Higgs-mező
A Higgs-mező egy olyan energiamező, amelyről úgy gondolják, hogy az univerzum minden régiójában létezik. A mezőt egy Higgs-bozon nevű alapvető részecske kíséri, amelyet a mező arra használ, hogy folyamatosan kölcsönhatásba lépjen más részecskékkel, például az elektronnal. A mezővel kölcsönhatásba lépő részecskék "tömeget kapnak", és - hasonlóan ahhoz, ahogyan egy tárgy áthalad egy szirupon (vagy melaszon) - lassabbá válnak, ahogyan áthaladnak rajta. Ha egy részecske a mezőtől tömeget "kap", akkor az azt eredményezi, hogy nem tud fénysebességgel haladni.
Magát a tömeget nem a Higgs-mező hozza létre; az anyag vagy energia semmiből való létrehozása sérti a természetvédelmi törvényeket. Tömeget azonban a részecskék a Higgs-mező és a Higgs-bozon kölcsönhatásán keresztül nyernek. A Higgs-bozonok a relatív tömeget energia formájában tartalmazzák, és amint a mező felruházott egy korábban tömeg nélküli részecskét, a szóban forgó részecske lelassul, mivel most már "nehéz" lett.
Ha a Higgs-mező nem létezne, a részecskék nem rendelkeznének az egymáshoz való vonzásukhoz szükséges tömeggel, és szabadon lebegnének fénysebességgel. A gravitáció sem létezne, mert nem lenne tömeg, amely más tömegeket vonzana.
Egy tárgynak tömeget kölcsönözve a Higgs-effektusnak nevezik. Ez a hatás tömeget vagy energiát ad át minden olyan részecskének, amely áthalad rajta. Az áthaladó fény energiát nyer, nem pedig tömeget, mivel hullámformája nem rendelkezik tömeggel, míg részecskeformája folyamatosan fénysebességgel halad.
Számítógéppel generált kép a Higgs kölcsönhatásról
A Higgs-effektus
A Higgs-effektust először 1968-ban a PRL szimmetriatörésről szóló tanulmányok szerzői tételezték fel. 1964-ben három kutatócsoport írt tudományos közleményeket, amelyek rokon, de különböző megközelítéseket javasoltak annak magyarázatára, hogyan keletkezhet tömeg a lokális mérőelméletekben.
2013-ban a Higgs-bozont és ezzel együtt a Higgs-effektust a Nagy Hadronütköztetőben próbaképpen bizonyították (a Higgs-bozont pedig 2012. július 4-én fedezték fel). A hatást úgy tekintették, mint a Standard Modell hiányzó darabjának megtalálását.
A mértékelmélet (a Standard Modell alapjául szolgáló elmélet) szerint minden erőt hordozó részecskének tömegmentesnek kellene lennie. A gyenge erőt közvetítő erő-részecskéknek azonban van tömegük. Ez a Higgs-effektusnak köszönhető, amely megtöri az SU(2) szimmetriát; (az SU a speciális unitárius mátrix egy típusát jelenti, a 2 pedig a mátrixok méretére utal).
Egy rendszer szimmetriája olyan művelet, amelyet egy rendszerrel végeznek, például elforgatás vagy elmozdítás, és amely a rendszert alapvetően változatlanul hagyja. A szimmetria egyben egy szabályt is ad arra vonatkozóan, hogy valaminek mindig hogyan kell viselkednie, hacsak nem hat rá külső erő. Erre példa a Rubik-kocka. Ha fogunk egy Rubik-kockát, és bármilyen mozdulattal összekuszáljuk, akkor is meg lehet oldani. Mivel minden egyes mozdulatunkkal a Rubik-kocka továbbra is megoldható marad, azt mondhatjuk, hogy ezek a mozdulatok a Rubik-kocka "szimmetriái". Ezek együttesen alkotják azt, amit a Rubik-kocka szimmetriacsoportjának nevezünk. Ezen mozgások bármelyikének végrehajtása nem változtatja meg a rejtvényt, mindig megoldható marad. De ezt a szimmetriát megbonthatjuk, ha például szétszedjük a kockát, és teljesen rosszul rakjuk vissza. Bármilyen mozdulattal próbálkozunk most, a kockát nem lehet megoldani. A kocka széttörése és rosszul rakjuk vissza a kockát, ez a "külső erő": E külső erő nélkül semmi, amit a kockával teszünk, nem teszi megoldhatatlanná. A Rubik-kocka szimmetriája az, hogy bármilyen mozdulatot is teszünk, megoldható marad, amíg nem szedjük szét a kockát.
