Apa itu Higgs Boson? Kenapa Ia Dipanggil 'Allah Zarah'?

Anonim

Pada bulan Julai 2012, dunia telah diadukan dengan kekacauan yang penuh - kekacauan kemenangan dan peninggalan. Ahli fizikal akhirnya menyelesaikan misteri yang mengganggu mereka selama lebih dari 40 tahun. Ketika semua orang berjabat tangan dengan sungguh-sungguh, seorang lelaki tua menangis. Lelaki ini adalah Peter Higgs. Ramalannya tentang zarah asas baru, tambahan yang diperlukan untuk keluarga zarah-zarah asas dalam Model Standard fizik akhirnya didapati benar.

Penemuan boson Higgs sangat ditunggu-tunggu kerana ia disebut-sebut sebagai Zarah Tuhan. Tetapi mengapa ia mempunyai nama samaran yang sensasi?

Angkatan Alam

Sekiranya anda menyebut perkataan 'God Particle' semasa bercakap dengan seorang ahli fizik, jangan terkejut jika dia menjawab dengan kerutan. Untuk kecewa ahli fizik, istilah itu kini terikat dengan zarah. Kepada ahli fizik, ia adalah keterlaluan yang tidak perlu. Peter Higgs sebaliknya merujuknya sebagai "fizik" yang paling dikehendaki zarah ". Tetapi mengapa kita begitu terdesak untuk mencarinya?

Zarah asas dalam Model Standard boleh dibahagikan kepada fermions dan boson. Fermions adalah zarah yang membentuk bahan, sedangkan boson adalah zarah yang berkomunikasi kekuatan antara materi. Pada akhir 1950-an, ia telah mengesahkan bahawa perkara dan sinaran dapat menunjukkan kedua-dua perilaku zarah dan gelombang. Ini kini dipanggil duality gelombang-zarah. Akibatnya, setiap zarah dikaitkan dengan medan yang sama atau gangguan yang zarah "membawa".

Sebagai contoh, kita tahu bahawa kuasa-kuasa yang menjijikkan dan menarik antara dua magnet adalah elektromagnetik, tetapi apa yang anda tidak tahu ialah bidang ini dibawa oleh foton, analog partikelnya. Walaupun kita dapat mengesan bidang dari pergerakan magnet, yang sama tidak boleh dikatakan tentang zarah yang membawanya. Ini kerana zarah daya atau boson tidak kelihatan atau 'maya'.

Model standard menggambarkan tiga daripada empat daya asas alam semula jadi. Dalam rangka kekuatan mereka, mereka dapat disenaraikan sebagai - bidang yang kuat yang mengikat nukleus atom dan dibawa oleh gluon, medan elektromagnetik, yang paling sering dijumpai dan dibawa oleh elektron, dan medan lemah, yang menentukan beta pelepasan dan tindak balas gabungan nuklear dan dibawa oleh z dan z Z.

Zarah hipotetikal yang dipanggil graviton dipercayai membawa graviti, kekuatan keempat yang keempat, tetapi setiap percubaan untuk memasukkannya ke dalam model dan menyelesaikan teka-teki tidak berjaya. Bagi ahli fizik, ketidakupayaan untuk memasukkan semua orang dalam gambar tunggal telah menjadi sumber kekecewaan.

Bolehkah graviton menjadi boson yang membawa gelombang graviti? (Foto Kredit: Charly W. Karl / Flickr)

Quest untuk Simetri

Daya alam semula jadi. (Photo Credit: Pixabay)

Sebab mengapa daya yang lemah tidak dipenuhi dengan kekuasaan sebagai elektromagnetisme adalah, tidak seperti foton, zarah daya lemah adalah besar; mereka menjadi penat kerana mereka memeluk mereka. Pada akhir 60-an, Steven Weinberg berjaya menggabungkan kedua-dua teori dan mencipta teori elektroweak. Dia meramalkan W, dan untuk kali pertama, Z zarah, dan mengira massa mereka. 16 tahun kemudian, CERN mengesan mereka dengan jayanya dan mendapati massa mereka kira-kira 100 kali proton, yang tidak jauh dari apa yang diramalkan Weinberg pada asalnya.

Penemuan zarah daya lemah bersejarah, tetapi kerja kami belum selesai. Rangka kerja lengkap teori elektroweak hanya dapat dibangunkan jika seseorang dapat menjelaskan apa yang menyebabkan asimetri, yang menyebabkan massa partikel berkuasa.

