Vi kender og elsker alle Higgs-boson - som fysikernes chagrin fejlagtigt er blevet mærket i medierne som "Gud-partiklen" - en subatomisk partikel, der først blev opdaget i Large Hadron Collider (LHC) tilbage i 2012. Denne partikel er et stykke af et felt, der gennemsyrer alle rum-tid; det interagerer med mange partikler, som elektroner og kvarker, hvilket giver disse partikler masse, hvilket er ret cool.
Men de Higgs, som vi opdagede, var overraskende lette. Ifølge vores bedste skøn skulle det have været meget tungere. Dette åbner et interessant spørgsmål: Javisst, vi opdagede en Higgs-boson, men var det den eneste Higgs-boson? Flyder der flere derude og gør deres egne ting?
Selvom vi endnu ikke har nogen beviser for en tyngre Higgs, er et forskerhold baseret på LHC, verdens største atomknusere, ved at grave ind i det spørgsmål, mens vi taler. Og der er tale om, at når protoner smadres sammen inde i den ringformede collider, kan heftige Higgs og endda Higgs-partikler, der består af forskellige typer Higgs, komme ud af at gemme sig.
Hvis den tunge Higgs faktisk eksisterer, er vi nødt til at konfigurere vores forståelse af standardmodellen for partikelfysik med den nyfundne erkendelse af, at der er meget mere for Higgs, end der møder øjet. Og inden for disse komplekse interaktioner kan der være en ledetråd til alt fra massen af den spøgelsesfulde neutrinopartikel til universets endelige skæbne.
Alt om boson
Uden Higgs-bosonet går stort set hele Standardmodellen ned. Men for at tale om Higgs boson, er vi først nødt til at forstå, hvordan standardmodellen ser universet.
I vores bedste opfattelse af den subatomære verden ved hjælp af standardmodellen er det, vi betragter som partikler, faktisk ikke meget vigtigt. I stedet er der felter. Disse felter gennemsyrer og opsuger alt af tid og plads. Der er et felt for hver slags partikel. Så der er et felt for elektroner, et felt for fotoner, og så videre og så videre. Hvad du tænker på som partikler er virkelig lokale små vibrationer i deres særlige felter. Og når partikler interagerer (ved, for eksempel at hoppe af hinanden), er det virkelig vibrationerne i markerne, der holder på med en meget kompliceret dans.
Higgs boson har en speciel slags felt. Ligesom de andre felter gennemsyrer det al plads og tid, og det får også at tale og lege med alle andres felter.
Men Higgs 'felt har to meget vigtige job, der ikke kan opnås på noget andet felt.
Det første job er at tale med W- og Z-bosonerne (via deres respektive felter), transportørerne af den svage atomstyrke. Ved at tale med disse andre bosoner er Higgs i stand til at give dem masse og sørge for, at de forbliver adskilt fra fotonerne, bærere af elektromagnetisk kraft. Uden Higgs-bosonen, der kører interferens, ville alle disse luftfartsselskaber blive fusioneret sammen, og disse to styrker ville smelte sammen.
Det andet job ved Higgs-boson er at tale med andre partikler, som elektroner; gennem disse samtaler giver det dem også masse. Det hele fungerer fint, fordi vi ikke har nogen anden måde at forklare masserne af disse partikler på.
Let og tungt
Det hele blev udarbejdet i 1960'erne gennem en serie kompliceret, men med sikkerhed elegant matematik, men der er kun en lille hitch til teorien: Der er ingen reel måde at forudsige den nøjagtige masse af Higgs boson. Med andre ord, når du leder efter partiklen (som er den lille lokale vibration i det meget større felt) i en partikelcollider, ved du ikke nøjagtigt, hvad og hvor du vil finde den.
I 2012 meddelte videnskabsmænd ved LHC opdagelsen af Higgs-bosonen efter at have fundet et par af de partikler, der repræsenterer Higgs 'felt, var blevet produceret, da protoner blev smadret ind i hinanden i nær lyshastighed. Disse partikler havde en masse på 125 gigaelektronvolt (GeV), eller omtrent svarende til 125 protoner - så det er slags tungt, men ikke utroligt enormt.
Ved første øjekast lyder alt det fint. Fysikere havde ikke rigtig en fast forudsigelse for Higgs-bosonens masse, så det kunne være, hvad det ville være; vi fandt tilfældigvis massen inden for LHC's energiområde. Bryt den sprudlende ud, og lad os begynde at fejre.
Bortset fra at der er nogle tøvende, slags slags halvforudsigelser om Higgs-bosonens masse baseret på den måde, den interagerer med endnu en partikel, den øverste kvark. Disse beregninger forudsiger en talemåde, der er højere end 125 GeV. Det kunne bare være, at disse forudsigelser er forkerte, men så er vi nødt til at cirkulere tilbage til matematikken og finde ud af, hvor tingene går på højen. Eller misforholdet mellem brede forudsigelser og virkeligheden af, hvad der blev fundet inde i LHC, kan betyde, at der er mere til Higgs boson-historien.
Kæmpe Higgs
Der kunne meget godt være en hel overflod af Higgs-bosoner derude, der er for tunge til at vi kan se med vores nuværende generation af partikelkolliderere. (Masse-energien går tilbage til Einsteins berømte E = mc ^ 2-ligning, der viser, at energi er masse og masse er energi. Jo højere en partikels masse er, jo mere energi har den, og jo mere energi tager det for at skabe den heftige ting.)
Faktisk forudsiger nogle spekulative teorier, der skubber vores viden om fysik ud over standardmodellen eksistensen af disse tunge Higgs-bosoner. Den nøjagtige natur af disse yderligere Higgs-karakterer afhænger naturligvis af teorien, der spænder overalt fra blot et eller to ekstra tunge Higgs-felter til endda sammensatte strukturer lavet af flere forskellige slags Higgs-bosoner, der sidder sammen.
Teoretikere arbejder hårdt på at finde en mulig måde at teste disse teorier på, da de fleste af dem simpelthen ikke er tilgængelige for aktuelle eksperimenter. I et nyligt papir, der blev forelagt Journal of High Energy Physics, og offentliggjort online i preprint-tidsskriftet arXiv, har et team af fysikere fremmet et forslag om at søge efter eksistensen af flere Higgs-bosoner, baseret på den særegne måde, hvor partiklerne kan forfalde i lettere, lettere genkendelige partikler, såsom elektroner, neutrinoer og fotoner. Imidlertid er disse forfald ekstremt sjældne, så selvom vi i princippet kan finde dem med LHC, vil det tage mange flere år at søge for at indsamle nok data.
Når det kommer til den tunge Higgs, er vi bare nødt til at være tålmodige.
