Laimingo gimtadienio, bozone! Šešios didžiausios Higso bozono paslaptys

Kokios rūšies Higso bozonas tai yra?

Kai buvo paskelbta apie dalelės atradimą, Didžiajame hadronų priešpriešinių srautų greitintuve (LHC), CERN dirbantys mokslininkai vengė vadinti savo laimikį tiesiog Higso bozonu, bevelydami aptakesnę formuluotę „bozonas, panašus į Higgso“ ar „dalelė, primenanti Higso bozoną“. Jie žinojo, kad jų aptikta dalelė buvo visiškai naujas bozonas, vieno iš dviejų elementariųjų dalelių tipų. Bet buvo neaišku, ar jos savybės tiksliai atitiko numatytasias Higso bozonui standartiniame dalelių fizikos modelyje, aprašančiame visas žinomas daleles ir jas veikiančias sąveikas.

Iš tiesų, daugelis fizikų tikėjosi, kad bozonas pasirodys esąs egzotiškesnis, nes tai nušviestų Standartinio modelio praplėtimo būdus, nes dabar jis, pavyzdžiui, negali paaiškinti tamsiosios materijos ar gravitacijos.

Praėjus metams, pagrindinės savybės, sukinys ir lyginumas (angl. parity), o taip pat ir tikslios dalelės, į kurias suyra bozonas, pamažu nustatomos ir atrodo, bozonas elgiasi taip, kaip numatyta, artėdamas prie oficialaus Higso bozono statuso kovą. „Atlikome pakankamai savybių matavimų, kad galėtume pamažu pradėti įtikinėti save, kad tai išties yra Higgso bozonas,“ sako Oliveris Buchmuelleris iš ICL, narys vienos iš dviejų LHC CMS komandų, paskelbusių apie Higso bozono požymius.

Bet net jei jis atitinka minimalius Higgso bozono reikalavimus, dar nereiškia, kad jis toks paprastas, pažymi Buchmuelleris. „Tikslumas, kuriuo dabar matuojame šias savybes, nėra pakankamas, norint nustatyti, ar tai yra minimalus Higgso mechanizmo realizavimas, ar yra dar kas nors.“ Viena likusi paslaptis yra tai, kodėl Higso bozonas skyla į daugiau fotonų, nei numatyta. Apie šį perteklių pirmiausia buvo pranešta praeitą liepą. Naujausiose analizėse, ATLAS tebemato, kad Higso bozonas skyla į daugiau fotonų, nei derėtų, tuo tarpu CMS surinktuose duomenyse pertekliaus nėra.

Kodėl Higso bozonas toks lengvas?

Kai dalelė buvo rasta, buvo nustatyta jos masė ir būdamas maždaug 125 gigaelektronvoltų (GeV) masės, Higso bozonas yra stebėtinai lengvas. Įstačius šią masę į Standartinį modelį kartu su visų kitų žinomų dalelių masėmis, peršasi išvada, kad visata yra nestabili. Ir tai nurodo naują fiziką, sako Buchmuelleris. Akivaizdu, visata egzistuoja, tad lengvas Higso bozonas iškelia perspektyvą, kad viską stabilizuoja kitos naujos dalelės. „Jei Higgso bozono masė būtų 135 – 140 GeV, visata būtų stabili. Tada tikrai būtų iškilusi problema ką daryti toliau,“ sako Buchmuelleris.

Kiek dar apie Higso bozoną gali papasakoti LHC?

Ką fizikai toliau bedarytų, keletą metų jie tai darys be pagrindinio dalelių greitintuvo. LHC dabar miego režime, vykdomas dviejų metų trukmės atnaujinimas, kiekvienam susiduriančių protonų srautui suteiksiantis maksimalią numatytą 7 teraelektronvoltų (TeV) energiją. Visa galia paleistas LHC gali pateikti tamsiosios materijos ar papildomų matmenų įrodymų, o tai savo ruožtu pakeistų mūsų supratimą apie Higso bozoną.

Atnaujinimas paspartins Higso bozonų kūrimą iki dviejų kartų, lyginant su ankstesniu rezultatu ir suteiks pakankamai statistinės medžiagos tolesniam jo savybių tyrimui. Buchmuelleris tuo ypač džiaugiasi, kadangi Higso bozonas ir jo laukas yra pirmos tokios esybės, turinčios sukinį, lygų 0, o tai reiškia, kad kitaip, nei, tarkime, gravitacija, neturi krypties. Tolesnis Higso bozonų kūrimas gali pamokyti mus apie „nulinio sukinio laukus“ bendrai, o tai galėtų suteikti užuominų apie prigimtį tamsiosios energijos, pa­slapt­ing­os­ios jėgos, spartinančios visatos plėtimąsi ir kuri gali būti nulinio sukinio laukas.

Kiek Higso bozonų yra iš viso?

