PARTICULA LUI DUMNEZEU... SAU BOSONUL HIGGS

Când a apărut modelul bosonului Higgs?

La începutul anilor ’60, fizica particulelor a făcut un progres imens printr-o aprofundare a cunoştinţelor despre natura Universului, realizând unificarea teoretică a forţei electromagnetice şi a forţei slabe. În ciuda faptului că este un model extrem de exact în unele cazuri, formularea modelului de unificare a întâmpinat la început serioase probleme experimentale şi matematice. Formularea iniţială presupunea că toate particulele sunt lipsite de masă, lucru care generează ulterior alte probleme. Era nevoie de un mijloc nou de a introduce masa particulelor în model. Prof. Peter W. Higgs a propus în 1966 o soluţie care dezvoltată ulterior, sugerează că în primele momente ale universului, toate particulele erau lipsite de masă.

 De ce este acest model atât de important/interesant?

La scurt timp după naşterea Universului prin Big-Bang, datorită expansiunii, temepratura a scăzut sub o anumită valoare critică, moment în care un nou tip de câmp şi-a făcut apariţia în întregul Univers. Comparaţi acest câmp cu un câmp magnetic din jurul unui magnet: fiecare punct din spaţiu are o proprietate, o forţă magnetică măsurabilă şi o direcţie a forţei. Acest câmp care ar fi apărut la câteva momente după Big-Bang a fost numit câmp Higgs. Unele particule se cupleză cu câmpul Higgs şi proprietatea pe care o dobândesc este masa. Particulele nu sunt considerate sfere solide, ci mai degrabă nişte unde pe suprafaţă unui lac. Deşi undele pe suprafaţa unui lac nu mută apa dintr-o parte în alta a lacului, ele transportă totuşi destulă înformaţie: energie, impuls, amplitudine, lungime de undă, etc. Pentru particule, masa este doar una dintr-un număr mai mare de proprietăţi care se obţin prin interacţiunea cu omniprezentul câmp Higgs. Unele particule interacţionează cu acest câmp (format sub o temperatură critică), altele nu. Faptul că masa este “dată” particulelor printr-un mecanism extern rezolvă problemele care apar în teoria modelului discutat anterior. Poate părea ciudat că acest câmp apare brusc sub o anumită temperatură, însă acest tip de fenomene pot fi întâlnite frecvent în jurul nostru. De exemplu, un feromagnet încălzit până la o anumită temperatură mai ridicată decât temperatura Curie specifică, îşi pierde magnetizarea. Răcindu-l sub această temperatură, feromagnetul va forma din nou un câmp magnetic cu o anumită orientare. Acest fenomen se numeşte „rupere spontană de simetrie”. După cum se ştie, interacţiunea dintre particule este mediată de un anumit tip de particule. În acelaşi fel, câmpul Higgs are mediatorul său, bosonul Higgs.

  A fost detectat bosonul Higgs?

Ceea ce este fascinant este faptul că teoria descrisă mai sus, împreună cu explica’ia mecanismul Higgs este una de succes. A fost testată în experimente dintre cele mai variate în ultimii 30 de ani şi descrie realitatea cu o precizie foarte bună. Cu toate acestea, până în prezent, nu a fost detectat bosonul Higgs. De aceea, detectarea, şi implicit confirmarea lui, reprezintă unul din cele mai fierbinţi subiecte ale fizicii contemporane. Cum am putea explica altfel succesul teoriei electroslabe?

 Ce masă are bosonul Higgs?

Una din probleme este că nu putem estima masa bosonului Higgs. Asta înseamnă că suntem obligaţi să scanăm întregul segment de mase în care se speră că se încadrează masa bosonului Higgs. Până în prezent putem afirma cu certitudine că bosonul Higgs este mai greu decât 120 de mase protonice. Cu noul accelerator care se construieşte la CERN (Large Hadron Collider – LHC), ar trebui să fie posibilă acoperirea întregului spectru de mase necesar. Pe de altă parte, dacă osonul Higgs nu va fi găsit, cu siguranţă că la energii atât de înalte vor fi descoperite fenomene interesante.

