Higgsin bosoni
Higgsin bosoni (tai Higgsin hiukkanen) on fysiikan standardimallin hiukkanen. Peter Higgs ehdotti ensimmäisenä 1960-luvulla, että tämä hiukkanen voisi olla olemassa. CERNin tutkijat vahvistivat 14. maaliskuuta 2013 alustavasti löytäneensä Higgsin hiukkasen.
Higgsin hiukkanen on yksi 17 hiukkasesta Standardimallissa, joka on fysiikan malli, joka kuvaa kaikkia tunnettuja perushiukkasia. Higgsin hiukkanen on bosoni. Bosonien ajatellaan olevan hiukkasia, jotka ovat vastuussa kaikista fysikaalisista voimista. Muita tunnettuja bosoneja ovat fotoni, W- ja Z-bosoni sekä gluoni. Tutkijat eivät vielä tiedä, miten painovoima voidaan yhdistää standardimalliin.
Higgsin kenttä on hiukkasfysiikan teorian kannalta ratkaisevan tärkeä peruskenttä. Toisin kuin muut tunnetut kentät, kuten sähkömagneettinen kenttä, Higgsin kenttä saa lähes kaikkialla saman nollasta poikkeavan arvon. Kysymys Higgsin kentän olemassaolosta oli hiukkasfysiikan standardimallin viimeinen vahvistamaton osa ja joidenkin mukaan "hiukkasfysiikan keskeinen ongelma".
Higgsin bosonia on vaikea havaita. Higgsin bosoni on hyvin massiivinen muihin hiukkasiin verrattuna, joten se ei kestä kovin kauan. Higgsin bosoneja ei yleensä ole, koska niiden tuottaminen vaatii niin paljon energiaa. CERNin suuri hadronitörmäytin rakennettiin pääasiassa tästä syystä. Se kiihdyttää kaksi hiukkasjoukkoa lähes valonnopeuteen (jotka kulkevat vastakkaisiin suuntiin), minkä jälkeen ne lähtevät törmäyskurssille toisiinsa.
Jokainen törmäys synnyttää uusia hiukkasia, jotka havaitaan törmäyspaikan ympärillä olevilla ilmaisimilla. Higgsin bosonin syntymisen ja havaitsemisen mahdollisuus on edelleen hyvin pieni, yksi 10 miljardista. Löytääkseen ne harvat törmäykset, joissa on todisteita Higgsin bosonista, LHC:ssä törmäytetään yhteen triljoonia hiukkasia, ja supertietokoneet seulovat valtavan tietomäärän läpi.
Higgsin bosonit noudattavat energian säilymislakia, jonka mukaan energiaa ei synny eikä tuhoudu, vaan se voi siirtyä tai muuttaa muotoaan. Ensin energia alkaa Higgsin kentän kanssa vuorovaikutuksessa olevasta mittabosonista. Tämä energia on liike-energian muodossa liikkeenä. Kun mittabosoni on vuorovaikutuksessa Higgsin kentän kanssa, se hidastuu. Tämä hidastuminen vähentää liike-energian määrää mittaposonissa. Tämä energia ei kuitenkaan tuhoudu. Sen sijaan liikkeestä peräisin oleva energia menee kenttään ja muuttuu massaenergiaksi, joka on massaan varastoitunutta energiaa. Syntyneestä massasta voi tulla se, mitä kutsumme Higgsin bosoniksi. Syntyvän massan määrä tulee Einsteinin kuuluisasta yhtälöstä E=mc2, jonka mukaan massa vastaa suurta energiamäärää (esimerkiksi 1 kg massaa vastaa lähes 90 kvadriljoonaa joulea energiaa - sama energiamäärä, jonka koko maailma käytti noin tunnissa ja vartissa vuonna 2008). Koska Higgsin kentän synnyttämä massaenergian määrä on yhtä suuri kuin se liike-energian määrä, jonka mittabosoni menetti hidastuessaan, energia säilyy.
Higgsin bosoneja käytetään useissa tieteiskirjallisissa tarinoissa. Fyysikko Leon Lederman kutsui sitä "jumalhiukkaseksi" vuonna 1993.
