A szerkesztő megjegyzése: 2013. október 8-án Peter Higgs és Francois Englert a fizikai Nobel-díjat nyerte el a Higgs-bozonon végzett munkájáért. Az alábbiakban Brian Greene tudományos rovatunk magyarázza a felfedezés mögött meghúzódó tudományt.
Ebből a történetből
[×] BEZÁR
Az ATLAS detektor, a két kísérlet egyike, amellyel a megcáfolhatatlan Higgs-bozonokat észlelhetik a CERN Nagy Hadron-ütközőjének részecske-összetörésében, száz 747 fúvóka súlya, és 1800 mérföldnél több kábelt tartalmaz. (Claudia Marcelloni / CERN) 
A Kompakt Muon mágnesszelep a nagy hadroncsatorna ütközővel elfogja a részecskéket. (Michael Hoch / CERN) 
Vissza a rajzhoz: Peter Higgs fizikus behúzza a híres egyenletét, amely leírja a részecske tömegének forrását. Fél évszázadba telik, amíg igaznak bizonyul. (Stuart Wallace / Splash News / Newscom) 
A csapat az ATLAS detektorral működik, amely a két kísérlet egyike a megfoghatatlan Higgs-bozon kimutatására a részecske-összetörésekben. (Claudia Marcelloni / CERN) 
A telepítés előtt a CMS-detektor egy része a CERN tisztítóhelyiségében élt. (Maximilien Brice, Michael Hoch, Joseph Gobin / CERN) 
A CMS-detektor mágnese 100 000-szer olyan mágneses teret bocsát ki, mint a Földé. (Gobin / CERN) 
A CMS-detektor részlete - a két kísérlet egyike a Higgs-bozon aláírásainak kimutatására. (Gobin / CERN) 
Noha a Higgs-bozon túlságosan rövidnek tűnik ahhoz, hogy közvetlenül észlelhető legyen, a CMS fizikusai következtethetik annak létezésére, amikor megvizsgálják a proton-proton ütközések után hátrahagyott részecskék zuhanyát. (T. McCauley, L. Taylor / CERN) 
Képgaléria
kapcsolodo tartalom
- A művészet és a tudomány ütköznek a Higgs Boson felfedezésében
A híres történet a fizika évkönyveiben egy ötéves Albert Einsteinről szól, aki beteg az ágyban, és egy játék-iránytűt kapott apjától. A fiút zavarba ejtette és elbűvölte a láthatatlan erők a munka során, és iránytűt irányították az iránytű észak felé, amikor zavartak a pihenőhelyzete. Ez a tapasztalat, Einstein később mondani fogja, meggyőzte őt a természet mély rejtett rendjéről, és arra késztette őt, hogy töltse az életét annak feltárására.
Noha a történet több mint egy évszázados, a fiatal, Einstein által felfedezett ragaszkodás a kortárs fizika egyik kulcsfontosságú témájával rezonál, amely elengedhetetlen az elmúlt 50 év legfontosabb kísérleti eredményéhez: a felfedezéshez, egy évvel ezelőtt, júliusban., a Higgs-bozon.
Hadd magyarázzam.
Általában a tudomány, és különösen a fizika keres mintákat. Nyújtson kétszer annyira egy rugót, és érezze kétszer az ellenállást. Egy minta. Növelje az egy tárgy által elfoglalt térfogatot, miközben rögzíti a tömegét, és minél nagyobb a vízben úszó. Egy minta. A minták körültekintő megfigyelésével a kutatók feltárják azokat a fizikai törvényeket, amelyek a matematikai egyenletek nyelvén kifejezhetők.
Az iránytű egyértelmű mintája is megmutatkozik: mozgassa és a tű ismét észak felé mutat. El tudom képzelni egy fiatal Einstein gondolatát, hogy legyen egy általános törvény, amely előírja, hogy a felfüggesztett fémtűket észak felé tolják. De ilyen törvény nem létezik. Ha egy régióban van egy mágneses mező, bizonyos fémtárgyak olyan erőt tapasztalnak, amely igazítja őket a mező iránya mentén, bármi is legyen az irány. És a Föld mágneses mezője észak felé mutat.
A példa egyszerű, de a leckék mélyek. A természet mintái néha két összefonódó vonást tükröznek: az alapvető fizikai törvényeket és a környezeti hatásokat. Ez a természet változata a természetnek a táplálás ellen. Egy iránytű esetében a kettő szétszerelése nem nehéz. A mágneses kezeléssel könnyen megállapíthatja, hogy a mágnes tájolása meghatározza-e a tű irányát. De lehetnek olyan helyzetek is, amikor a környezeti hatások annyira áthatóak, és így a manipulációs képességünkön túl sokkal nagyobb kihívást jelentene a befolyásuk felismerése.
