Mi az a Higgs-bozon? Definíció, felfedezés és jelentősége a Standard Modellben
Higgs-bozon: mi ez, miként fedezték fel és miért kulcsfontosságú a Standard Modellben — érthetően, a felfedezés és jelentőség összefoglalója.
Mi az a Higgs-bozon?
A Higgs-bozon (vagy Higgs-részecske) a fizika Standard Modelljének egyik eleme: az a kvantuma annak a mezőnek, amely a modell szerint a részecskék tömegét adja. A részecske létezését az 1960-as években több kutató, köztük Peter Higgs javasolta; a hivatalos felfedezés bejelentésére a CERN-ben 2012. július 4-én került sor az ATLAS és CMS kísérletek eredményei alapján. 2013-ban a fizikai közösség további elemzésekkel és a Nobel-díj odaítélésével (Peter Higgs és François Englert) ismerte el ennek az elméleti előrejelzésnek a jelentőségét.
A Higgs-mező és a tömegszerzés elve
A Higgs-bozon egy olyan mező kvantuma, amelyet gyakran egyszerűen Higgs-mező a részecskefizika elméletében meghatározó alaptérként említenek. Más mezők — például az elektromágneses mező —tól eltérően a Higgs-mező vákuumbeli elvárt értéke (a vakum expectation value, röviden VEV) nem nulla: a tér minden pontjában egy állandó, nem nulla háttérértéke van. Ennek a nem nulla értéknek a jelenléte okozza az elektroszabályozási (elektrogyenge) szimmetria spontán megsértését, és ez teremti meg azokat a tömeghez vezető effektusokat, amelyeket a Standard Modellben leírunk.
A részecskék tömeget úgy kapnak, hogy kölcsönhatásba lépnek a Higgs-mezővel: minél erősebb a részecske és a mező közti kölcsönhatás (a Yukawa-kapcsolat), annál nagyobb lesz a részecske tömege. A Higgs-mező gerjesztett kvantuma — azaz a Higgs-bozon — pedig az a részecske, amelyet ütközések során meg lehet figyelni.
Felfedezés az LHC-nél
A Higgs-bozon kimutatása nehéz, mert tömege viszonylag nagy és nagyon rövid ideig létezik — tipikus élettartama igen kicsi (rend a 10−22 s körül). A legtöbb természetes körülmények között nincs jelen, ezért nagy energiájú ütközésekre van szükség a létrehozásához. Éppen ezért építették a CERN nagy hadronütköztetőjét (LHC): két részecskacsinálatot gyorsítva majdnem fénysebességre ellentétes irányban, úgy, hogy azok a gyűrűben összeütközzenek.
Minden ütközés új részecskéket eredményez, amelyeket az ütközési pont körüli detektorok érzékelnek. A Higgs előállításának valószínűsége kicsi: nagyon sok ütközés (az LHC esetében trilliók) és kiemelkedő számítási teljesítmény szükséges ahhoz, hogy a Higgs-re jellemző bomlási csatornák jeleit kiszűrjék a háttérből. A részecskefizikusok hatalmas adatmennyiséget dolgoztak fel (trilliók ütközések), hogy megtalálják azokat az eseményeket, amelyek a Higgs-bozonhoz köthetők.
Tulajdonságok és bomlási csatornák
A felfedezett Higgs-bozon egy skaláris (spin 0) bozon — ez fontos, mert a Standard Modellben a skalár mező és annak excitációja pontosan ilyen tulajdonságokat vártat. A tömege körülbelül 125 GeV/c2. A Higgs rövid élete alatt különböző részecskepárokra bomolhat, amelyek közül a legfontosabb és kísérletileg megfigyelt csatornák a következők: γγ (két foton), ZZ* → 4 lepont, WW* → lepontok és neutrínók, bb̄ (b kvark párok) és τ+τ−. A bomlási valószínűségek (branching ratio-k) a Higgs és a bomlástermékek közti kölcsönhatások erősségét tükrözik: a nehezebb részecskékhez általában erősebben kapcsolódik.
Hogyan illeszkedik a Standard Modellbe és mi marad nyitva?
A Higgs-mező léte fontos, mert a Standard Modellben a W és Z bozonok tömegét és a részecskék tömegének rendszerét a Higgs mechanizmussal magyarázzuk. Ugyanakkor a Higgs-bozon felfedezése nem old meg minden problémát: a Standard Modell továbbra sem magyarázza például a sötét anyagot, a neutrínók kis, de nem nulla tömegét, a gravitáció kvantumos leírását vagy az ún. hierarchiai probléma részleteit. A gravitációt a Standard Modellel még nem sikerült egységesen kombinálni, így a teljes fizikaképet továbbra is kiegészítő elméletek (pl. superszimmetria, extra dimenziók, inflációs modellek) keresik.
A Higgs-mező numerikus jellemzője a vákuumbeli elvárt érték; ez a szám (rendezett nagyságrendben ~246 GeV) meghatározza, hogy milyen mértékben kapnak tömeget az elemi részecskék a modellben. Az energia- és tömegmegmaradás alapelve, valamint Einstein híres E=mc2 összefüggése természetesen érvényesek: a tömeg és energia ekvivalens fogalmak, és a részecskék tömegének kialakulása során a kölcsönhatások és mezőállapotok energetikai következményeit vizsgáljuk.
Előállítási mechanizmusok az ütközőkben
A Higgs előállításának főbb mechanizmusai az LHC-ben:
- gluon-fúzió (domináns csatorna),
- vektorbozon-fúzió (VBF),
- asszociált előállítás W vagy Z bozonokkal (WH, ZH),
- asszociált előállítás top kvark párral (ttH).
Jelentősége a tudományban és a kultúrában
A Higgs-bozon felfedezése lezárta egy fontos fejezetet a Standard Modellben, mert az egyik utolsó elméleti komponensét kísérletileg is igazolta. Ugyanakkor új kérdéseket vetett fel (például a Higgs-potenciál pontos formáját, a stabilitást/skáladependenciát, valamint a fizika esetleges túláradó jeleit a Standard Modellen túl). Sok elméleti és kísérleti kutatás ma is ezeket a nyitott kérdéseket vizsgálja.
A Higgs-bozont és a hozzá kapcsolódó fogalmakat gyakran emlegetik a populáris kultúrában és a sci-fi művekben; a köznyelvben azért is ismert, mert Leon Lederman 1993-ban emlegette mint az „isteni részecskét”. Ez a név ugyanakkor sok tudóst irritált, mivel félrevezető és túl dramatizált kifejezés.
Összefoglalás
A Higgs-bozon a Standard Modell egyik meghatározó eleme: a Higgs-mező gerjesztése, amelynek létére elméleti okok és végül a CERN nagyléptékű kísérletei adtak bizonyítékot. A felfedezés megerősítette, hogy a spontán szimmetriasértés és a Higgs-mező révén lehet magyarázni a részecskék tömegét, de a teljes fizikai világ megértéséhez további elméleti és kísérleti eredményekre van szükség.
Megjegyzés: a fenti magyarázat célja a fogalom világos bemutatása; részletes matematikai levezetések és pontos mérések a szakirodalomban találhatók.
Számítógéppel generált kép a Higgs kölcsönhatásról
Discovery
2011. december 12-én a Higgs-bozont kereső két kutatócsoport, az ATLAS és a CMS a Nagy Hadronütköztetőben bejelentette, hogy végre olyan eredményeket láttak, amelyek a Higgs-bozon létezésére utalhatnak, de nem tudták biztosan, hogy ez igaz-e.
2012. július 4-én a Nagy Hadronütköztetőben dolgozó csapatok bejelentették, hogy felfedeztek egy részecskét, amely szerintük a Higgs-bozon.
2013. március 14-én a csapatok még több vizsgálatot végeztek, és bejelentették, hogy szerintük az új részecske egy Higgs-bozon.
Kérdések és válaszok
K: Mi az a Higgs-bozon?
V: A Higgs-bozon a fizika standard modelljének egyik részecskéje. Először Peter Higgs vetette fel az 1960-as években, és a CERN tudósai 2013. március 14-én megerősítették, hogy létezik. A Standard Modell 17 részecskéjének egyike, és a bozonok közé tartozik, amelyekről úgy gondolják, hogy a fizikai erőkért felelősek.
K: Hogyan működik a Higgs-mező?
V: A Higgs-mező egy olyan alapvető mező, amely szinte mindenhol nem nulla értéket vesz fel. Ez volt a Standard Modell utolsó igazolatlan része, és létezését "a részecskefizika központi problémájának" tekintették. Amikor a mérőbozonok kölcsönhatásba lépnek vele, lelassulnak, és mozgási energiájuk tömeg-energia létrehozására megy át, ami azzá válik, amit Higgs-bozonnak nevezünk. Ez a folyamat engedelmeskedik az energiamegmaradás törvényének, amely szerint energia nem keletkezik vagy semmisül meg, hanem átadható vagy alakot változtathat.
K: Miért nehéz kimutatni a Higgs-bozont?
V: A Higgs-bozonnak más részecskékhez képest nagyon nagy a tömege, ezért nem tart sokáig. Általában nincsenek körülötte, mert nagyon sok energiára van szükség ahhoz, hogy létrejöjjön. Megtalálásához a tudósok szuperszámítógépekkel szitálják át a CERN nagy hadronütköztetőjében (LHC) a részecskék trilliónyi ütközéséből származó hatalmas adatmennyiséget. Még így is csak kis esély van arra (egy a 10 milliárdhoz), hogy a Higgsre utaló jelek megjelenjenek és kimutathatóak legyenek.
K: Milyen más ismert bozonok léteznek még?
V: A többi ismert bozon közé tartoznak a fotonok, a W- és Z-bozonok és a gluonok.
K: Hogyan kapcsolódik Einstein E=mc2 egyenlete a tömeg-energia mozgási energiából való keletkezéséhez?
V: Einstein híres egyenlete kimondja, hogy a tömeg egyenlő egy rendkívül nagy mennyiségű energiával (például 1 kg = 90 kvadrillió joule). Amikor a Higgs-mezővel kölcsönhatásba lépő mérőbozonok kinetikus energiája lelassul, ugyanez a kinetikus energia mennyisége tömeg-energia létrehozására megy át, ami azzá válik, amit Higgs-bozonnak nevezünk - így a megőrzési törvények szerint a teljes energia megmarad.
K: Milyen szerepet játszanak a sci-fi történetek a Higgs-bozonok működésének megértésében?
V: A tudományos-fantasztikus történetekben gyakran szerepelnek higgsbozonok a cselekmény részeként, de ezek a történetek nem feltétlenül nyújtanak pontos tudományos információt a működésükről - inkább szórakoztatási célokat szolgálnak, mint bármi mást!
Keres