Tietokoneella luotu kuva Higgsin vuorovaikutuksesta.
Discovery
Joulukuun 12. päivänä 2011 Higgsin bosonia etsivät ryhmät ATLAS ja CMS ilmoittivat, että ne olivat vihdoin saaneet tuloksia, jotka saattoivat viitata Higgsin bosonin olemassaoloon, mutta ne eivät kuitenkaan tienneet varmasti, oliko tämä totta.
Suuren hadronitörmäyttimen ryhmät ilmoittivat 4. heinäkuuta 2012 löytäneensä hiukkasen, jonka he uskovat olevan Higgsin bosoni.
Ryhmät olivat tehneet paljon enemmän testejä ja ilmoittivat 14. maaliskuuta 2013, että he uskovat nyt, että uusi hiukkanen on Higgsin bosoni.
Kysymyksiä ja vastauksia
Kysymys: Mikä on Higgsin bosoni?
V: Higgsin bosoni on fysiikan standardimallin hiukkanen. Peter Higgs ehdotti sitä ensimmäisen kerran 1960-luvulla, ja CERNin tutkijat vahvistivat sen olemassaolon 14. maaliskuuta 2013. Se on yksi standardimallin 17 hiukkasesta, ja se on bosoni, jonka ajatellaan olevan vastuussa fysikaalisista voimista.
Kysymys: Miten Higgsin kenttä toimii?
V: Higgsin kenttä on perustavanlaatuinen kenttä, joka ottaa nollasta poikkeavan arvon lähes kaikkialla. Se oli Standardimallin viimeinen vahvistamaton osa, ja sen olemassaoloa pidettiin "hiukkasfysiikan keskeisenä ongelmana". Kun mittabosonit vuorovaikuttavat sen kanssa, ne hidastuvat ja niiden liike-energia menee massaenergian luomiseen, josta tulee se, mitä kutsumme Higgsin bosoniksi. Tämä prosessi noudattaa energian säilymislakia, jonka mukaan energiaa ei synny eikä tuhoudu, vaan se voi siirtyä tai muuttaa muotoaan.
K: Miksi Higgsin bosonia on vaikea havaita?
V: Higgsin bosonin massa on hyvin suuri verrattuna muihin hiukkasiin, joten se ei kestä kovin kauan. Niitä ei yleensä ole ympärillä, koska sen tuottaminen vaatii niin paljon energiaa. Löytääkseen ne tutkijat käyttävät supertietokoneita, jotka seulovat valtavia määriä dataa triljoonien hiukkasten törmäyksistä CERNin suuressa hadronitörmäyttimessä (LHC). Silloinkin on vain pieni mahdollisuus (yksi kymmenestä miljardista), että Higgsistä saadaan todisteita ja että se havaitaan.
K: Mitä muita tunnettuja bosoneja on olemassa?
V: Muita tunnettuja bosoneja ovat fotonit, W- ja Z-bosonit sekä gluonit.
K: Miten Einsteinin yhtälö E=mc2 liittyy massaenergian syntymiseen liike-energiasta?
V: Einsteinin kuuluisan yhtälön mukaan massa vastaa erittäin suurta energiamäärää (esimerkiksi 1 kg = 90 kvadriljoonaa joulea). Kun Higgsin kentän kanssa vuorovaikutuksessa olevien mittabosonien liike-energia hidastuu, tämä sama määrä liike-energiaa menee massaenergian luomiseen, josta tulee se, mitä kutsumme Higgsin bosoniksi - ja näin kokonaisenergia säilyy säilymislakien mukaisesti.
Kysymys: Millainen rooli tieteiskirjallisilla tarinoilla on Higgsin bosonien toiminnan ymmärtämisessä?
V: Tieteiskirjallisissa tarinoissa esiintyy usein higgsbosoneja osana juonta, mutta nämä tarinat eivät välttämättä tarjoa tarkkaa tieteellistä tietoa niiden toiminnasta - ne ovat enemmänkin viihdetarkoituksessa kuin mitään muuta!