A fizikusok példázatot mondnak a halakról, amelyek a fizika törvényeit vizsgálják, de a vizes világhoz szokásos módon nem veszik figyelembe annak hatását. A halak erőteljesen küzdenek a növények szelíd ingadozása, valamint a saját mozgásuk magyarázata miatt. A törvények, amelyeket végül találnak, bonyolultak és nehézkesek. Ezután egy ragyogó hal áttörést mutat. Lehet, hogy a bonyolultság tükrözi az egyszerű alapvető törvényeket, amelyek egy komplex környezetben viselkednek - egy viszkózus, összenyomhatatlan és átható folyadékkal: az óceánnal. Először az észlelhető halakat figyelmen kívül hagyják, sőt nevetségessé teszik. De lassan a többiek is rájönnek, hogy környezetük, annak ismerete ellenére, jelentős hatással van mindenre, amelyet megfigyelnek.
A példázat közelebb van a házhoz, mint gondolnánk? Lehetnek-e olyan környezet más, finom, mégis átfogó tulajdonságai, amelyeket eddig nem tudtunk megfelelően becsatlakoztatni a megértésünkbe? A Higgsz-részecske felfedezése a nagy hadron-ütköző által Genfben meggyőzte a fizikusokat, hogy a válasz hangos igen.
Közel fél évszázaddal ezelőtt Peter Higgs és egy maroknyi más fizikus megpróbálta megérteni az alapvető fizikai tulajdonság: a tömeg eredetét. A tömegre mint egy tárgy lógására gondolhat, vagy egy kicsit pontosabban, amikor a mozgása ellenáll az ellenállásnak. Nyomja meg a tehervonatot (vagy tollat), hogy növelje sebességét, és az ellenállása, amelyet érzel, tükrözi a tömegét. Mikroszkopikus szinten a tehervonat tömege alkotó molekuláiból és atomjaiból származik, amelyek maguk alapvető részecskékből, elektronokból és kvarkokból épülnek fel. De honnan származnak ezek és más alapvető részecskék tömege?
Amikor a fizikusok az 1960-as években a részecskék viselkedését a kvantumfizikában gyökerező egyenletekkel modellezték, rejtvényre találkoztak. Ha elképzelnék, hogy a részecskék mindegyike tömeg nélküli, akkor az egyenletekben minden kifejezés egy tökéletesen szimmetrikus mintára kattint, mint egy tökéletes hópehely tippe. És ez a szimmetria nemcsak matematikailag elegáns volt. Elmagyarázta a kísérleti adatokban nyilvánvaló mintákat. De - és itt van a rejtvény - a fizikusok tudták, hogy a részecskéknek megvan a tömege, és amikor módosították az egyenleteket ennek a ténynek a figyelembevétele érdekében, a matematikai harmónia romlott. Az egyenletek komplexekké váltak, nehézkessé, és ami még rosszabb, következetlenné vált.
Mit kell tenni? Ez az ötlet, amelyet Higgs terjesztett elő. Ne nyomja a részecskék tömegét a gyönyörű egyenletek torkán. Ehelyett tartsa az egyenleteket tiszta és szimmetrikusan, de tartsa szem előtt, hogy azok egy sajátos környezetben működnek. Képzelje el, hogy az egész tér egyenletesen meg van töltve egy láthatatlan anyaggal - amelyet most Higgs-mezőnek hívnak -, amely húzóerőt gyakorol a részecskékre, amikor rajta gyorsulnak. Nyomjon rá egy alapszemcsére annak érdekében, hogy növelje sebességét, és Higgs szerint ezt a húzóerőt ellenállásnak érzi. Indokoltan az ellenállást a részecske tömegének fogja értelmezni. A mentális támaszkodáshoz gondolj egy víz alatti ping-pong labdára. Amikor megnyomja a ping-pong labdát, sokkal tömegebbnek érzi magát, mint a vízen kívül. A vizes környezettel való kölcsönhatása azzal a hatással jár, hogy tömeget kap. Tehát olyan részecskékkel, amelyek a Higgs-mezőbe merültek.