De ce particulele trebuie să aibe masă şi care este mecanismul de atribuire a masei?

Această întrebare este interesantă dintr-un număr mai mare de motive: în primul rând, există particule cu masa zero. Aşa că vrem să înţelegem de ce unele particule au masă şi altele nu. Rolul bosonului Higgs este acela de a atribui masă particulelor elementare. Că anumite partiule au masă, este un lucru observat experimental. Pentru a încerca să se înţeleagă acest mecanism, s-a inventat aşa-numitul „mecanism Higgs”. Acest mecanism intruduce o nouă particulă, bosonul Higgs, unde cuvântul „boson” indică faptul că spinul intrinsec al particulei este număr întreg, în cazul de faţă zero, motiv pentru are bosonul Higgs se mai numeşte şi „scalarul Higgs”. Această particulă interacţionează cu toate particulele care trebuie să aibe masă. Interacţia este de aşa natură încât particulele se comportă ca şi cum ar avea masă. Vă puteţi imagina câmpul Higgs ca o substanţă care „impregnează” Universul (vom numi acest lucru „câmp”). Când o particulă se mişcă prin acesct câmp, va interacţiona cu el. Această interacţiune va cauza o întârziere în mişcarea particulei, ca şi cum s-ar deplasa printr-un mediu vâscos. Nu este chiar frecare, deoarece prin frecare se pierde energie, iar în cazul mecanimsului Higgs nu se pierde energie, dar se introduce o proprietate numită „inerţie” adică rezistenţă la deplasare. Aşadar, chiar dacă particula nu are iniţial masă, interacţia cu câmpul Higgs o face să se somporte ca şi cum ar avea (aşa se explică, de exemplu, şi problema bosonului W al interacţiei slab descrisă anterior).

Cum va fi detectat bosonul Higgs?

Nu se poate determina direct prezenţa câmpului Higgs din moment ce este distribuit uniform în Univers. Putem postula că acesta există pentru că particulele au masă. Dar dorim mai mult, dorim o confirmare directă a faptului că acest câmp există. Dorim să putem „vedea” şi „atinge” acest câmp. Acest lucru poate fi realizat concentrând suficientă energie într-un punct din spaţiu, energie care va perturba câmpul Higgs continuu şi va genera unde (aşa cum o piatră aruncată într-un lac va creea unde, perturbând forma plată iniţială). Aceste unde pot fi detectate şi astfel existanţa bosonului Higgs va fi confirmată. Undele sunt asociate cu particula Higgs şi din moment ce aceasta va interacţiona şi ea, la rândul ei, cu câmpul Higgs, va primi masă. Pentru a produce bosoni Higgs, energia care trebuie concentrată trebuie să fie cel puţin egală cu masa bosonului Higgs. Acest număr este destul de mare, motiv pentru care nu am văzut până în prezent un boson Higgs.

Continuând analogia cu lacul, dacă am trăi într-o lume acvatică infinită, nu am realiza că ne înconjoară un mediu apos. Am putea la fel de bine să considerăm ca ne aflăm în vid, singura diferenţă fiind că atunci când încercăm să ne mişcăm vom întâmpina o rezistenţă (pe care o vom numi inerţie). Dacă vom face o mişcare bruscă, cu o energie suficient de mare, vom putea genera unde subacvatice care se vor deplasa şi care vor putea fi detectate de un observator subacvatic, acesta putând înregistra presiunea exercitată de unde. În cazul bosonulu Higgs, noi nu vom simţi nici o presiune, dar vom detecta rezultatul descompunerii bosonului Higgs creat.

Cum se manifestă bosonul Higgs într-o coliziune de particule?

Nu va trăi foarte mult şi se va descompune în fotoni (energie) şi alte particle care vor avea energia însumată egală cu energia bosonului Higgs. Se va observa un jet de particule care vor ţâşnesc dintr-un punct, din locul de unde Higgs se va descompune. Modul de descompunere va fi specific, el reprezentând o amprentă a particulei, putând fi astfel recunoscut. Masa bosonului Higgs este de ordinul GeV (gigaelectronvolţi) iar durata de viaţă de aproximativ 10-22 secunde.