Загадката на Хигс бозона: Когато природата се противопоставя на очакванията

Откъде идва Хигс бозонът?

Ваня Милева Последна промяна на 11 април 2023 в 00:01 11691 0

Тежки бозони на Хигс CMS

Кредит CERN

Показване на събитие от експеримента CMS, използван при търсенето на допълнителни тежки Хигс бозони.

Департаментът по теоретична физика на ЦЕРН бе домакин на семинар за проучване на нетрадиционни обяснения за свойствата и произхода на Хигс бозона. Въпреки че не са открити доказателства за "естествени" решения, бъдещите данни от експериментите ATLAS и CMS ще насочат пътя напред, като потенциално могат да променят разбирането ни за фундаменталната физика.

Откриването на Хигс бозона в Големия адронен колайдер (LHC) през 2012 г. бе триумф на теоретичната и експерименталната физика, но последиците от него едва сега започват да се разбират. Прецизните измервания, извършени от колаборациите ATLAS и CMS, показват, че тази фундаментална частица, която е отговорна за генерирането на масите на елементарните частици, се държи така, както е предсказано от половинвековния Стандартен модел на физиката на елементарните частици.

Но откъде идва Хигс бозонът? И защо той е толкова лек, че LHC може да го произвежда в големи количества? Тези загадки са обсъждани по време на едноседмичен семинар "Екзотични подходи към естествеността" (Exotic Approaches to Naturalness,), организиран от департамента по теоретична физика на ЦЕРН от 30 януари до 3 февруари.

Хигс бозонът е най-простата известна частица: "фрагмент от вакуум" без заряд и спин. Както при всички елементарни частици, той е възбуждане или квант на по-фундаментална същност, наречена поле - уникално скаларно (определено само от една величина) поле на Брут-Енглерт-Хигс, което запълва равномерно цялото пространство.

Приема се, че това поле е възникнало по време на епохален "електрослаб" фазов преход за част от наносекундата след Големия взрив. Докато преди това елементарните частици като електрона са се движили със скоростта на светлината, след това те са били принудени да взаимодействат с тази квантова супа, която им е придала свойството маса.

Как частиците придобиват маса в полето на Хигс Eдна опростена аналогия:
Представете си, че цялата Вселена е пълна до горе с пластична глина, през която си проправят път безмасовите частици – по по-бързите изпитват по-малко съпротивление, по-бавните – стават по-масивни, а тези, които се движат със скоростта на светлината минават, без да бъдат повлияни.

Но ако тази картина е вярна, самият Хигс бозон би трябвало да придобие маса от взаимодействията на известните частици с неговото родителско поле. Сумирането на тези т.нар. квантови поправки би подсказало стойност за масата на Хигс бозона, която е с много порядъци по-голяма от наблюдаваната. Освен че е извън обсега на всеки възможен експеримент, такава голяма маса на Хигс не би позволила да се образува Вселената, каквато я познаваме.

Осъзнавайки този парадокс (наречен проблем на електрослабата (калибровъчната) йерархия) много преди откриването на Хигс бозона и водени от възможното съществуване на частици и сили извън описаните от Стандартния модел, физиците предлагат различни обяснения.

Едно от тях е, че Хигс бозонът е съставен от по-елементарни частици, които са свързани от много мощни сили, което заобикаля влиянието на квантовите корекции.

Друго е, че пространство-времето притежава допълнителни "суперсиметрични" измерения, което би означавало съществуването на изцяло нов огледален свят от частици, които отменят притеснителните квантови корекции от стандартните.

Досега обаче не са открити доказателства за такива "натурални" решения на проблема с електрослабата йерархия.

Навлизат екзотичните подходи към естествения свят, които се опират на такива понятия като обобщени симетрии, смесване на ултравиолетовите и инфрачервените лъчи, предположения за слаба гравитация и "магически нули", за да се опитат да обяснят масата на Хигс бозона и други неестествени величини във физиката.

Участниците в семинара през февруари са били насърчавани да оспорват общоприетите схващания и да засаждат семена на идеи на ръба на познанието - включително такива, които отхвърлят изцяло концепцията за естественото.

Последното би означавало радикално да се откажат от досегашните успехи. В края на краищата масата на Хигс бозона не е единствената на пръв поглед неестествена величина в природата: ако някога физиците са били озадачени защо електрическата енергия на електрона не нараства безкрайно на малки разстояния например загадката изчезва с откритието, че електронът има партньор от антиматерия - позитрон, който отменя нефизическото разминаване.

Неестествената маса на Хигс бозона може дори да е свързана с изключително малката, но ненулева стойност на космологичната константа, която е отговорна за ускореното разширяване на Вселената.

"Този семинар ни предостави фантастичен форум, на който да представим нова гледна точка към проблемите на естествеността както в различни физически системи, така и конкретно във физиката на частиците", разказва съорганизаторът на семинара Тимоти Коен (Timothy Cohen) от ЦЕРН. "Нашата общност обмисля проблема за естествеността на Хигс от десетилетия и въпреки това много от нас подозират, че все още не сме намерили правилната идея. Ако в крайна сметка успеем да разберем как природата се е справила с проблема за електрослабата йерархия, има много голяма вероятност да научим нещо, което ще промени гледната ни точка към фундаменталната физика и редукционистката философия, която ни служи от началото на нашата дисциплина."

Докато теоретиците дават воля на въображението си, заключението на семинара в ЦЕРН е ясно: пътят напред ще бъде направляван от данните. По-големите проби от Хигс бозони, които ще бъдат събрани от ATLAS и CMS през следващите години - и от експериментите в специалната "фабрика за Хигс", предложена да последва LHC - ще позволят на физиците да изследват уникалното взаимодействие на Хигс бозона със самия себе си. Това ще даде информация за точната форма на полето на Брут-Енглерт-Хигс и за естеството на фазовия преход при електрослабото взаимодействие, и вероятно ще ни каже дали Хигс бозонът е естествен или странно настроен за нашето съществуване.

Източник: Where does the Higgs boson come from? Matthew Chalmers, CERN

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !