Fizik, Higgs bozonunda neden hala gizli?
2012 yılında 27 kilometre uzunluğundaki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda yüksek hızda çarpışan parçacıklar Higgs bozonu (Higgs bozonu) üretti. 1960'larda tahmin edilen parçacıklar nihayet bulundu. Parçacık Fiziğinin Standart Modelinde eksik olan bulmacanın son parçası apaçık ortadadır.
Bununla birlikte, o zamandan beri, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, Standart Modelin açıklayamadığı birçok kozmik gizeme neden olan başka yeni parçacıkları keşfetmedi. Fizikçiler, yeni fiziği keşfetmeye devam etmek için daha büyük bir parçacık hızlandırıcı (çevre veya 100 kilometreye kadar, muhtemelen İsviçre veya Çin'de) inşa edip etmeyeceklerini tartışıyorlar.
Fizikçiler, evrenin sırları hakkında Higgs bozonunun kendisinden daha fazla şey öğrenebileceğimizi söylüyorlar. İlk başta, Peter Higgs, evrenin kütlesinin kökenini açıklamak için bu tür parçacıkları önerdi ve sonunda 2013 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.
Higgs mekanizmasına göre, tüm evren bir tür kuantum alanı olan Higgs alanıyla doludur. Higgs parçacığı, Higgs alanındaki bir dalgalanma veya kuantum dalgalanmalarıdır. Kuantum mekaniği parçacıkları doğal alanla dolaştırdığından, Higgs alanının varlığı diğer kuantum alanlarına da nüfuz edecek ve ilgili parçacıkların kütlesini veren bu eşleşme etkisidir.
Bununla birlikte, fizikçiler şu anda her yerde bulunan Higgs alanı hakkında fazla bir şey bilmiyorlar ve erken evrendeki kritik anı anlamıyorlar - Higgs alanı birdenbire her yerden sıfıra (yani, var olmama durumuna) gitti. Geçerli tek tip değer durumuna geçin. Kuarkların, elektronların ve diğer temel parçacıkların anında kütle kazanmasının nedeni tam da bu "simetri kırılması" olayıdır, bu da onların atomları ve daha sonra evrendeki çeşitli maddeleri ve gök cisimlerini oluşturmalarına neden olur.
Öyleyse neden evren Higgs alanının her yerde var olmasına izin vermeye karar verdi? Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü'nde parçacık fizikçisi olan Michelangelo Mangano, bunun şu anda fiziğin karşı karşıya olduğu son derece büyük bir sorun olduğunu söyledi.
Evren başlangıçta eşit miktarda pozitif madde ve antimadde üretti, ancak şimdi evrende neredeyse yalnızca pozitif madde var Fizikçiler, Higgs simetri kırma olayının pozitif ve antimadde asimetrisinde rol oynayıp oynamadığını bilmek istiyorlar.
Başka bir soru, Higgs alanının mevcut değerinin sabit olup olmadığı veya aniden tekrar değişebilir mi? Bu, "vakum bozunması" adı verilen rahatsız edici bir olasılıktır ve evrenin yok olmasına neden olabilir. Higgs alanının değeri, vadinin dibine düşen bir top olarak düşünülebilir, ancak soru şu ki, bu alanın olası değerini tanımlamak için matematiksel eğride daha derin bir vadi var mı? Eğer varsa, top eninde sonunda Higgs alanının enerjisindeki düşüşe karşılık gelen daha alçak, daha istikrarlı bir vadiye tünel açacaktır. Daha kararlı bir "gerçek vakum" balonu hızla genişleyecek ve hızı yakında ışık hızına yaklaşacak, içinde yaşadığımız "sözde boşluğu" çevreleyecek ve nihayetinde her şeyi yok edecek.
Higgs alanı yalnızca evrenin kökeni ve kaderi ile ilgili değildir, aynı zamanda Higgs parçacığının davranışı, onunla etkileşime giren gizli veya bilinmeyen parçacıkları da ortaya çıkarabilir - belki de evrendeki gizemli karanlık madde parçacıklarını. Parçacık çarpıştırıcısında, parçacıklar ışık hızına yakın bir hızda çarpıştıklarında kinetik enerjileri maddeye dönüşür ve bazen Higgs bozonu gibi ağır parçacıklar üretir. Daha sonra, Higgs parçacığı hızla bir çift üst kuark veya W bozonu gibi diğer parçacıklar haline gelir ve her sonucun olasılığı, Higgs bozonu ile parçacık arasındaki bağlantının gücüne bağlıdır. Higgs parçacık bozunması olasılığını doğru bir şekilde belirleyerek ve sonucu standart modelin tahmin edilen değeriyle karşılaştırarak, eksik bir şey olup olmadığını öğrenebilirsiniz, çünkü tüm olasılıkların toplamı 1 olmalıdır.