1964-ben Higgs beküldött egy levelet egy prominens fizikai folyóiratnak, amelyben matematikailag fogalmazta meg ezt az ötletet. A dokumentumot elutasították. Nem azért, mert technikai hibát tartalmazott, hanem azért, mert egy láthatatlan valami áthatoló teret feltételez, amely a részecskékkel kölcsönhatásba lép a tömegük biztosítása érdekében, nos, mindez csak úgy tűnt, mint halmozott túlzott spekuláció. A folyóirat szerkesztõi úgy vélték, hogy „a fizika szempontjából nincs nyilvánvaló jelentõségû”.
Higgs azonban kitartott (és felülvizsgált tanulmánya abban az évben később jelent meg egy másik folyóiratban), és a fizikusok, akik időt fordítottak a javaslat tanulmányozására, fokozatosan rájöttek, hogy ötlete egy zseniális sztrájk, amely lehetővé teszi számukra, hogy megkóstolják tortájukat és megegyék őket. . Higgs-séma szerint az alapvető egyenletek megőrizhetik eredeti formájukat, mivel a részecskék tömegeinek piszkos munkája a környezetbe kerül.
Míg nem voltam szemtanúja Higgs javaslatának 1964-es eredeti elutasításának (nos, körül voltam, de csak alig), igazolhatom, hogy az 1980-as évek közepére az értékelés megváltozott. A fizikai közösség nagyrészt teljes mértékben beismerte azt az elképzelést, hogy létezik egy áthatoló helyet foglaló Higgs-mező. Valójában egy posztgraduális kurzusban azt vettem le, amely a részecskefizika standard modelljeként ismert (a kvantum-egyenleteket a fizikusok összeállították, hogy leírják az anyag részecskéit és a domináns erőket, amelyek hatással vannak egymásra), a professzor bemutatta a Higgs-t olyan bizonyossággal, hogy hosszú ideje nem tudtam, hogy ezt még kísérletileg meg kellett volna állapítani. Időnként ez történik a fizikában. A matematikai egyenletek néha meggyőző meseket árulnak el, látszólag olyan erősen sugározzák a valóságot, hogy beépülnek a dolgozó fizikusok népi verébe, még mielőtt rendelkezésre állnak adatok megerősítésükre.
De csak adatokkal lehet hamisítani a valósághoz fűződő linket. Hogyan tesztelhetjük a Higgs mezőt? Itt jön be a Nagy Hadron ütköző (LHC). A svájci Genf alatt, a francia határt átlépve és hátrafelé hátrafelé pedig az LHC egy közel 17 mérföldes kör alakú alagút, amely versenypályaként szolgál az anyag részecskéit összetörve. Az LHC-t körülbelül 9000 szupravezető mágnes veszi körül, és otthont ad protonok hordáinak, amelyek az alagút körül mindkét irányban kerékpároznak, amelyet a mágnesek felgyorsítanak, hogy csak féljenek a fénysebességtől. Ilyen sebességgel a protonok másodpercenként körülbelül 11 000-szer beverik az alagút körül, és amikor a mágnesek irányítják, egy szempillantás alatt millióinak ütközése jár. Az ütközések viszont tűzijáték-szerű részecskék permetezését eredményeznek, amelyeket a mamutdetektorok rögzítenek és rögzítenek.
A 10 milliárd dollárba eső és több tucat országból származó tudósok ezreit érintő LHC egyik fő motivációja a bizonyítékok keresése volt a Higgs-terület számára. A matematika megmutatta, hogy ha az ötlet helyes, ha valóban belemerülünk egy Higgsi-medence óceánjába, akkor az erőszakos részecske-ütközéseknek képesnek kell lenniük arra, hogy a mező ugráljon, ugyanis két ütköző tengeralattjáró a víz körül ugrál. És oly gyakran, hogy a becsúszásnak pontosan helyesnek kell lennie arra, hogy lepattanjon egy mezőrészről - a Higgsi-óceán apró cseppecskéjéről -, amely a régóta keresett Higgsz-részecskeként jelenik meg.
A számítások azt is kimutatták, hogy a Higgs-részecskék instabilok lennének, és más részecskékre szétesnének egy másodperc apró részében. Az összeütköző részecskék és a szemcsés törmelék hullámzó felhőin belül a nagy teljesítményű számítógépekkel felfegyverzett tudósok Higgs ujjlenyomatát keresték - egy olyan egyenetlenség által diktált bomlástermék mintáját.