Parti Goddamn

Cahaya adalah perkara terpantas di alam semesta kerana ia tidak beramai-ramai. (Foto Kredit: Peksel)

Untuk mengejutkan semua orang, bidang Higgs direalisasikan bukan hanya bertanggungjawab terhadap zarah zarah yang berkuatkuasa, tetapi juga perkara zarah. Walaupun mekanisme yang mengganggu lapangan Higgs akan berbeza, implikasinya adalah tanpa padang Higgs, tidak akan ada massa, dan tanpa massa, proton tidak akan menentang gerakan, menghentikan, berkumpul dan membina perkara, tetapi digerakkan melalui ruang pada kelajuan cahaya. Tanpa itu, kita tidak akan wujud. Jadi, ya, penemuannya agak penting.

Walau bagaimanapun, tanpa bukti, satu teori hanyalah spekulasi. Boson Higgs sangat sukar difahami; mengesan medan Higgs memerlukan tenaga yang jauh lebih tinggi daripada yang boleh dipercepatkan oleh pemecut. Tambahan pula, tenaga yang lebih besar datang pada risiko dan kos yang lebih besar. Tidak ada jaminan bahawa pemecut yang lebih besar akan mengesannya. Bagaimana jika semua usaha, perbelanjaan yang terlalu tinggi dan masa yang tidak dapat ditarik balik menjadi tidak berfaedah?

Dua puluh tahun lamanya berlalu, dan ahli fizik masih dalam kegelapan. Pada tahun 1993, ahli fizik Amerika, Leon Lederman dan Dick Teresi menulis Semula Tuhan: Jika Semesta adalah Jawapan, Apakah Masalahnya? Hebatnya, tajuk asal itu sepatutnya menjadi Zarah Goddman yang mencerminkan kekecewaan ahli fizik yang tidak dapat menemuinya selama hampir dua dekad. Bagaimanapun, penerbit tidak bersetuju, dan para penulisnya memecahkannya kepada "Tuhan". Keputusan? Nama itu terperangkap! Ia terjebak seperti parasit, dan seperti parasit yang teliti, nampaknya ia tidak akan meninggalkan waktu dekat.

Lingkaran LHC adalah raksasa 16.6 batu, menjadikannya pemecut zarah paling energik yang pernah dibina. (Foto Kredit: apod.nasa.gov)

Salah tafsiran salah tafsir, dan konspirasi berlaku. Apabila perkembangan Collier Hadron Besar (LHC) bermula pada tahun 2005, konspirasi membingungkan telah membuat pusingan. Beberapa orang percaya bahawa ahli fizik telah membuka portal ke neraka!

Fizik menemui zarah-zarah asas yang baru dan lebih kecil dengan memeriksa serpihan yang tersebar dalam perlanggaran zarah berkecepatan tinggi. Ini sama dengan mengkaji ruang dalaman televisyen dengan memeriksa puing-puing di tanah setelah dibuang dari atas bangunan. Pada tahun 2012, LHC - manusia pemecut zarah yang paling berkuasa pernah dibina - proton bertembung pada hampir kelajuan cahaya dan akhirnya menemui bos Higgs yang lama yang bersembunyi secara sembunyi dalam viskera mereka.

Simulasi komputer serpihan dari mana boson Higgs ditemui.

Penemuan bidang Higgs hanyalah permulaan. Kami membuat spekulasi bahawa banyak "versi" bidang akhirnya akan membina bukan sahaja simetri, tetapi apa yang dipanggil supersymmetry - model standard lanjutan yang diharapkan akan mengisi jurang yang kekal. Ini juga termasuk apa sahaja yang menjadi perkara gelap, bidang yang pada masa ini nampaknya lebih sukar difahami daripada medan Higgs.

Tuhan Zarah atau tidak, penemuan ini adalah sesuatu yang baru, mungkin salah satu yang paling dalam sejarah pendek kita. Nenek moyang kita berangkat dengan tongkat, tetapi yang paling penting ialah rasa ingin tahu, mengikuti kerikil basah, mengesan pantulan kepada rivulet, memanjat jurang sebelum jurang dan mengesan rivulet ke kolam, yang kini telah kita teliti ke Four Streams. Pada masa ini, kami mempunyai alat-alat palsu yang, seperti yang dikatakan Arthur Clarke, "tidak dapat dibezakan dari sihir". Tidak lama lagi, kami akan mengesan aliran ke Sungai, membetulkan tongkat kami di tanah bersebelahan dengannya dan memikirkan haji epik kami. Kemudian kita boleh berhenti bertanya-tanya "bagaimana" dan mula merenung "kenapa".