Galingesnis LHC galėtų atskleisti ar Higso bozonas turi brolių. „Niekas nenustebtų, jei gamtoje yra ir antras Higgso dalelių tipas,“ rašė Mattas Strassleris, fizikas iš Rutgerso universiteto Piscataway'uje, New Jersey'yje, liepos antrosios tinklaraščio įraše, nagrinėjančiame daugelio Higso bozonų klausimą. Įrašą paskatino neseni gandai apie antros, panašios į Higgso bozoną, dalelės ženklus, kuriuos vėliau paneigė Strassleris ir kiti fizikai, su kuriais susisiekė New Scientist.

Bet, kaip sako Strassleris, negalima paneigti kitų Higso bozonų egzistavimo. Pavyzdžiui, populiari Standartinio modelio praplėtimo teorija yra supersimetrija, trumpiau SUSY, nurodanti mažiausiai penkis Higgso bozonų tipus. Nors SUSY įrodymai kol kas LHC nepasirodė, fizikai jų įdėmiai ieškos, kai 2015 metais greitintuvas vėl bus įjungtas.

Kaip gaminsime Higso bozonus po LHC?

Vos atradę Higso bozoną, fizikai ėmė kalbėti, kaip turėtų atrodyti kitas didelis dalelių fabrikas. LHC kaktomuša sutrenkia du didelės energijos protonų srautus taip, kad šie subyra į šipulius. Taip atsiranda Higgso bozonai, bet kartu sukuriama ir trukdanti nuolaužų lavina, apsunkinanti tikslų Higgso bozono detalių matavimą. Elektronų susidūrimai su savo antidalelėmis, pozitronais būtų daug švaresni ir tokios milžiniškos mašinos, kuri būten tai ir veiktų Tarptautinio linijinio greitintuvo (International Linear Collider – ILC) – statymo pasiūlymai svarstomi jau senokai.

Kaip bebūtų, ILC kainuos milijardus. Nobelio premijos laimėtojas Carlo Rubbia nurodo, kad dabar, kai žinome, kad Higso bozono masė yra 125 GeV, gali būti įmanoma sukurti Higso bozonų fabriką, sudaužiant elementarius miuonus ir antimiuonus. Taip būtų gaunama tokia pati susidūrimo energija, bet žymiai pigiau.

Tuo tarpu keletas laboratorijų jau susitelkė į kūrimą pigesnio, mažesnio greitintuvo, naudojančio plazmą didelės energijos susidūrimams gauti daug mažesnėje erdvėje. LHC perimetras – 27 kilometrai, bet plazmos greitintuvas gali sukurti Higgso bozonus, naudojant tik 500 metrų ilgio greitintuvą.

Tai kieno gi tas bozonas, galų gale?

Netgi prabėgus metams nuo jo atradimo, kai kurie fizikai tebesiginčija, kieno vardu pavadinti naujai atrastą bozoną. Žinoma, yra Higgso bozonas, pavadintas Peterio Higgso iš Edinburgho universiteto , JK, vardu,kuris pirmasis numatė dalelę 1964 m. spalį. Šis vardas jau turi daug palaikymo. Bet kiti teoretikai taip pat teigia turintys teisę į dalį bozono šlovės.

1964-ųjų rugpjūtį Robertas Broutas ir François Englertas iš Laisvojo universiteto Briuselyje, Belgijoje, apibūdino mechanizmą, suteikiantį dalelėms masę, bet konkrečiai bozono nepaminėjo. Kai kurie tyrėjai dabar linkę jį vadinti BEH bozonu, kad visi trys gautų savo dalį. Bet dar trys tyrėjai – Dickas Hagenas, Geraldas Guralnikas ir Tomas Kibble'is – taip pat detalizavo masės suteikimo mechanizmą 1964 m. lapkritį. Jų darbą Physical Review Letters žurnalas gavo anksčiau, nei buvo paskelbtas Peterio Higgso darbas. Kyla problema, nes tada pavadinimas turėtų būti BEHHGK bozonas.

Ir pereidamas nuo prakilnaus prie absurdiško, praeitą mėnesį Rolandas Allenas iš Teksaso A&M universiteto College Station paskelbė dokumentą, pateikiantį netgi dar daugiau dalelės žaidėjų, sukurdamas Londono-Andersono-Englerto-Brouto-Higgso-Guralniko-Hageno-Kibble'o-Weinbergo mechanizmą – nors pačiam bozonui supratingai paliko seną gerą Higgso pavadinimą. Nuo to, kuris pavadinimas bus formaliai priskirtas didžiausiam dešimtmečio dalelių fizikos atradimui, gali priklausyti, kam bus paskirta Nobelio premija, nes tradiciškai ja gali dalintis daugiausiai trys žmonės.

Galbūt tai reiškia, kad dalelei neturėtų būti paskirtas pavadinimas pagal kieno nors vardą – kai kas siūlo skaliarinio bozono pavadinimą kaip anoniminę alternatyvą. Tiesiog nevadinkite jos dieviškąja dalele.

Papildomą medžiagą pateikė Jacob Aron ir Valerie Jamieson