2012. július 4-i kora reggeli órákban körülbelül 20 másik emberrel gyűltem össze az Aspen Fizikai Központ konferenciatermében, hogy megtekintsék a sajtótájékoztató élő közvetítését a genfi Nagy Hadron-ütköző épületében. Körülbelül hat hónappal korábban két független kutatócsoport, amelynek feladata az LHC adatok összegyűjtése és elemzése volt, egyértelmű jele volt, hogy a Higgs-részecskét megtalálják. A fizika közösség körüli körüli repülés szerint a csapatoknak végül elegendő bizonyítékuk volt a végleges állítás megfogalmazására. Együtt azzal a ténnyel, hogy maga Higgset is felkérték Genfbe az utazásra, elegendő motiváció volt arra, hogy 3 óra után felkeljünk, hogy élőben halljuk a bejelentést.
És amint a világ gyorsan megtanult, a Higgs-részecske kimutatásának bizonyítéka elég erős volt ahhoz, hogy átlépje a felfedezés küszöbét. A Higgs részecskéjét hivatalosan megtalálva a genfi közönség vad tapsot kapott, akárcsak Aspen kis csoportja, és kétségtelenül több tucat hasonló összejövetel szerte a világon. Peter Higgs letörölte a könnyét.
Az elmúlt egy évre visszamenőleg, és további adatokkal, amelyek csak a Higgok helyzetének erősítését szolgálták, itt foglalhatom össze a felfedezés legfontosabb következményeit.
Először is régóta tudjuk, hogy láthatatlan lakosok vannak az űrben. Rádió és televízió hullámai. A Föld mágneses tere. Gravitációs mezők. De ezek egyike sem állandó. Egyik sem változik. Egyetlen sem létezik egyenletesen az egész világegyetemben. Ebben a tekintetben a Higgs-terület alapvetően különbözik. Hisszük, hogy annak értéke ugyanaz a Földön, mint a Szaturnusz közelében, az Orion ködében, az Andromeda galaxis egészében és mindenhol másutt. Amennyire meg tudjuk mondani, a Higgs-mező kitörölhetetlenül le van nyomva a térbeli szövetre.
Másodszor, a Higgs-részecske az anyag új formáját képviseli, amelyet évtizedek óta széles körben vártak, de soha nem láttak. A 20. század elején a fizikusok rájöttek, hogy a részecskék tömegükön és elektromos töltésen kívül egy harmadik meghatározó tulajdonsággal is rendelkeznek: forgásukkal. De a gyermek tetejével ellentétben a részecske centrifugálása lényeges tulajdonság, amely nem változik; az idő múlásával nem gyorsul fel és nem lassul le. Az elektronok és kvarkok mindkét centrifugálási értéke azonos, míg a fotonok - a fény részecskéinek - spinje kétszerese az elektronok és kvarkok spinértékének. A Higgsz-részecskét leíró egyenletek azt mutatták, hogy - más alapvető részecskefajokkal ellentétben - egyáltalán nem lehet centrifugálva. A Large Hadron Collider adatai ezt megerősítették.
Az anyag új formájának megállapítása ritka eredmény, de az eredmény egy másik területen rezonancia: a kozmológia, az a tudományos tanulmány, hogy az egész világegyetem miként kezdődött és alakult ki olyan formába, amiben most tanúi vagyunk. A Big Bang elméletét tanulmányozó kozmológusok évek óta nem voltak hajlandóak. Összeállították egy robusztus leírást arról, hogyan fejlődött az univerzum egy pillanatnyi másodpercről a kezdetek után, de nem tudtak betekintést adni arról, hogy mi indította el a teret, hogy elinduljon. Milyen erő hathatott volna ilyen erős kifelé? A siker szempontjából a Big Bang elmélete kihagyta a robbant.
Az 1980-as években egy lehetséges megoldást fedeztek fel, amely hangos Higgusi harangot csenget. Ha egy térrégiót egyenletesen elegendő egy olyan mezővel, amelynek részecskéinek alkotóelemei rozsdamentesek, akkor Einstein gravitációs elmélete (az általános relativitáselmélet) rámutat arra, hogy erős visszatükröző erő generálható - egy bumm, és egy ilyenkor egy nagy. A számítások azt mutatták, hogy ezt a gondolatot nehéz volt megvalósítani magának a Higgs-mezőnek a segítségével; a részecske-tömeg biztosítása és a robbantás kettős kötelessége jelentős terhet jelent. Az éleslátó tudósok rájöttek, hogy egy második „Higgs-szerű” mező elhelyezésével (ugyanolyan eltűnő centrifugával, de eltérő tömeggel és kölcsönhatásokkal) megoszthatják a terhet - az egyik mező a tömeg, a másik a visszataszító nyomáshoz, és felajánlanak egy a bang kényszerítő magyarázata. Emiatt az elméleti fizikusok több mint 30 éve erőteljesen kutatják a kozmológiai elméleteket, amelyekben az ilyen Higgs-szerű mezők alapvető szerepet játszanak. Több ezer folyóiratcikk írta ezeket az ötleteket, és milliárd dollárt költöttek a mély űrmegfigyelésekhez közvetett bizonyítékok keresésére és felkutatására, hogy ezek az elméletek pontosan leírják világegyetemünket. Az LHC megerősítése, miszerint legalább egy ilyen mező ténylegesen létezik, tehát a kozmológiai elmélet generációját egy sokkal keményebb alapra helyezi.
