Dziesięć lat temu radośni fizycy pracujący nad najpotężniejszym eksperymentem naukowym na świecie, Wielkim Zderzaczem Hadronów (LHC) w CERN, ogłosili odkrycie bozonu Higgsa — cząstki, której naukowcy poszukiwali od 1964 roku, kiedy to po raz pierwszy przepowiedziano jej istnienie . .
Dla fizyków cząstek bozon Higgsa To był brakujący element Modelu Standardowego” – powiedziała Space.com Victoria Martin, profesor fizyki cząstek elementarnych na Uniwersytecie w Edynburgu w Wielkiej Brytanii.
Chociaż Wielki Zderzacz HadronówJego zakres kompetencji jest szeroki, a poszukiwania bozonu Higgsa były priorytetem, gdy rozpoczęły się w 2010 roku. Dwa główne eksperymenty LHC – ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) i CMS (Compact Muon Solenoid) – Odkryj bozon Higgsa W ciągu zaledwie dwóch lat od rozpoczęcia działalności.
„Nie spodziewaliśmy się, że tak szybko zobaczymy bozon Higgsa” – powiedziała dyrektor generalna CERN Fabiola Gianotti podczas konferencji prasowej w czwartek (30 czerwca). Powiedziała, że infrastruktura superkomputerowa LHC zastosowana do eksperymentów wypadła lepiej niż specyfikacje projektowe – świadectwo wielu lat ciężkiej pracy nad budową LHC – która przyspieszyła odkrycie bozonu Higgsa.
Związane z: 10 kosmicznych tajemnic, które mógłby odkryć Wielki Zderzacz Hadronów
Czytaj więcejNasza oryginalna relacja z odkrycia Higgsa
Sekret bloku
Bozon Higgsa zmienił świat fizyki cząstek elementarnych, otwierając drzwi, które zamknęły się do czasu jego odkrycia.
„Fizyka cząstek zmieniła się bardziej w ciągu ostatnich 10 lat niż w ciągu ostatnich 30” – powiedział podczas wydarzenia Gian Giudice, szef wydziału fizyki teoretycznej w CERN.
Bozon Higgsa jest ważny, ponieważ przenosi siłę pola energetycznego zwanego polem Higgsa, w taki sam sposób, w jaki foton przenosi siłę pola elektromagnetycznego.
„Pole jest bardziej fundamentalne niż cząstki” – powiedział Martin. „Przenika przez całą przestrzeń i czas”. To oddziaływanie między pewnymi cząstkami a bozonem Higgsa, który reprezentuje pole Higgsa, nadaje tym cząstkom ich masę.
„Fizyka cząstek zmieniła się bardziej w ciągu ostatnich 10 lat niż w ciągu ostatnich 30”.
– Jian Giudice
Jedną z analogii jest myślenie o polu Higgsa jako rodzaju kosmicznej melasy, która spowalnia niektóre cząstki bardziej niż inne. Cząstki mniej masywne przechodzą przez pole Higgsa stosunkowo bez wysiłku, dzięki czemu mogą latać z prędkością światła – pomyśl Elektrony, które mają małą masę, lub fotony w ogóle nie mają masy. W przypadku innych cząstek wchodzenie w kosmiczne czarne ciało pola Higgsa spowalnia je, nadając im większą masę, więc te cząstki są największe.
Podobnie jak te cząstki, naukowcy wierzą — chociaż nie obserwowali tego procesu — że bozon Higgsa również uzyskuje swoją masę z interakcji z samym sobą. Pomiary wykonane przez Wielki Zderzacz Hadronów wykazały, że bozon Higgsa ma również dużą masę: 125 miliardów elektronowoltów, co stanowi 125 razy masę jednego dodatnio naładowanego protonu w jądrze atomu. (Dzięki Szczególna teoria względności Einsteinafizycy cząstek wiedzą, że masa i energia są zamienne i dlatego odnoszą się do mas w kategoriach ich energii). Tylko jedna fundamentalna cząstka znana nauce jest najbardziej masywna.
