Higgsin kenttä: selitys, massan synty ja Higgsin bosoni

Higgsin kenttä selittää massan syntymän ja Higgsin bosonin roolin: miten kenttä antaa hiukkasille massan ja muokkaa maailmankaikkeuden rakennetta.

Higgsin kenttä on vallitseva 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 syntyy havaittava massa samalla periaatteella kuin esineen liikkuminen muuttuu hitaammaksi kulkiessaan siirapin (tai melassin) läpi: vuorovaikutus hidastaa liikettä verrattuna tilanteeseen, jossa vuorovaikutusta ei olisi. Kun hiukkanen "saa" massan Higgsin kentän kautta, sen sisäinen ominaisuus, jota kutsutaan lepomassaksi, ei salli sen kulkea valonnopeudella.

Miten Higgsin mekanismi toimii yksinkertaisesti

Higgsin kenttä ei luo massaa tyhjästä — aineen tai energian luominen ilman vastinetta rikkoisi tunnettuja säilymislakeja. Sen sijaan kenttä muuttaa niiden hiukkasten käyttäytymistä, jotka vuorovaikuttavat sen kanssa. Teoreettisesti tämä tapahtuu siten, että Higgsin kentällä on ei-nolla odotusarvo (vacuum expectation value) tyhjiössä; hiukkaset, joilla on niin sanotut Yukawa-kytkennät kenttään, kokevat tästä kytkennästä lepomassan. Kytkennän suuruus määrää, kuinka "raskas" hiukkanen on — suurempi kytkentä tarkoittaa suurempaa massaa.

Mitä Higgsin bosoni on?

Higgsin bosoni on kentän pienin värähtely tai kvantti — samaan tapaan kuin fotonin voi ajatella sähkömagneettisen kentän kvanttina. Se on skalaarihiukkanen (spin 0), neutraali ja mitattu massa on noin 125 GeV/c². Higgsin bosonin löysi CERNin LHC-keskuksessa ATLAS- ja CMS-kokeet vuonna 2012; sen havaitseminen vahvisti electroweak-symmetrian spontaanin rikkoutumisen käsitettä ja Higgsin kentän olemassaolon.

Mitkä hiukkaset saavat massan Higgsistä — ja mitkä eivät?

Standardimallissa W- ja Z-raakushiukkaset saavat massansa Higgsin mekanismin kautta; fotoni (valo) pysyy massattomana, koska se ei kytkeydy Higgsin kenttään. Useimmat fundamentaaliset fermionit (kuten elektronit ja kvarkit) saavat lepomassansa Yukawa-kytkennän kautta. Neutriinoiden massojen synty on vielä osin avoin kysymys: ne voivat saada pienen massan Higgsin kautta tai jonkin muun mekanismin, kuten seesaw-mekanismin, avulla.

Mitä Higgs ei selitä

• Suuren osan atomien massasta, erityisesti protonin ja neutronin massasta, aiheuttaa kvarkkien ja gluonien välinen vahva vuorovaikutus (kvarkkien liima-energia), ei suoraan Higgsin kenttä.
• Higgsin mekanismi ei selitä painovoimaa tai miksi avaruus laajenee tietyllä nopeudella — gravitaatio kuuluu yleisen suhteellisuusteorian piiriin.
• Higgs ei myöskään suoraan luo energiaa tai ainetta säilymislakkojen vastaisesti; se muokkaa olemassa olevan kentän ja hiukkasten ominaisuuksia.

Käytännön vaikutuksia ja havainnot

Higgsin bosonin havaitseminen mahdollisti tarkemmat mittaukset hiukkasten kytkennöistä kenttään ja antoi arvokasta tietoa Standardimallin toiminnasta ja sen mahdollisista rajoista. Higgsin kentän olemassaolo selittää, miksi heikot vuorovaikutukset ovat lyhyen kantaman voimakkaita (W- ja Z-bosonit ovat raskaita), kun taas sähkömagneettinen voima on kantamaton (fotoni on massaton).

Yhteenveto / keskeiset kohdat

Higgsin kenttä on kaikkialla läsnä oleva kvanttikenttä, jonka kvanttivärähdys on Higgsin bosoni. Kentän ja hiukkasten väliset kytkennät antavat lepomassan monille fundamentaalihiukkasille ilman, että massaa luodaan tyhjästä. Higgsin mekanismi on olennainen osa nykyistä hiukkasfysiikan Standardimallia, mutta se ei yksin vastaa kaikkeen massaan liittyvään, eikä se korvaa gravitaatiota tai selitä kaikkia kosmologisia ilmiöitä.

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?

K: Mikä on Higgsin kenttään liittyvä perushiukkanen?

K: Mitä tapahtuu, kun hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa Higgsin kentän kanssa?

K: Luoko Higgsin kenttä massaa?

K: Mikä on seurausta siitä, että hiukkanen saa massaa Higgsin kentästä?

K: Mitä tapahtuisi, jos Higgsin kenttää ei olisi olemassa?

K: Mikä on Higgsin ilmiö?

Hae kirjaimella