Som sagt er Higgs-bosonen den dyreste partikel nogensinde. Hvis for eksempel et vakuumrør og et par geniale hoveder var nok til at opdage elektronen, krævede søgen efter Higgs-bosonen skabelsen af eksperimentel energi, som sjældent findes på Jorden. Large Hadron Collider behøver ingen introduktion, da det er et af de mest berømte og vellykkede videnskabelige eksperimenter, men dens profilpartikel er som før indhyllet i mystik for det meste af befolkningen. Den er blevet kaldt en gudspartikel, men takket være bestræbelserne fra bogstaveligt t alt tusindvis af videnskabsmænd behøver vi ikke længere at acceptere dens eksistens på tro.
Sidst ukendt
Hvad er Higgs-bosonen, og hvad er vigtigheden af dens opdagelse? Hvorfor er det blevet genstand for så megen hype, finansiering og misinformation? Af to grunde. For det første var det den sidste uopdagede partikel, der var nødvendig for at bekræfte fysikkens standardmodel. Hendes opdagelse betød, at en hel generation af videnskabelige publikationer ikke havde været forgæves. For det andet giver denne boson andre partikler deres masse, hvilket giver den en særlig betydning og noget "magi". Vi har en tendens til at tænke os ommasse som en iboende egenskab ved ting, men fysikere mener noget andet. Kort sagt er Higgs-bosonen en partikel, uden hvilken masse i princippet ikke eksisterer.
Et felt mere
Årsagen ligger i det såkaldte Higgs-felt. Det blev beskrevet allerede før Higgs-bosonen, fordi fysikere beregnede det til behovene i deres egne teorier og observationer, hvilket krævede tilstedeværelsen af et nyt felt, hvis handling ville strække sig til hele universet. At forstærke hypoteser ved at opfinde nye komponenter i universet er farligt. Tidligere førte dette for eksempel til skabelsen af æterteorien. Men jo flere matematiske beregninger der blev lavet, jo mere forstod fysikerne, at Higgs-feltet måtte eksistere i virkeligheden. Det eneste problem var manglen på praktiske midler til at observere ham.
I standardmodellen for fysik får elementarpartikler masse gennem en mekanisme baseret på eksistensen af Higgs-feltet, der gennemsyrer hele rummet. Det skaber Higgs-bosoner, som kræver meget energi, og dette er hovedårsagen til, at forskere har brug for moderne partikelacceleratorer til at udføre højenergieksperimenter.
Hvor kommer massen fra?
Styrken af svage nukleare interaktioner falder hurtigt med stigende afstand. Ifølge kvantefeltteorien betyder det, at de partikler, der er involveret i dets tilblivelse - W- og Z-bosoner - skal have masse i modsætning til gluoner og fotoner, som ikke har nogen masse.
Problemet er, at måleteorier kun omhandler masseløse elementer. Hvis gauge-bosonerne har masse, kan en sådan hypotese ikke defineres med rimelighed. Higgs-mekanismen undgår dette problem ved at introducere et nyt felt kaldet Higgs-feltet. Ved høje energier har gauge bosoner ingen masse, og hypotesen fungerer som forventet. Ved lave energier forårsager feltet et symmetribrud, der tillader elementer at have masse.
Hvad er Higgs-bosonen?
Higgs-feltet producerer partikler kaldet Higgs-bosoner. Deres masse er ikke specificeret af teori, men som et resultat af eksperimentet blev det bestemt, at det er lig med 125 GeV. Kort fort alt har Higgs-bosonen definitivt bekræftet standardmodellen med dens eksistens.
Mekanisme, felt og boson bærer navnet på den skotske videnskabsmand Peter Higgs. Selvom han ikke var den første, der foreslog disse begreber, men, som det ofte er tilfældet i fysik, var han simpelthen tilfældigvis den, som de blev opkaldt efter.
Brukket symmetri
Higgs-feltet blev anset for at være ansvarligt for, at partikler, der ikke burde have masse, gjorde. Dette er et universelt medium, der giver masseløse partikler forskellige masser. En sådan krænkelse af symmetrien forklares i analogi med lys - alle bølgelængder bevæger sig i vakuum med samme hastighed, mens hver bølgelængde i et prisme kan skelnes. Dette er naturligvis en forkert analogi, da hvidt lys indeholder alle bølgelængder, men eksemplet viser hvordanskabelsen af masse af Higgs-feltet ser ud til at skyldes symmetribrud. Et prisme bryder symmetrien af hastigheden af forskellige bølgelængder af lys ved at adskille dem, og Higgs-feltet menes at bryde symmetrien af masserne af nogle partikler, der ellers er symmetrisk masseløse.
Hvordan forklarer man Higgs-bosonen i enkle vendinger? Først for nylig har fysikere indset, at hvis Higgs-feltet virkelig eksisterer, vil dets drift kræve tilstedeværelsen af en passende bærer med egenskaber, på grund af hvilke det kan observeres. Det blev antaget, at denne partikel tilhørte bosoner. Enkelt sagt er Higgs-bosonen den såkaldte bærekraft, det samme som fotoner, som er bærere af universets elektromagnetiske felt. Fotoner er i en vis forstand dets lokale excitationer, ligesom Higgs-bosonen er en lokal excitation af sit felt. At bevise eksistensen af en partikel med de egenskaber, som fysikerne forventede, var i virkeligheden ensbetydende med direkte bevis for eksistensen af et felt.
