (vars partiklar är fotoner, gluoner etc.). I slutet av 1940-talet visade teoretiker att en kvantfältteori om fotoner och elektroner framgångsrikt kunde förklara elektromagnetiska interaktioner vid hög energi.

teorin hade dock problem med att modellera nukleära interaktioner. Det korta området för den svaga kärnkraften innebar att dess motsvarande partiklar hade massa, i motsats till den masslösa fotonen, partikeln associerad med elektromagnetiska fält. Att helt enkelt hålla en massa på en kraftbärande partikel hade katastrofala effekter, vilket ledde till att vissa förutsägelser divergerade till oändligheten. I början av 1960-talet var teoretiker upptagna med att leta efter alternativa sätt att Massa skulle kunna introduceras i teorin.lösningen formulerad av Higgs, Englert och Robert Brout (som arbetade med Englert på ULB men nu är avliden) föreslår att allt utrymme fylls med ett fält som interagerar med de svaga kraftpartiklarna för att ge dem massa. Det gör det eftersom fältet antas inte vara noll i tomt utrymme. Detta icke-noll marktillstånd bryter mot en symmetri som anses vara grundläggande för kvantfältteori. Tidigare arbete hade visat att denna typ av symmetribrott ledde till en masslös, spinnlös partikel som uteslutits genom experiment . Englert, Brout och Higgs visade hur man kunde få denna oönskade partikel att försvinna genom att koppla rymdfyllningsfältet till det svaga kraftfältet. När de utarbetade alla interaktioner fann de att kraftpartiklarna effektivt hade en massa, och den oönskade, masslösa, spinnlösa partikeln absorberades väsentligen av de svaga partiklarna. Dessa partiklar fick ett tredje spinntillstånd som ett resultat, och den enda återstående spinnfria partikeln var den massiva Higgs bosonen. En liknande teori utvecklades av ett tredje team av teoretiker samma år .

efterföljande arbete visade att Brout-Englert-Higgs-mekanismen (eller” Higgs-mekanismen ” för kort) kunde ge massa inte bara till svaga partiklar utan också till elektroner, kvarkar och andra grundläggande partiklar. Ju starkare en partikel interagerar med Higgs-fältet, desto mer massiv är den. Det är dock viktigt att notera att det mesta av massan i kompositpartiklar, som protoner, kärnor och atomer, inte kommer från Higgs-mekanismen utan från bindningsenergin som håller dessa partiklar samman.

”Brout och Englert och Higgs lade fram en mycket smart ide, nu känd som Higgs-mekanismen”, säger Michael Turner vid University of Chicago. ”Det ger en förklaring till en av de enklaste frågorna man kan ställa: varför har partiklar massa? En så enkel fråga—men väldigt djup-att många inte ens tänker ställa den.”För att validera denna mekanism konstruerade partikelfysiker LHC, den största, mest tekniskt sofistikerade maskinen som någonsin byggts, säger Joseph Incandela, talesman för CMS-experimentet, som var en av detektorerna som upptäckte Higgs boson. ”Jag tror att folk tittar på detta och känner att partikelfysiken har dragit av något som en månlandning här”, säger han.

–Michael Schirber

Michael Schirber är en motsvarande redaktör för fysik baserad i Lyon, Frankrike.

1. J. Goldstone, ”fältteorier med Superledarlösningar”, Nuovo Cimento 19, 154 (1961); J. Goldstone, A. Salam och S. Weinberg, ”brutna symmetrier”, Phys. Rev. 127, 965 (1962)
2. G. S. Guralnik, C. R. Hagen och T. W. B. Kibble, ”globala bevarandelagar och masslösa partiklar”, Phys. Rev. Lett. 13, 585 (1964)

mer Information

• Nobel prismeddelande med åtföljande bakgrund

  fokushistoria på 2008 Nobelpris för teori om symmetribrytning

  kort historia av Higgs-mekanismen, från University of Edinburgh

ämnesområden

fler artiklar