Vad är en Higgs boson?

Higgsbosonen är en massiv skalär boson vars existens är nödvändigt för vår nuvarande fungerande modell av grundläggande partiklar och interaktioner, kallas standardmodellen, för att vara korrekt.

Låt oss steg tillbaka en minut och definiera vissa termer så att du kan få en bättre förståelse av vad ovan faktiskt betyder och innebär.

Först och främst är Higgs en boson. Det innebär att dess inneboende egenskap, som fysiker har så förvillande heter spinn, är ett heltalsvärde; dvs 0, 1, 2, etc. Specifikt, är Higgs en skalär boson, vilket innebär att dess inneboende spin är 0. Big deal, rätt? Ja, ja. Bosoner, på grund av sina inneboende heltal snurrar, slipper lyda Pauli uteslutandeprincipen; dvs flera bosoner kan uppta samma exakta utrymme avkräva samtidigt. Detta motsätter sig fermioner, som har halv-heltal spins: 1/2, -1/2, 3/2, -3/2, etc. Fermioner, till exempel elektroner och kvarkar, kan inte uppta samma exakta utrymme exakt samtidigt. Det är där alla rabalder kring elektron orbitaler i atomer kommer från. Om elektronerna hade heltal spin, skulle det vara utan att behöva oroa Atom orbitaler och snäckor, eftersom elektronerna skulle har inga problem att vara på samma plats samtidigt. Fotoner, partiklar av ljus, är de mest välkända exemplen på bosoner.

Bosoner, på grund av deras icke exklusivitet, var ursprungligen trodde alla vara massless. I själva verket, som är ganska mycket hur massan ansågs tillbaka i dag, som en egenskap som inte tillåter vissa partiklar att dela samma plats vid samma tid med varandra. Som ett resultat, bosoner ansågs ha en oändlig interaktiva avstånd, eftersom, med ingen vikt, de hade att resa på som rusas av ljust, som är ett resultat från teorin av relativitetsteorin. Denna Bosonisk teori fungerade bra för de två krafter då känt, allvar och elektromagnetism, eftersom de har ett oändligt interaktiva utbud och förmedlas av två massless bosoner, den teoretiska gravitonen och fotonen, respektive.

Tillåt mig ett mer snabb steg tillbaka innan jag fortsätter på. När fysikerna säger att en kraft medieras av en partikel, menar de bara att partikeln i fråga, genom dess mycket interaktion med andra partiklar, överförs informationen som beskriver styrkan på dessa andra partiklar. Till exempel vet en elektron i och för sig inte att det är tänkt för att agera ett visst sätt som beskrivs av elektromagnetisk teori. En foton, säger genom att interagera med det, det så. Det är därför vi säger fotoner medla den elektromagnetiska kraften.

Tja, allt var bra och dandy tills ett par andra krafter, nämligen de svaga och starka kärn styrkorna, upptäcktes som hade ett ändligt antal interaktion, RUH ROH! Förresten, om du har problem med att hålla upp hittills, undvika då du bäst din ögon nu, för här är där fysik och matematik börjar få riktigt konstiga.

I en av de mest fantastiska kopplingarna mellan matte och fysik i historia, teori, en obskyr och, låt oss vara ärliga, en hittills värdelös matematisk disciplin som härrör från djupet av abstrakt algebra, visade sig vara lösningen på alla problem som uppstod från finite-påverkande krafter. Du förstår, vi gillade verkligen att ha bosoner medla styrkor. Det gjorde bara så mycket känsla! Så hur håller vi bosoner, som på denna punkt tror vi fortfarande har noll massa, i kraft-medla bild? Vi uppfinna en ny egenskap, det är hur! Egenskapen jag syftar på heter färgladdning, och det tillämpas på den nyligen theorized, kraft-medla boson som var passande nog heter gluon. Gluon, som är massless, blev således medlare av stark kärn kraft.

