Higgsin kenttä
Higgsin kenttä on energiakenttä, jonka uskotaan olevan olemassa maailmankaikkeuden jokaisella alueella. Kenttään liittyy Higgsin bosoniksi kutsuttu perustavanlaatuinen hiukkanen, jota kenttä käyttää jatkuvaan vuorovaikutukseen muiden hiukkasten, kuten elektronin, kanssa. Kentän kanssa vuorovaikutuksessa oleville hiukkasille "annetaan" massaa, ja samalla tavalla kuin siirapin (tai melassin) läpi kulkeva esine muuttuu hitaammaksi kulkiessaan sen läpi. Kun hiukkanen "saa" massaa kentästä, sen kyky kulkea valonnopeudella estyy.
Higgsin kenttä ei synnytä massaa; aineen tai energian luominen tyhjästä rikkoisi säilymislakeja. Hiukkaset saavat kuitenkin massaa Higgsin kentän ja Higgsin bosonin vuorovaikutuksen kautta. Higgsin bosonit sisältävät suhteellisen massan energian muodossa, ja kun kenttä on antanut aiemmin massattoman hiukkasen, kyseinen hiukkanen hidastuu, koska siitä on nyt tullut "raskas".
Jos Higgsin kenttää ei olisi olemassa, hiukkasilla ei olisi tarvittavaa massaa toistensa puoleensa vetämiseksi, vaan ne leijuisivat vapaasti valonnopeudella. Myöskään painovoimaa ei olisi olemassa, koska massaa ei olisi vetämässä puoleensa toista massaa.
Massan antamista esineelle kutsutaan Higgsin vaikutukseksi. Tämä vaikutus siirtää massaa tai energiaa mihin tahansa hiukkaseen, joka kulkee sen läpi. Sen läpi kulkeva valo saa energiaa, ei massaa, koska sen aaltomuodolla ei ole massaa, kun taas sen hiukkasmuoto kulkee jatkuvasti valonnopeudella.
Tietokoneella luotu kuva Higgsin vuorovaikutuksesta
Higgsin vaikutus
PRL:n symmetrian rikkomisesta kirjoittaneet teoreettivat Higgs-ilmiön ensimmäisen kerran vuonna 1968. Vuonna 1964 kolme ryhmää kirjoitti tieteellisiä artikkeleita, joissa ehdotettiin toisiinsa liittyviä mutta erilaisia lähestymistapoja selittämään, miten massa voisi syntyä paikallisissa mittateorioissa.
Vuonna 2013 Higgsin bosoni ja epäsuorasti myös Higgsin vaikutus todistettiin alustavasti suurella hadronitörmäyttimellä (ja Higgsin bosoni löydettiin 4. heinäkuuta 2012). Efektin katsottiin löytäneen puuttuvan palan Standardimallista.
Standardimallin perustana olevan mittariteorian mukaan kaikkien voimaa kantavien hiukkasten pitäisi olla massattomia. Heikkoa voimaa välittävillä voimahiukkasilla on kuitenkin massaa. Tämä johtuu Higgs-ilmiöstä, joka rikkoo SU(2)-symmetrian (SU tarkoittaa erikoisyksikköistä matriisityyppiä ja 2 viittaa matriisien kokoon).
Systeemin symmetria on systeemille tehty operaatio, kuten kierto tai siirto, joka jättää systeemin pohjimmiltaan muuttumattomaksi. Symmetria antaa myös säännön siitä, miten jonkin asian pitäisi aina toimia, ellei siihen kohdistu ulkopuolista voimaa. Esimerkki on Rubikin kuutio. Jos otamme Rubikin kuution ja sekoitamme sen tekemällä mitä tahansa liikkeitä, se on silti mahdollista ratkaista. Koska jokainen tekemämme liike jättää Rubikin kuution edelleen ratkaistavaksi, voimme sanoa, että nämä liikkeet ovat Rubikin kuution "symmetrioita". Yhdessä ne muodostavat Rubikin kuution symmetriaryhmän. Yksikään näistä siirroista ei muuta palapeliä, vaan jättää sen aina ratkaistavaksi. Voimme kuitenkin rikkoa tämän symmetrian esimerkiksi purkamalla kuution ja kokoamalla sen takaisin täysin väärällä tavalla. Vaikka yrittäisimme mitä liikkeitä, kuutiota ei ole mahdollista ratkaista. Kuution hajottaminen ja sen kokoaminen takaisin väärällä tavalla on "ulkopuolinen voima": Ilman tätä ulkopuolista voimaa mikään, mitä teemme kuutiolle, ei tee siitä ratkaisematonta. Rubikin kuution symmetria on se, että se pysyy ratkaistavissa riippumatta siitä, mitä liikkeitä teemme, kunhan emme hajota kuutiota.
