Higgsovo pole a Higgsov bozón: vysvetlenie Higgsovho mechanizmu
Objavte Higgsovo pole a Higgsov bozón: jasné vysvetlenie Higgsovho mechanizmu, ako častice získavajú hmotnosť a prečo to formuje náš vesmír.
Higgsovo pole je kvantové pole, ktoré podľa súčasného fyzikálneho modelu – Štandardného modelu častíc – vyplňuje každú oblasť vesmíru. Jeho kvantom (excitáciou) je Higgsov bozón. Pole je prítomné nepretržite a častice, ktoré s ním interagujú, získavajú netriviálnu vlastnosť zvanú hmotnosť. Bežnou metaforou je predstava, že sa častice „plazí“ cez viskózne médium (prirovnávané napríklad k lekváru alebo (alebo melasu), ) — čím silnejšie s poľom interagujú, tým viac sa ich pohyb „spomaluje“ a tým väčšiu majú zotrvačnú hmotnosť.
Ako Higgsov mechanizmus funguje
Higgsov mechanizmus je proces spontánneho porušenia elektroslabej symetrie v Štandardnom modeli. V prázdnote má Higgsovo pole nenulovú priemernú hodnotu (tzv. vakuový očakávaný stav, anglicky vacuum expectation value), približne 246 GeV. Keď sa elementárne častice (fermióny) viažu na toto pole prostredníctvom tzv. Yukawových väzieb, objavia sa u nich nenulové hodnoty kľudovej hmotnosti. Intenzita tejto interakcie určuje, či a ako veľkú hmotnosť daná častica dostane — napríklad top kvark má silné viazanie a je veľmi ťažký, elektrón má slabšie a je ľahší.
Dôležité body:
- Higgsov bozón je kvantom (vlnkovitou excitáciou) samotného poľa; jeho objav potvrdil existenciu poľa.
- Veľká časť hmotnosti bežných objektov (napr. hmotnosť protónu či neutróna) však nepochádza priamo z Higgsovho poľa, ale z dynamickej energie viazania kvarkov v kvantovej chromodynamike (QCD). Higgs dáva hmotnosť elementárnym fermiónom; väčšina hmotnosti hadrónov vzniká z energie silnej interakcie.
- Fotóny (svetlo) s Higgsovým poľom v Štandardnom modeli priamo neinteragujú, preto zostávajú hmotnostne nulové. To znamená, že ich kľudová hmotnosť nezmení prítomnosť poľa.
Čo je Higgsov bozón a prečo je dôležitý
Higgsov bozón bol experimentálne objavený v roku 2012 v urýchľovači LHC (detektory ATLAS a CMS). Jeho hmotnosť je približne 125 GeV/c². Jeho existencia je dôkazom, že Higgsovo pole naozaj existuje a že mechanizmus, ktorý dáva hmotnosť niektorým elementárnym časticiam, je správny. Higgsov bozón je nestály a rýchlo sa rozpadá na iné častice; jeho vlastnosti skúmajú fyzici, aby overili, či presne zodpovedá predpovediam Štandardného modelu alebo či naznačuje novú fyziku.
Dôsledky pre vesmír a bežnú hmotu
Ak by Higgsovo pole nebolo tak, ako je, mnohé elementárne častice by boli masívne inak alebo by boli bez hmotnosti. Bez netriviálnych kľudových hmotností by sa kvarky a leptóny chovali odlišne: napríklad by sa nedali vytvoriť stabilné atómy tak, ako ich poznáme, čo by zásadne zmenilo štruktúru hmoty a evolúciu vesmíru. To však neznamená, že by gravitácia neexistovala — gravitácia podľa všeobecnej relativity reaguje na celkovú energiu a hybnosť; aj častice bez kľudovej hmotnosti prispievajú k zdroju gravitácie cez svoju energiu.
Presnejšie vysvetlenie niektorých nejasností
Niekoľko bežných omylov a ich oprava:
- Higgsovo pole „nevyrába“ hmotu z ničoho. Hmotnosť častíc je vlastnosť, ktorá vzniká v dôsledku symetrie a väzieb v poli; zákony zachovania energie a hybnosti zostávajú v platnosti.
- Nevzniká tak, že Higgsove bozóny „dávajú“ hmotnosť iným časticiam. Higgsov bozón je iba kvant poľa; samotná kľudová hmotnosť častíc súvisí s ich väzbou na nenulové vakuové pole a Yukawovými parametrami. Higgsov bozón má sám o sebe kľudovú hmotnosť (≈125 GeV/c²), ktorá vyplýva zo samointerakcie poľa.
- Fotóny nezískavajú hmotnosť pri prechode cez Higgsovo pole, pretože s ním v rámci Štandardného modelu neinteragujú. Ich energia môže meniť inými spôsobmi (napr. pri emisiách/absorpciách), ale to nie je efekt Higgsovho poľa.