Végül, és talán a legfontosabb, hogy a Higgs-részecske felfedezése a matematika azon képességének meghökkentő győzelme, amely felfedi az univerzum működését. Ez egy olyan történet, amelyet a fizikában sokszor újra felvettek, de minden új példa ugyanolyan izgalommal jár. A fekete lyukak lehetősége a német fizikus, Karl Schwarzchild matematikai elemzéséből fakad; a későbbi megfigyelések bebizonyították, hogy a fekete lyukak valósak. A Big Bang kozmológia Alexander Friedmann és Georges Lemaître matematikai elemzéséből fakad; a későbbi megfigyelések ezt a betekintést is helyesnek bizonyították. Az antitestek fogalma először Paul Dirac kvantumfizikus matematikai elemzéseiből merült fel; a későbbi kísérletek azt mutatták, hogy ez az ötlet is helytálló. Ezek a példák érezzék, mit értett a nagy matematikai fizikus, Eugene Wigner, amikor „a matematika ésszerűtlen hatékonyságáról a fizikai univerzum leírásakor” kifejezésről beszélt. A Higgs mező a matematikai tanulmányokból derült ki, amelyek olyan mechanizmust kerestek, amely a részecskék tömegének biztosítására szolgál. És a matematika ismét repülõ színekkel ment át.
Én magam elméleti fizikusként az egyik közül sokan arra törekedtem, hogy megtalálja azt, amit Einstein az „egységes elméletnek” nevez - a természet minden erője és az anyag mélyen rejtett kapcsolataira, amelyről Einstein álmodott, jóval azután, hogy a fizikára rákapaszkodott az iránytű titokzatos működése révén. —A Higg felfedezése különösen örömteli. Munkánkat a matematika hajtja, és eddig nem vett részt a kísérleti adatokkal. Idegesen várjuk 2015-et, amikor egy továbbfejlesztett és még erőteljesebb LHC-t újra bekapcsolunk, mivel harc esélye van arra, hogy az új adatok bizonyítékot szolgáltatnak arra, hogy elméleteink a helyes irányba haladnak. A legfontosabb mérföldkövek között szerepel egy eddig láthatatlan részecskék (úgynevezett „szuperszimmetrikus” részecskék) osztályának felfedezése, amelyet egyenleteink előre jeleznek, vagy utalások a térbeli méretek vad lehetőségére, amelyek meghaladják a hármat, amelyet mindannyian tapasztalunk. Még izgalmasabb lenne valami teljesen váratlan felfedezése, amely mindannyian visszaszorítanánk a táblára.
Sokan 30 évig próbálták méretezni ezeket a matematikai hegyeket, mások még hosszabb ideig. Időnként úgy éreztük, hogy az egységes elmélet éppen az ujjunk végén van, máskor igazán sötétben kóborolunk. Nagyon nagy lendületet generációnk számára, hogy szemtanúja legyen a Higgs megerősítésének, hogy szemtanúja lehessen annak, hogy négy évtizeddel ezelőtt matematikai felismerések merültek fel az LHC detektorokban. Emlékeztet bennünket arra, hogy szívünkbe vesszük a Nobel-díjas Steven Weinberg szavait: „A hibánk nem az, hogy az elméleteinket túl komolyan vesszük, hanem nem vesszük őket elég komolyan. Mindig nehéz felismerni, hogy ezeknek a számoknak és egyenleteknek, amelyekkel az asztalunknál játszik, valami köze van a való világhoz. ”Ezeknek a számoknak és egyenleteknek néha furcsa, szinte félelmetes képességük van a valóság egyéb sötét sarkainak megvilágítására. Amikor megteszik, sokkal közelebb kerülünk ahhoz, hogy megragadjuk helyünket a kozmoszban.