Odkrycie i pomiar bozonu Higgsa to dopiero początek. „Ostatnie 10 lat spędziliśmy na testowaniu bozonu Higgsa, ponieważ znalezienie go to jedno, ale Model Standardowy mówi nam również wiele rzeczy o tym, jak powinien zachowywać się bozon Higgsa” – powiedział Martin.
pytanie egzystencjalne
Po pierwsze, spin kwantowy bozonu Higgsa – lub jego brak – może dostarczyć wglądu w to, dlaczego istniejemy. Wszechświat nawet istnieje.
Każda znana cząstka ma spin kwantowy, z wyjątkiem bozonu Higgsa. Model Standardowy fizyki cząstek przewidywał tę osobliwość, więc nie jest to niespodzianką, ale naukowcy, w tym Martin i jej zespół badawczy, nadal próbują zmierzyć spin bozonu Higgsa, aby przetestować Model Standardowy. Jak dotąd nie znaleźli żadnych dowodów na to, że ma jakiś spin.
Powodem, dla którego nie ma rotacji bozonu Higgsa, gdy istnieje jakakolwiek inna znana cząstka, jest natura pola Higgsa. W przeciwieństwie do pól grawitacyjnych i elektromagnetycznych, które mają oczywiste źródła, takie jak masa obiektu lub prąd elektryczny przechodzący przez pola magnetyczne, pole Higgsa nie ma źródła. Po prostu tam jest, nielokalna część wszechświata, która przenika wszystko. Jako taki jest połączony z „pustką”, teksturą Wolny czas, więc pole ma wspólne właściwości próżni. Próżnia nie ma spinu kwantowego, więc nie ma go również bozon Higgsa.
Jednak pustka nie jest obojętna. Cząstki wchodzą i znikają z istnienia dzięki fluktuacjom kwantowym, podnosząc poziom energii próżni powyżej jej najniższego możliwego stanu. Problem z poziomami energii polega na tym, że obiekt – czy to osoba w polu grawitacyjnym, elektron krążący wokół jądra atomowego, czy próżnia – zawsze woli być na najniższym możliwym poziomie energii. Jednak nasz wszechświat taki nie jest. Tym, co powstrzymuje wszechświat przed nieuchronną chęcią obniżenia poziomu energii, jest to, co naukowcy opisują jako potencjał energetyczny pola Higgsa.
Ten wykres potencjału energetycznego może wyglądać jak „góra” pośrodku i „doliny” otoczone „wzgórzami” po obu stronach. Poziom energii próżni znajduje się w jednej z tych dolin, ale fizycy mocno wierzą, że po obu stronach tych grzbietów znajdują się głębsze „doliny” reprezentujące niższe stany energetyczne. Pomiar masy bozonu Higgsa wspiera ten pomysł; Cząstka jest tak duża, że wskazuje, że jest miejsce na to, że pewnego dnia pole Higgsa może potencjalnie ulec degradacji do niższego poziomu energii.
„Bozon Higgsa jest bardzo precyzyjnym mikroskopem do badania przyrody w najmniejszych skalach, a jednocześnie jest niesamowitym teleskopem umożliwiającym dostęp do fizyki w bardzo wysokich skalach energetycznych”.
– Fabiola Gianotti
Z tego powodu fizycy nazywają naszą próżnię „pseudo” próżnią, ponieważ „chce” ona rozpaść się na niższą energię – „prawdziwą” próżnię. Doliny i grzbiety nieodłącznie związane z polem energetycznym Higgsa zatrzymują nasz wszechświat w tej fałszywej próżni, wystarczająco długiej, by powstały planety, gwiazdy i galaktyki.
Jednak przez eony czasu fałszywa próżnia jest z natury niestabilna i ostatecznie rozpadnie się. Być może fluktuacje energii kwantowej pozwalają pseudopróżniowi wspinać się po tych „wzgórzach” i staczać się po zboczu po drugiej stronie, a może dziwne zjawisko tunelowania kwantowego pozwala jej przebić się przez „wzgórze”, które jest barierą energetyczną .