Higgsin bosonin luominen
Tapa, jolla SU(2)-symmetria rikkoutuu, tunnetaan nimellä "spontaani symmetrian rikkominen". Spontaani tarkoittaa satunnaista tai odottamatonta, symmetriat ovat sääntöjä, joita muutetaan, ja rikkominen viittaa siihen, että symmetriat eivät ole enää samat. SU(2)-symmetrian spontaanin rikkomisen tuloksena voi olla Higgsin bosoni.
Higgsin vaikutuksen syy
Higgs-ilmiö johtuu siitä, että luonto "pyrkii" kohti alhaisinta energiatilaa. Higgs-ilmiö tapahtuu, koska Higgsin kentän lähellä olevat mittabosonit haluavat olla alimmissa energiatiloissaan, ja tämä rikkoisi ainakin yhden symmetrian.
Oikeuttaakseen massan antamisen massattomalle hiukkaselle tutkijat joutuivat tekemään jotain tavallisuudesta poikkeavaa. He olettivat, että tyhjiössä (tyhjässä tilassa) oli energiaa, ja jos siihen tulisi hiukkanen, jota pidämme massattomana, tyhjiön energia siirtyisi hiukkaseen ja antaisi sille massan. Matemaatikko nimeltä Jeffrey Goldstone osoitti, että jos symmetriaa rikotaan (esimerkiksi Rubikin kuution symmetria on se, että kulmia on aina käännettävä 0 tai 3 kertaa, jotta ne voidaan ratkaista (se toimii)), syntyy reaktio. Rubikin kuution tapauksessa kuutiosta tulee ratkaisukelvoton, jos sitä rikotaan. Higgsin kentän tapauksessa syntyy jotain, joka on nimetty Jeffrey Goldstonen (ja hänen kanssaan työskennelleen toisen tiedemiehen nimeltä Yoichiro Nambu) mukaan, Nambu-Goldstone-bosoni. Kyseessä on tyhjiön kiihdytetty tai energinen muoto, joka voidaan piirtää yllä esitettyä paljastavalla graafilla. Tämän selitti ensimmäisenä Peter Higgs.
Niin sanottu "meksikolaisen hatun potentiaali"
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on Higgsin kenttä?
V: Higgsin kenttä on energiakenttä, jonka uskotaan olevan olemassa universumin jokaisella alueella.
K: Mikä on Higgsin kenttään liittyvä perushiukkanen?
V: Higgsin kenttään liittyvä perushiukkanen on Higgsin bosoni.
K: Mitä tapahtuu, kun hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa Higgsin kentän kanssa?
V: Higgsin kentän kanssa vuorovaikutuksessa oleville hiukkasille "annetaan" massaa ja ne muuttuvat hitaammiksi sen läpi kulkiessaan.
K: Luoko Higgsin kenttä massaa?
V: Ei, Higgsin kenttä ei tuota massaa. Hiukkaset saavat massaa vuorovaikutuksessaan Higgsin bosonin kanssa.
K: Mikä on seurausta siitä, että hiukkanen saa massaa Higgsin kentästä?
V: Kun hiukkanen saa massaa Higgsin kentästä, sen kyky matkustaa valonnopeudella estyy.
K: Mitä tapahtuisi, jos Higgsin kenttää ei olisi olemassa?
V: Jos Higgsin kenttää ei olisi olemassa, hiukkasilla ei olisi toistensa vetovoiman edellyttämää massaa, ja ne leijuisivat vapaasti valonnopeudella.
K: Mikä on Higgsin ilmiö?
V: Higgsin efekti tarkoittaa prosessia, jossa esineelle annetaan massaa ja joka tapahtuu, kun hiukkaset kulkevat Higgsin kentän läpi ja ovat vuorovaikutuksessa Higgsin bosonin kanssa.