Eksperiment
Mange års planlægning har gjort det muligt for Large Hadron Collider (LHC) at blive et vidnesbyrd om en potentiel afvisning af Higgs boson-teori. En 27 km lang ring af superkraftige elektromagneter kan accelerere ladede partikler til betydelige fraktioner af lysets hastighed, hvilket forårsager kollisioner, der er stærke nok til at adskille dem i deres komponenter, samt deformere rummet omkring anslagspunktet. Ved en kollisionsenergi på et tilstrækkeligt højt niveau er det ifølge beregninger muligt at oplade en boson, så den henfalder, og dette kan bl.a.vil se. Denne energi var så stor, at nogle endda gik i panik og forudsagde verdens undergang, og andres fantasi gik så langt, at opdagelsen af Higgs-bosonen blev beskrevet som en mulighed for at se ind i en alternativ dimension.
Endelig bekræftelse
De første observationer så ud til at modbevise forudsigelserne, og der kunne ikke findes noget tegn på partiklen. Nogle af de forskere, der var involveret i kampagnen for at bruge milliarder af dollars, dukkede endda op på tv og sagde sagtmodigt, at det er lige så vigtigt at tilbagevise en videnskabelig teori som at bekræfte den. Efter noget tid begyndte målingerne dog at føje op til det store billede, og den 14. marts 2013 offentliggjorde CERN officielt bekræftelsen af partiklens eksistens. Der er beviser, der tyder på, at der findes flere bosoner, men denne idé skal undersøges nærmere.
To år efter CERN annoncerede opdagelsen af partiklen, var forskere, der arbejdede ved Large Hadron Collider, i stand til at bekræfte det. På den ene side var dette en kæmpe sejr for videnskaben, og på den anden side var mange videnskabsmænd skuffede. Hvis nogen havde håbet, at Higgs-bosonen ville være den partikel, der ville føre til mærkelige og vidunderlige områder hinsides Standardmodellen - supersymmetri, mørkt stof, mørk energi - så viste det sig desværre ikke at være tilfældet.
En undersøgelse offentliggjort i Nature Physics har bekræftet henfaldet til fermioner. Standardmodellen forudsiger, i enkle vendinger, bosonenHiggs er den partikel, der giver fermioner deres masse. CMS-kolliderens detektor bekræftede endelig deres henfald til fermioner - dunkvarker og tauleptoner.
Higgs-boson i enkle vendinger: hvad er det?
Denne undersøgelse har endelig bekræftet, at dette er Higgs-bosonen forudsagt af standardmodellen for partikelfysik. Det er placeret i masseenergiområdet på 125 GeV, har ingen spin og kan henfalde til mange lettere grundstoffer - par af fotoner, fermioner osv. Takket være dette kan vi trygt sige, at Higgs-bosonen i enkle vendinger, er en partikel, der giver masse til alt.
Skuffet over standardadfærden for et nyligt åbnet element. Hvis dets henfald var endda lidt anderledes, ville det være relateret til fermioner anderledes, og nye forskningsveje ville dukke op. På den anden side betyder det, at vi ikke har bevæget os et eneste skridt ud over Standardmodellen, som ikke tager højde for tyngdekraft, mørk energi, mørkt stof og andre bizarre virkelighedsfænomener.
Nu kan man kun gætte, hvad der forårsagede dem. Den mest populære teori er supersymmetri, som siger, at hver partikel i Standardmodellen har en utrolig tung superpartner (derved udgør 23% af universet - mørkt stof). Opgradering af kollideren, fordobling af dens kollisionsenergi til 13 TeV, vil sandsynligvis gøre det muligt at detektere disse superpartikler. Ellers må supersymmetri vente på konstruktionen af en mere kraftfuld efterfølger til LHC.
Yderligere udsigter
Så hvordan vil fysikken være efter Higgs-bosonen? LHC har for nylig genoptaget sit arbejde med betydelige forbedringer og er i stand til at se alt fra antistof til mørk energi. Det menes, at mørkt stof interagerer med almindeligt stof udelukkende gennem tyngdekraften og gennem skabelsen af masse, og betydningen af Higgs-bosonen er nøglen til at forstå præcis, hvordan dette sker. Den største ulempe ved Standardmodellen er, at den ikke kan forklare virkningerne af tyngdekraften – sådan en model kunne kaldes Grand Unified Theory – og nogle mener, at partiklen og Higgs-feltet kunne være den bro, som fysikere er så desperate efter at finde.
Eksistensen af Higgs-bosonen er blevet bekræftet, men dens fulde forståelse er stadig meget langt væk. Vil fremtidige eksperimenter tilbagevise supersymmetri og ideen om dens nedbrydning til selve mørkt stof? Eller vil de bekræfte hver eneste detalje i standardmodellens forudsigelser om egenskaberne af Higgs-bosonen og afslutte dette forskningsområde for altid?
