Dve mase dva Higgsova bozona

 

Objavljujući rezultate vezane uz Higgsov bozon naučnici CERN-a  (ATLAS-a i LHC ) nisu odmah  izneli najintrigantnije podatke. Naime podaci o Higgsovom bozonu su pokazali da izgleda da se Higgs urušava u dva fotona mnogo češće nego što bi trebao.

izgled bozona

Bozon, masa, polje

Standardni model objašnjava materiju kakvu poznajemo, četiri odsto vidljivog univerzuma.
Ostatak su tamna materija i tamna energija. Higsov bozon je “ubačen”  jer , iako standardni model funkcioniše sasvim dobro, on nije kompletna teorija o vidljivojmateriji, ne objašnjava otkud česticama masa i gravitacija.  Istraživanjem mase elementarnih čestica pokušava se rešiti  Higgsovim bozonom. Stoga je pronalazak Higgsova bozona tako važan: on upotpunjava  standardni model elementarnih čestica i njihovih interakcija spoznajom odakle česticama masa.
_________________________________________________________________________
GRAVITACIJA ; Pojašnjenje

U Standardnom modelu foton je jedan od četiri bozona koji ostvaraju slabu interakciju. Ostala tri (W⁺, W⁻ i Z⁰) nazivaju se vektorskim bozonima i odgovorni su samo za slabu interakciju. Objedinjenje fotona sa W i Z bozonima u slaboj interakciji ostvarili su Šeldon Li Glešo, Abdus Salam i Stiven Vajnberg, za šta su dobili Nobelovu nagradu za fiziku 1979. godine
________________________________________________________________________

MASA


Masa je mera koliko nečaga ima – čestice, molekula ili na primer, stola. Kada ne bi bilo mase, sve čestice koje čine atome, pa i stolovi, leteli bi unaokolo brzinom svetlosti, a Univerzum kakav poznajemo ne bi mogao da ima konzistentnu materiju. (S tim u vezi  Stiven Hoking je u pregovoru  knjige  “Starmus" naveo da bi na veoma visokom energetskom nivou, Higsov bozon mogao da prouzrokuje iznenadni kolaps prostora i vremena, bez znakova koji bi najavili katastrofu.)

 Higsov mehanizam podrazumeva da postoji polje koje omogućava česticama da steknu masu.
Higgsov bozon dobija masu interakcijom sa svojim poljem( "Higgsov bozon je nakupina Higgsovog polja – posledica interakcije Higgsovog polja samog sa sobom, posledica interakcije neke čestice sa tim poljem je masa, a polje se, prema toj teoriji, nalazi svuda oko nas" –  Puljak  ).  Po sličnoj analogiji za sve čestice u prirodi postoji i polje, npr. postoji polje elektrona, a kvant tog polja zove se elektron. Isto vredi i za sve ostale čestice: osnovni elementi prirode su polja, a čestice su samo kvanti polja – zato standardni model i jest kvantna teorija polja.

Kao što foton posreduje u interakciji magnetnog polja i predstavlja njegovo pobuđivanje, Higsova čestica posreduje u interakciji čestica i Higsovog polja i predstavlja njegovo pobuđivanje. Neke čestice imaju slabiju interakciju i tako stiču manju masu, dok druge čestice imaju jaču interakciju, a to znači i veću masu.
Higsova čestica pojavljuje se kada se polje pobudi. Detektovani bozon zapravo dokazuje  postojanje Higsovog polja.
Pretpostavka je da pri velikom prasku čestice još nisu imale masu pa su se unaokolo kretale brzinom svetlosti kao što se danas još uvek kreće čestica svetlosti foton. No već trilijunti deo sekunde nakon velikog praska u kojem je stvoren svemir pojavilo se ovo polje. Ono je "ispunilo" sve delove svemira uključujući vakuum i raslo je zajedno s njim. Jedino je foton  ostao bez mase čak i nakon što se Higgsovo polje uključilo. Na njega Higgsovo polje nije delovalo pa je nastavio juriti brzinom svetlosti kao da ono ne postoji.


Još je jedan važan apsekt mase, to je gravitacija. Suštinskog razumevanje prirode nema bez prodora u svet gravitacije. Između ostalog, masa jeste gravitacioni fenomen. A kada se govori o masi u fizici elementarnih čestica, govori se tako kao da ona nema veze sa gravitacijom. To jeste gravitaciona strana razumevanje prirode. I bilo koje drugo pitanje koje uključuje pitanje mase oslanja se na razumevanje gravitacije u mikrosvetu. Između ostalog, i Higsove čestice koje daju masu ostalim česticama, utiču na njihova gravitaciona svojstva.

 U CERNU se tražilo  područje mase oko koga se grupira događaj da dva fotona u sudaru odlete na suprotne strane te područje mase oko kojega se grupira događaj da četiri fotona odlete.