Cokolwiek się stanie, będzie to złe dla wszechświata – jeśli Rozpad pseudopróżniowy Rozciągnie się na zewnątrz w fali poruszającej się z prędkością światła, niszcząc wszystko i zastępując wszystko prawdziwą próżnią. Tylko pole Higgsa rządzi rozpadem próżni, więc zawdzięczamy je polu Higgsa za nasz obecny wszechświat.
Kolejny krok w zrozumieniu wszechświata
Oprócz rotacji bozonu Higgsa naukowcy spędzili ostatnią dekadę próbując ustalić, ile ma on lat. Zanika istnienie bozonu Higgsa; Model Standardowy przewiduje, że bozon Higgsa przetrwa przez niewielką ilość czasu, zaledwie 10^-22 sekund, zanim rozpadło się na więcej cząstek subatomowych. Jednak to konto nie zostało jeszcze zweryfikowane eksperymentalnie. „To się dzieje bardzo szybko” – powiedział Martin.
Fizycy mają nadzieję, że kolejny etap operacyjny zostanie nazwany LHC graj 3 A od wtorku (5 lipca) będzie służył jako bardzo potrzebny stoper.
„Mamy nadzieję, że możemy pośrednio zmierzyć, jak długo żyje bozon Higgsa” – powiedział Martin. „Jeżeli będziemy mogli zmierzyć czas życia, da nam to więcej ograniczeń co do tego, czym jest bozon Higgsa rozkładać się na. „
W przeciwieństwie do tego, zrozumienie, w jaki sposób bozon Higgsa rozpada się na inne cząstki, może ujawnić ukryte cząstki subatomowe, nowe dla nauki, a być może nawet zagadkowe. Ciemna materia.
Z powodu tych efektów Gianotti opisał bozon Higgsa jako kluczowe narzędzie do badania najgłębszych tajemnic fizyki cząstek elementarnych. „Bozon Higgsa jest bardzo precyzyjnym mikroskopem do badania przyrody w najmniejszej skali, a jednocześnie jest ogromnym teleskopem umożliwiającym dostęp do fizyki w bardzo wysokich skalach energetycznych” – powiedziała.
Odkrycie bozonu Higgsa pozwoliło fizykom nie tylko odhaczyć kolejną cząstkę z listy. Ich istnienie i zachowanie rodzą pytania o niektóre z najgłębszych obszarów fizyki fundamentalnej: strukturę materii we wszechświecie, los wszechświata, czy wszechświat jest stabilny i jak cząstki elementarne są ze sobą powiązane.
Jednak bozon Higgsa nadal manipuluje swoimi sekretami. „Wszystko, co do tej pory widzieliśmy, wydaje się być tym, co przewidział Model Standardowy” – powiedział Martin. „Chociaż jest to interesujące, jest to trochę rozczarowujące, ponieważ mieliśmy nadzieję, że bozon Higgsa pomoże nam zobaczyć Poza modelem standardowym. „
Daleko od łamania zasad i niszczenia fizyki, wyjście poza Model Standardowy jest konieczne, aby wyjaśnić zjawiska, które nie pasują, takie jak ciemna materia, lub otworzyć drzwi do nowej fizyki, takie jak super symetria. Dlatego po czterech latach modernizacji LHC ponownie zmierzy się z tajemnicą bozonu Higgsa.
Obserwuj Keitha Coopera na Twitterze @21stCenturySETI. Podążaj za nami na Twitterze Umieść tweeta i dalej Facebook.
„Certyfikowany guru kulinarny. Internetowy maniak. Miłośnik bekonu. Miłośnik telewizji. Zapalony pisarz. Gracz.”
More Stories
Firma zajmująca się planowaniem powierzchni handlowych CADS postrzega technologię jako odpowiedź na Święta Wielkanocne i inne sezonowe wyzwania w 2024 r. — Retail Technology Innovation Hub
Astronomowie odkryli, że woda unosi się w części przestrzeni, która tworzy planetę
Tęskniłam za nim bardzo długo! Satelita NASA i martwy rosyjski statek kosmiczny zbliżają się do siebie na swojej orbicie