Higgsov mechanizmus je teda kľúčovou súčasťou porozumenia, prečo základné častice majú také hmotnosti, aké majú, a prečo existuje štruktúra hmoty vo vesmíre. Súčasný výskum skúma presné vlastnosti Higgsovho bozónu, jeho možné prepojenia na fyziku za hranicami Štandardného modelu (napríklad na temnú hmotu alebo nové symetrie) a jeho úlohu v rannom vesmíre.
Počítačom vytvorený obrázok Higgsovej interakcie
Higgsov efekt
Higgsov efekt bol prvýkrát teoretizovaný v roku 1968 autormi prác o narušení symetrie PRL. V roku 1964 tri tímy napísali vedecké práce, ktoré navrhli súvisiace, ale odlišné prístupy na vysvetlenie toho, ako by mohla vzniknúť hmotnosť v lokálnych teóriách merania.
V roku 2013 bol Higgsov bozón a implicitne aj Higgsov efekt predbežne dokázaný na Veľkom hadrónovom urýchľovači (a Higgsov bozón bol objavený 4. júla 2012). Tento efekt sa považoval za nájdenie chýbajúceho kúska štandardného modelu.
Podľa teórie merania (teória, ktorá je základom štandardného modelu) by všetky častice prenášajúce silu mali byť bez hmotnosti. Avšak častice sily, ktoré sprostredkúvajú slabú silu, majú hmotnosť. Je to spôsobené Higgsovým efektom, ktorý narúša symetriu SU(2) (SU znamená špeciálnu unitárnu maticu a 2 znamená veľkosť príslušných matíc).
Symetria systému je operácia vykonaná so systémom, ako napríklad rotácia alebo posunutie, pri ktorej sa systém v zásade nezmení. Symetria tiež poskytuje pravidlo, ako by sa malo niečo vždy správať, ak naň nepôsobí vonkajšia sila. Príkladom je Rubikova kocka. Ak vezmeme Rubikovu kocku a zamiešame ju tak, že urobíme ľubovoľné pohyby, stále je možné ju vyriešiť. Keďže každý ťah, ktorý urobíme, stále ponecháva Rubikovu kocku riešiteľnú, môžeme povedať, že tieto ťahy sú "symetriami" Rubikovej kocky. Spolu tvoria to, čo nazývame skupinou symetrií Rubikovej kocky. Vykonaním ktoréhokoľvek z týchto ťahov sa hlavolam nezmení a vždy zostane riešiteľný. Túto symetriu však môžeme narušiť tak, že kocku rozoberieme a zložíme ju úplne nesprávnym spôsobom. Bez ohľadu na to, aké ťahy teraz vyskúšame, kocku nie je možné vyriešiť. Rozloženie kocky a jej opätovné zloženie nesprávnym spôsobom je "vonkajšia sila": Bez tejto vonkajšej sily nič z toho, čo s kockou urobíme, ju neurobí neriešiteľnou. Symetria Rubikovej kocky spočíva v tom, že zostáva riešiteľná bez ohľadu na to, aké pohyby urobíme, pokiaľ kocku nerozoberieme.
Vznik Higgsovho bozónu
Spôsob porušenia symetrie SU(2) je známy ako "spontánne porušenie symetrie". Spontánne znamená náhodné alebo neočakávané, symetrie sú pravidlá, ktoré sa menia, a porušenie sa vzťahuje na skutočnosť, že symetrie už nie sú rovnaké. Výsledkom spontánneho porušenia symetrie SU(2) môže byť Higgsov bozón.
Dôvod Higgsovho efektu
K Higgsovmu efektu dochádza, pretože príroda "inklinuje" k najnižšiemu energetickému stavu. K Higgsovmu efektu dôjde, pretože meracie bozóny v blízkosti Higgsovho poľa budú chcieť byť vo svojich najnižších energetických stavoch, a to by porušilo aspoň jednu symetriu.
Aby vedci ospravedlnili pridelenie hmotnosti zdanlivo bezhmotnej častici, boli nútení urobiť niečo neobvyklé. Predpokladali, že vákuum (prázdny priestor) má v skutočnosti energiu, a tak, ak by doň vstúpila častica, ktorú považujeme za bezhmotnú, energia z vákua by sa preniesla do tejto častice a dodala jej hmotnosť. Matematik Jeffrey Goldstone dokázal, že ak porušíte symetriu (napríklad symetriu s Rubikovou kockou, ak stanovíte, že rohy musia byť vždy otočené 0 alebo 3-krát, aby boli riešiteľné (funguje to)), nastane reakcia. V prípade Rubikovej kocky sa kocka stane neriešiteľnou, ak sa poruší. V prípade Higgsovho poľa vznikne niečo, čo je pomenované po Jeffrey Goldstoneovi (a ďalšom vedcovi, ktorý s ním spolupracoval, menom Yoichiro Nambu), Nambu-Goldstoneov bozón. Ide o excitovanú alebo energetickú formu vákua, ktorú možno znázorniť grafom, ktorý odhaľuje vyššie uvedený graf. Ako prvý to vysvetlil Peter Higgs.
Takzvaný "potenciál mexického klobúka"
Prehľadať