A Higgs-bozon létrehozása
Az SU(2) szimmetria törésének módját "spontán szimmetriatörésnek" nevezik. A spontán azt jelenti, hogy véletlenszerű vagy váratlan, a szimmetriák azok a szabályok, amelyek megváltoznak, a törés pedig arra utal, hogy a szimmetriák már nem ugyanazok. Az SU(2) szimmetria spontán törésének eredménye egy Higgs-bozon lehet.
A Higgs-hatás oka
A Higgs-hatás azért következik be, mert a természet "hajlamos" a legalacsonyabb energiaállapot felé haladni. A Higgs-effektus azért következik be, mert a Higgs-mező közelében lévő mérőbozonok a legalacsonyabb energiájú állapotukban akarnak lenni, és ez legalább egy szimmetriát megtörne.
Ahhoz, hogy igazolni tudják, hogy tömeggel ruházzanak fel egy tömegtelennek vélt részecskét, a tudósok kénytelenek voltak valami szokatlant tenni. Feltételezték, hogy a vákuum (üres tér) valójában energiával rendelkezik, és így, ha egy általunk tömegtelennek tartott részecske belépne abba, a vákuum energiája átkerülne a részecskébe, és így tömeget adna neki. Egy Jeffrey Goldstone nevű matematikus bebizonyította, hogy ha megsértünk egy szimmetriát, (például egy Rubik-kocka szimmetriája az lenne, ha azt állítanánk, hogy a sarkokat mindig 0 vagy 3-szor kell elforgatni ahhoz, hogy megoldható legyen (ez működik)), akkor reakció lép fel. A Rubik-kocka esetében a kocka megoldhatatlanná válik, ha megsértik. A Higgs-mező esetében valami, ami Jeffrey Goldstone-ról (és egy másik tudósról, aki vele együtt dolgozott, Yoichiro Nambu néven) kapta a nevét, egy Nambu-Goldstone-bozon keletkezik. Ez a vákuum egy gerjesztett vagy energikus formája, amely a fent látható ábrát feltáró grafikonon ábrázolható. Ezt először Peter Higgs magyarázta meg.
Az úgynevezett "mexikói kalapos potenciál"
Kérdések és válaszok
K: Mi az a Higgs-mező?
V: A Higgs-mező egy olyan energiamező, amelyről úgy gondolják, hogy az univerzum minden régiójában létezik.
K: Mi az az alapvető részecske, amely a Higgs-mezőhöz kapcsolódik?
V: A Higgs-mezőhöz kapcsolódó alapvető részecske a Higgs-bozon.
K: Mi történik, amikor a részecskék kölcsönhatásba lépnek a Higgs-mezővel?
V: A Higgs-mezővel kölcsönhatásba lépő részecskék tömeget "kapnak", és lassabbá válnak, ahogy áthaladnak rajta.
K: A Higgs-mező tömeget hoz létre?
V: Nem, a Higgs-mező nem hoz létre tömeget. A részecskék a Higgs-bozonnal való kölcsönhatásuk révén nyernek tömeget.
K: Mi az eredménye annak, hogy egy részecske tömeget nyer a Higgs-mezőtől?
V: Ha egy részecske tömeget nyer a Higgs-mezőtől, akkor nem tud fénysebességgel haladni.
K: Mi történne, ha a Higgs-mező nem létezne?
V: Ha a Higgs-mező nem létezne, a részecskék nem rendelkeznének az egymáshoz való vonzásukhoz szükséges tömeggel, és szabadon lebegnének fénysebességgel.
K: Mi a Higgs-hatás?
V: A Higgs-effektus egy tárgy tömeggel való ellátásának folyamatára utal, amely akkor következik be, amikor a részecskék áthaladnak a Higgs-mezőn és kölcsönhatásba lépnek a Higgs-bozonnal.
