Физици търсят гигантски Хигс бозон

Всички знаем и обичаме бозона на Хигс – частицата, която е погрешно отбелязана в медиите като „Божията частица“. Това е субатомна частица, която за пръв път е забелязана в Големия адронен колайдер (LHC) през 2012 година, на поле, което прониква през цялото пространство-време; взаимодейства с много други частици, като електрони и кварки, осигуряващи тези частици с маса.

Но Хигс, който беше забелязан в колайдеря, беше изненадващо лек. Според оценките трябваше да е много по-тежък. Това отваря един интересен въпрос: бозонът на Хигс беше забелязан, но това ли е единственият бозон на Хигс? Има ли повече подобни плаващи частици около тях?

Въпреки че все още нямаме никакви доказателства за по-тежък Хигс, екип от изследователи, базирани в LHC, най-големият „разбивач“ на атоми в света, работи по този въпрос. Надеждата е, че след като протоните се разбиват заедно в пръстеновидния колайдер, тежките Хигс и дори частиците на Хигс, съставени от различни видове Хигс, могат да се появят и да бъдат забелязани.

Ако тежкият Хигс наистина съществува, тогава трябва да преконфигурираме разбирането си за Стандартния модел на физиката на частиците с новооткритото осъзнаване, че за Хигс има много повече от това, което учените виждат и знаят сега. И в рамките на тези сложни взаимодействия може да е ключа за всичко – от масата на призрачната частица неутрино до крайната съдба на Вселената.

Без бозона на Хигс, почти целият Стандартен модел на физиката се срива. Но за да говорим за бозона на Хигс, първо трябва да разберем как Стандартният модел вижда Вселената.

В най-добрата концепция за субатомния свят, изградена като се използва Стандартния модел, това, което мислим като частици, всъщност не е много важно. Вместо това има полета. Тези полета проникват и поглъщат цялото пространство – време. Има едно поле за всеки вид частици. Така че има поле за електрони, поле за фотони и така нататък и така нататък. Това, което мислим за частици, са наистина местни малки вибрации в техните конкретни полета. И когато частиците взаимодействат (като, да речем, отскачат една от друга), това всъщност са вибрациите в полетата, които създават много сложен танц.

Бозонът на Хигс има специален вид поле. Подобно на другите полета, то прониква през цялото пространство – време и също така може да взаимодейства и да играе с полетата на всички останали.

Но полето на Хигс има две много важни задачи, които не могат да бъдат постигнати от нито едно друго поле. Първата задача е да взаимодейства с бозоните W и Z (чрез съответните им полета), носителите на слабата ядрена сила. Като взаимодействат с тези други бозони, Хигс може да им даде маса и те да останат отделени от фотоните, носителите на електромагнитна сила. Без намесата на хигс бозонът, всички тези носители биха се слели заедно и тези две сили (слабата ядрена сила и електромагнитната сила), също биха се слели. Другата работа на бозона на Хигс е да взаимодейства с други частици, като електроните; така той също им дава маса. Всичко това очевидно работи добре, защото нямаме друг начин да обясним как се появяват масите на тези частици.

Всичко това беше теоретично разработено още през 60-те години на миналия век чрез поредица от сложни математики, но има само един малък проблем в тази теория: Няма истински начин да се предскаже точното тегло на бозона на Хигс. С други думи, когато се търси частицата (която е малката локална вибрация на много по-голямото поле) в ускорителя на частиците, не се знае точно какво и точно къде ще се намери.

През 2012 г. учените от LHC обявиха откриването на бозона на Хигс, след като са открили няколко от частиците, които представляват полето на Хигс, когато протоните са били разбити един в друг при почти светлинна скорост. Тези частици са имали маса от 125 гигаелектронволта (GeV), или около еквивалента на 125 протона – така че е доста тежък, но не и невероятно огромен.

На пръв поглед всичко това звучи добре. Физиците всъщност не са имали твърда прогноза за масата на бозона на Хигс, така че тя може да бъде каквато и да е. Проблемът е, че има някакво колебание, вид на полу-предсказания за масата на бозона на Хигс, основана на начина, по който взаимодейства с още една частица, най-горния кварк. Тези изчисления предвиждат доста по-голяма стойност от 125 GeV. Възможно е тези прогнози да са погрешни, но след това трябва да се върнем обратно към математиката и да разберем от къде идва всичко това. Или несъответствието между широките прогнози и реалността на това, което е намерено в LHC, може да означава, че историята на бозона на Хигс е все още неразкрита и по-голяма от това, което сега се знае.

Възможно е да има изобилие от частици на Хигс, които обаче, са твърде тежки, за да ги видим със сегашното поколение колайдери. (Това ни връща към известното уравнение на Айнщайн E = mc ^ 2, което показва, че енергията е маса и масата е енергия. Колкото по-висока е масата на частицата, толкова повече енергия има и толкова повече енергия е нужна, за да се създаде тази тежка частица.)

Всъщност, някои спекулативни теории, които прокарват нашето познание за физиката отвъд Стандартния модел, предсказват съществуването на тези тежки Хигс бозони. Точната природа на тези допълнителни Хигс герои зависи от теорията, разбира се, варираща навсякъде от просто едно или две изключително тежки Хигсови полета до големи композитни структури, направени от множество различни видове хигс бозони, залепени заедно.

Теоретиците се опитват да намерят какъвто и да е възможен начин да тестват тези теории, тъй като повечето от тях са просто недостъпни за настоящите експерименти. В неотдавнашна статия, публикувана в „Journal of High Energy Physics“, екип от физици е предложи да се търси съществуването на повече Хигс бозони, на базата на особения начин, по който частиците могат да се разпадат в по-леки, по-лесно разпознаваеми частици като електрони, неутрино и фотони. Тези разпадания обаче, са изключително редки, така че докато по принцип могат да бъдат намерени с LHC, ще са необходими много повече години за търсенето им и за събиране на достатъчно данни.

Едно е ясно, когато става въпрос за тежките Хигс бозони, просто трябва голямо търпение.