 Događaj pokazuje svojstva koja se očekuju iz raspada Higgsova bozona u par fotona (isprekidane žute linije i zeleni tornjevi),

Događaj pokazuje svojstva koja se očekuju iz raspada Higgsova bozona u par Z bozona, koji se zatim raspadaju u parove elektrona (zelene linije i zeleni tornjevi) i par miona (crvene linije),


dvofotonski rezultati

Sve čestice, osim elekrona i protona (i neutrina) se raspadaju pre ili kasnije. Higgsov bozon je nestabilna čestica, koja se, praktički čim nastane, raspadne u druge čestice (koje se, da ponovimo, same često opet raspadnu na neke druge čestice). Higgsov bozon praktično postoji samo 10^(-24) sekunda.
S obzirom na to da je, pojednostavljeno rečeno, Higgsov bozon odgovoran za masu svih elementarnih čestica, on se raspada na sve moguće čestice.
Mera kako se često raspada na koje čestice, otprilike je proporcionalna masi elementarnih čestica: što su čestice teže, Higgsov se bozon češće u njih raspada. U jeziku elementarnih čestica pojedini modovi raspada Higgsova bozona nazivaju se »kanali raspada«.


Raspad čestice koji je detejtovan u CERN-u odvijao  se na dva različita načina;  jedan kanal proizvodio je dva karakteristična fotona (  znalo se  da, ako Higgs postoji, on se mora raspasti u dva fotona) , dok je drugi stvarao četiri čestice znane kao leptoni. Ova dva različita puta dala su naučnicima drugačije vrednosti za masu bozona.
Kanal s dva fotona očitavao je masu od 126.6 gigaelektronvolti (GeV), tj. masu 126 puta veću od mase protona. Drugi kanal, s četiri leptona, pokazao je masu od 123,5 GeV. To je mala nepodudarnost (3 GeV)  koja je ipak vrlo čudna, jer bi Higgsov bozon trebao imati jednu prepoznatljivu masu. ( Masa novog bozona smatra se 125.7 ± 0.4 GeV).


ATLAS-ovi naučnici proveli su izvesno vreme u pokušajima otkrivanja greške pri analizi podataka, ali uz mali uspeh.  Anomalija je ostala. Bozon se i dalje urušava u dva fotona skoro dvostruko češće nego što bi trebao.


_____________________________

RASPAD NA FOTONE

Higs se u principu ne raspada na čestice bez mase, a raspad na dva fotona( čestice bez mase)  dešava se preko drugih čestica.  Higs se najčešće raspadne na dva virtuelna (virtuelni znači da nema masu) W bozona, između njih se formira jos jedan W bozon, i pritom se emituju dva fotona.

Fotoni se lako detektuju u detektoru, nema tragova, ali ostane energija u kalorimetru ( apsorbuju fotone i generišu slab električni signal). Kad se Higs određene mase, recimo 125 GeV raspadne na dva fotona (ili bilo koje druge dve čestice) detektori mere njihovu ukupnu energiju koja je masa čestice majke, u ovom slučaju Higs bozon

RASPAD NA Z BOZONE

Higsova čestica može da se raspadne na dva Z bozonA od kojih se svaki može raspasti na elektron i antielektron ili dva miona. Unutrašnji “trekeri” i kalorimetri mere i zaustavljaju elektrone, dok mioni prolaze ostavljajući odgovarajuće tragove. Jako magnetno polje savija putanju elektrona i miona i na taj način omogućavaju precizna merenja njihove energije a time i mase Higsove česticEe.

RASPAD NA W BOZONE
Higsova čestica raspada se i na dva W vozona, od kojih se svaki može raspasti na elektron i antielektron ili mion, plus neutrino ili antineutrino. Neutrine je gotovo nemoguće detektovati, pošto proleću kroz detektore kao da ovi ne postoje odnoseći deo energije. Istraživači njihovo postojanje utvrđuju na osnovu energije koja nedostaje, ali ova energija sprečava tačno određivanje mase Higsove čestice.
_______________________________

Iako određene ekstenzije standardnog modela čestične fizike postuliraju postojanje nekoliko Higgsovih bozona, niti jedan ne predviđa da bi dve čestice mogle imati tako sličnu masu. Također niti jedan ne predviđa zbog čega bi se jedan pretežno urušavao u dve Z čestice (123,5 GeV proizlazi iz urušavanja Higgsa u Z česticu) dok bi se drugi urušavao u fotone.


Nekoliko blogova o fizici istaknulo je, kao objašnjenje, da postoje dva Higgsova bozona sa sličnim masama, što bi bio vrlo bizaran i neočekivan rezultat. Čestični fizičar Adam Falkowski piše da rezultati „najverovatnije signaliziraju sistemski problem, a ne zanimljivu fiziku“ (pod „sistemskim problemom“ on podrazumeva nešto poput loše kalibriranog detektora).


Ovaj mali raskorak za sada ne upućuje na fiziku izvan standardnoga modela, okvira koji objašnjava interakcije svih poznatih čestica i sila. Svi izmereni parametri nove čestice, u ATLAS i CMS kolaboraciji, u skladu su s očekivanjima za Higgsov bozon standardnog modela. Stoga je zaključeno da je  verovatno reč o dugo traženom Higgsovu bozonu. Upravo je zbog tog zaključka 2013. godine fizičarima Peteru W. Higgsu i Françoisu Englertu dodeljena Nobelova nagrada za fiziku.