Harvard Üniversitesi'nde parçacık fizikçisi olan Melissa Franklin, Higgs parçacıklarını ne kadar çok incelersek, evrenin doğasının beklediğimiz gibi olmayabileceğini keşfetme olasılığının o kadar yüksek olduğunu söyledi. Bu, yeni fizik üretecek, yani fizik Ailenin bir dizi deney yapması gerekiyor.
Bu nedenle, planlanan yeni nesil süper çarpıştırıcının ilk aşaması, "Higgs Fabrikası" olarak adlandırılır çünkü bu makine, elektronları ve pozitronları, higgs oluşumunu en üst düzeye çıkarmak için hassas bir şekilde ayarlanmış enerji ile çarpıştıracaktır. Higgs bozonunun olasılığı ve ardından Higgs bozonunun bozunması doğru bir şekilde ölçülebilir. İkinci aşamada, bu devasa makine protonları birbirine çarparak daha kaotik ancak daha yüksek enerji çarpışmalarına neden olacak.
Büyük Hadron Çarpıştırıcısında, Higgs bozonu ile diğer Standart Model parçacıkları arasındaki bağlantının çoğu, yaklaşık% 20'lik bir doğrulukla ölçülmüştür. Ancak gelecekteki çarpıştırıcılarda, daha fazla Higgs bozonu üreterek, hata% 1'e düşürülebilir. Bu, fizikçilerin olasılıkların toplamının 1 olup olmadığını veya Higgs bozonunun zaman zaman bilinmeyen parçacıklara dönüşüp dönüşmediğini daha iyi anlamalarını sağlayacaktır. Higgs parçacığı ile birleştirilmiş yeni parçacıklar, Standart Model dışındaki diğer fiziksel teorilerde, örneğin ikiz Higgs parçacık modelinde ortaya çıkar.
Belki de fizikçilerin belirlemek istediği en önemli bağlantı, Higgs bozonu ile kendisi arasındaki etkileşimin gücü olan üç Higgs birleşimidir. Standart Model, bir Higgs bozonunun iki benliği bozabileceğini öngörür, ancak bu fenomen Büyük Hadron Çarpıştırıcısında gözlemlenmemiştir. Bu nedenle, ölçüm sonucu teorik tahminden saparsa, standart modele dahil olmayan ancak Higgs parçacığını etkileyebilecek yeni parçacıkların olduğu anlamına gelecektir.
Üç Higgs alanının eşleşmesini ölçerek, Higgs alanının farklı olası değerlerini tanımlayan matematiksel eğrinin şeklini ortaya çıkarması beklenir, bu da evrenin vakumunun kararlı olup olmadığını veya eğrinin yalnızca yerel minimumunda stabilize edilip edilemeyeceğini belirlemeye yardımcı olur. Küresel minimum yerine. Standart Modelin bu eşleşmeye ilişkin öngörüsü doğruysa, o zaman evren yarı kararlıdır ve evren trilyonlarca yıl sonra vakumla bozunmaya mahkumdur. Ancak endişelenecek bir şey yok, bu evrenimizin doğası hakkında önemli bir ipucu.
Pittsburgh Üniversitesi'nde bir parçacık fizikçisi olan Cédric Weiland, evrenin nihai kaderini ortaya çıkarabileceği için, üç Higgs parçacığının birleşiminin çalışmasının gelecekteki çarpıştırıcı deneylerinin çekirdeği olacağını söyledi. Higgs Parçacık Fabrikası ile fizikçiler ilk aşamada üç Higgs parçacık eşleşmesini% 44 doğrulukla ölçebilirler. İkinci aşamada, proton-proton çarpıştırıcısı hatayı% 5'e düşürebilir.
Fizikçilerin temel beklentisi, gelecekteki çarpıştırıcının ölçüm sonuçlarının sadece parçacık fiziğinin standart modelini doğrulayacağıdır, fiziksel evren tanımı eksik olsa da, yok edilemez görünmektedir. Bazı fizikçiler bir makineye on milyarlarca dolar yatırmak konusunda isteksizler çünkü bu zaten bildiğimiz bir dizi denkleme daha fazla ondalık kesinlik ekleyebilir.
Fizikçiler hala Büyük Hadron Çarpıştırıcısının halefinin değerini, 100 kilometre çevreye sahip bir çarpıştırıcı inşa etmenin 20 yıl ve on milyarlarca dolar alıp almayacağını tartışıyorlar. Geçmiş çarpıştırıcılarda, parçacık çarpışmaları yavaş yavaş standart modeli bir araya getirdi. Bununla birlikte, bu bulmacanın tamamlanmasıyla, gelecekteki yüksek enerjili parçacık hızlandırıcıların yeni bir şey keşfedeceğinin garantisi yok, bu da fizikçileri bir ikileme sokuyor: inşa etmek mi yapmamak mı?