Och nu, den fantastiska delen (jag får fortfarande gåshud tänka över detta)! Stark kärn kraft var ändliga interaktion matematiskt beskrivna, perfekt, med hjälp av en viss grupp i gruppteori kallas särskilda enhetlig grupp av grad 3 eller SU(3) för kort. Utan att få in uppgifter om matten, denna grupp inte bara beskrivs egenskapen färg nedkomst (det är söta lilla termen uppfanns för att beskriva stark kärn kraft begränsad utbud), det också förutspådde den grundläggande partikel kallas Kvarken, och beskrivs hur dessa kvarkar kunde "lagligt" ordna sig på ett sådant sätt att komponera varje hadron (skratta inte Jag stavade det rätt) känd, såsom proton och neutron. I själva verket var använder matematik av SU(3), nya partiklar teoretiserade som inte hade upptäckts ännu, som ju sedan senare hittades.

En mer snabbt åt sidan. Allt detta kromatisk prat som har pågått har att göra med det faktum att kvarkar samverkar med varandra på ett sätt som härmar den additiva färglära i optik. I själva verket finns det egentligen tre olika färg avgifter att kvarkar kan ha, märkt röd, blå och grön. Kvarkar kombinera alltid på ett sådant sätt att skapa "white"; dvs en röd, en blå och en grön eller en färg plus en anticolor. Kom dock ihåg att kvarkar själva har inga faktiska färg som alla kan se. Namnsystem kom till stånd på grund av likheterna mellan kvarkmodellen och additiv färgmodell, men det är så långt som det går.

Bra varma diggity dog! Gruppteori fungerade så bra för den starka kraften, varför inte prova det ut på den svaga kraften också? Ja, det är när allt kom till en skrikande stanna. Du ser, det finns inget sådant som färg instängdhet eller färgladdning för den svaga kraften, därför gruppen, SU(3), fungerar inte för den. Det är dock en udda beteende av denna kraft som skiljer det från andra, och det är paritet brott, åh min.

I den svaga kraften, till skillnad från de andra tre krafter, paritet, eller vänster och höger hand symmetri, är inte bevarad. För att ge dig en visuell av vad detta innebär, säger du ser på mig att komma in i ett argument med någon och vi stod framför en spegel (det är där jag alltid slåss, förresten). Nu tryckte säger jag fällare ger mig verksamheten mot spegeln. Fram till denna punkt i fysik skett "motsatt" omständigheten alltid; dvs ser du baksidan av killen i spegeln får skjuts mot oss riktiga, icke-speglade folk. Det är paritet bevarande. Bra för den svaga kraften, som inte händer. Killen i spegeln aldrig rör sig, i själva verket, han kan inte. Paritet kränks. Detta ses uttryckligen i svag kraft samspelet kallas beta förfalla. Betasönderfall är en atom-nucleus fenomen där en av neutroner i kärnan förvandlas till en proton genom att släppa ut en elektron och en antineutrino (oroa dig inte om neutrinos för nu). Den omvända processen, men kan inte ske. En elektron kan inte konvertera till en neutron av avger en proton. Detta är paritet brott, och det händer bara med svag kärn kraft.

OK, är här en påminnelse om var vi står. Vi har en kraft, den svaga kärn kraft, som har ett begränsat utbud av interaktion och kränker paritet. Vi har bosoner, som hittills har varit massless, och har också varit medlare för alla våra andra tre krafter. Och slutligen har vi grupp teori, som vi skulle verkligen vilja använda, tillsammans med bosoner, för att förklara denna konstiga, svag kraft. Så, hur gör vi det? Jag är säker på att du har gissat svaret nu, men i fallet inte, här är det. Vi ger boson medla svaga tvinga massa.

Det visar sig att med hjälp av två olika grupper från vad vi hade tidigare i kombination, särskilt enhetlig specialgruppen av grad 2 eller SU(2) och enhetlig grupp av grad 1 eller U(1) (för alla er matte nördar där ute, U(1) är en lögn grupp dimension 1. Det är rätt, matten bakom den svaga kraften använder en ännu mer obskyra algebra än gruppteori), ge den medla boson massa och att införa en ny enhet kallas fältet Higgs, den svaga kärn kraften kan inte bara noggrant beskrivas matematiskt, den kan också kombineras med elektromagnetisk kraft att bilda en ny kraft kallas elektrosvag kraft. Jo jag ska vara! Det hela gruppteori här verkar fungera bra! Tyvärr finns det ett problem. På grund av kombinationen av de två grupperna som nämns ovan, det är inte bara en medlande boson nödvändigt för denna matematisk beskrivning att korrekt beskriva den svaga kraften, det finns fyra. Och ännu mer tyvärr, en av dem måste vara en skalär boson med en extremt hög vikt. Om du inte har gissat det än, att killen är vår berömda Higgs boson som startade hela svaret i första hand!

Dags för en annan tangent! Higgs fältet ska inte förväxlas med den Higgsbosonen. Higgs fältet är den teoretiska om vilka vissa partiklar förvärva massa. Det kan tänka såhär: säger du går igenom ett fält där luften är mättad med pollen (Gesundheit!). Om du bär fleece, fäster pollen lätt sig till dina kläder. Dock om du bär en regnrock, kommer inte pollen koppla sig till du ganska lika lätt. Det är hur partiklar interagerar med fältet Higgs. Om partiklarna par med fältet Higgs, ska de få massa. Om de inte, de kommer inte. Okej, tillbaka till bosoner.

Som nämnts ovan, måste den Higgsbosonen finns för våra nuvarande arbetar teori, kallas standardmodellen i fall du har glömt, att vara korrekt. Det måste inte finnas, men för andra modeller att arbeta. Så, varför inte vi bara glömma det och fokusera på de andra modellerna då? Eftersom standard-modellen har redan korrekt förutspådde existensen av de andra tre bosoner behövs för att medla den svaga kraften, W +, W- och Z0, så vi kan också ge det en chans och se om Higgs existerar också. Plus är den Higgsbosonen det enda partikel kvar som inte har varit förutspådde från standardmodellen och sedan därefter hittat, så vi är riktigt nära!

Nära vad? Du kommer inte att gilla detta. Vi är nära att bara veta att vi är på rätt spår mot vårt slutmål, som är det matematiska enandet av alla fyra krafter. Att hitta Higgs egentligen bara stänger en mindre kapitlet i denna ultimata saga. Vi skulle fortfarande behöva förena den stark kärn kraften med elektrosvag kraft, och sedan förena som med allvar, och sedan slutligen göra dem alla arbeta tillsammans med vår glömda vän, relativitetsteorin. Först då kunde vi noggrant beskriver i början av vårt universum och vad öde är det troligt att ådra sig. Vi skulle inte vet ännu, men vad hände innan början av vårt universum, är inte att svälla? Och för att göra saken värre, vi kommer att ha så småningom överge standardmodellen ändå, trots allt detta arbete vi har lagt in i den. Detta beror på att tyngdkraften platta ut inte fungerar med standardmodellen.

Nu är det dags att påminna om dessa neutriner jag nämnde tidigare och sa du inte att oroa. Det visar sig att neutriner, som standard modellen förutspår för att ha ingen massa, faktiskt har massa. Inte bara det, de pendlar fram och tillbaka mellan de tre olika typerna av dem! Ni hörde rätt, de ändrar deras hela existens till något annat utan anledning, åtminstone inte anledningen till att vi kan förklara med hjälp av standardmodellen. Det, mina kära vänner, kallas "fysik bortom standardmodellen." Vi visste det skulle hända så småningom, bara inte så snart. Så Sammanfattningsvis tycker om Higgsbosonen medan du kan, eftersom alltför enkelt blir det en annan språngbräda i historieböckerna att mänskligheten var tvungen att använda på väg mot att hitta den större bilden.
Den Higg Boson är en hypotetisk partikel, förutspåtts av standardmodellen, som löser inkonsekvenser i nuvarande teoretisk partikelfysik. Det har ännu inte konstaterats i experimentell fysik, men försök att göra det pågår på Large Hadron Collider vid CERN och Tevetron vid Fermilab.

Det förklarar hur de flesta av elementarpartiklarna blir massiv. Det skulle till exempel förklara hur fotonen, som har en vilomassa noll, och som förmedlar den elektromagnetiska kraften, skiljer sig från de W och Z bosoner, som är massiva partiklar som medlar den svaga växelverkan.

För mer information, se relaterade länken nedan.