Bozoni Higgs: Shpjegohet ‘Grimca e Zotit’

Ilustrimi i artistit për Bozonin Higgs që prodhohet nga dy protone që përplasen. (Kredia e imazhit: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY nëpërmjet Getty Images).

Ekzistenca e bozonit Higgs plotëson modelin standard të fizikës së grimcave.

Nga: By Robert Lea> Higgs boson: The ‘god particle’ explained | Space/¹

Çfarë është bozoni Higgs?

Më 8 prill 2024, fizikani teorik britanik Peter Ware Higgs, i cili teorizoi për herë të parë ekzistencën e bozonit Higgs, ndërroi jetë në moshën 94-vjeçare. Vdekja e tij u njoftua më 10 prill.

“Përveç kontributeve të tij të jashtëzakonshme në fizikën e grimcave, Peter ishte një person shumë i veçantë, një figurë jashtëzakonisht frymëzuese për fizikanët në të gjithë botën, një njeri me modesti të rrallë, një mësues i madh dhe dikush që shpjegoi fizikën në një mënyrë shumë të thjeshtë dhe megjithatë të thellë,” tha Fabiola Gianotti, Drejtoresha e Përgjithshme e CERN, në burimin X të institucionit². “Një pjesë e rëndësishme e historisë dhe arritjeve të CERN është e lidhur me të. Jam shumë i trishtuar dhe do të më mungojë shumë.”

Bozoni Higgs është grimca themelore që mbart forcën e fushës Higgs, e cila është përgjegjëse për dhënien e masës së grimcave të tjera. Kjo fushë u propozua për herë të parë në mesin e viteve gjashtëdhjetë nga Peter Higgs – për të cilin grimca është emëruar dhe kolegët e tij.

Grimca u zbulua më në fund³ më 4 korrik 2012, nga studiuesit në Large Hadron Collider⁴ (LHC) – përshpejtuesi më i fuqishëm i grimcave në botë – i vendosur në laboratorin evropian të fizikës së grimcave CERN, Zvicër.

LHC konfirmoi ekzistencën e fushës Higgs dhe mekanizmit që krijon masën dhe kështu plotësoi modelin standard të fizikës së grimcave – përshkrimi më i mirë që kemi për botën subatomike.

Ndërsa shkencëtarët i afroheshin fundit të shekullit të 20-të, përparimet në fizikën e grimcave i ishin përgjigjur shumë pyetjeve që rrethonin blloqet themelore të ndërtimit të natyrës. Megjithatë, ndërsa fizikanët popullonin në mënyrë të vazhdueshme kopshtin zoologjik të grimcave me elektrone⁵, protone, bozone dhe të gjitha shijet e kuarkëve, disa pyetje urgjente mbetën kokëfortë pa përgjigje. Ndër këto, pse disa grimca kanë masë?

Historia e bozonit Higgs është e motivuar nga kjo pyetje.

Çfarë është bozoni Higgs?

Bozoni Higgs ka një masë prej 125 miliardë elektronvolt⁶ – që do të thotë se është 130 herë më masiv se një proton, sipas CERN⁷. Është gjithashtu pa ngarkesë me rrotullim zero – një ekuivalent mekanik kuantik me momentin këndor. Bosoni Higgs është e vetmja grimcë elementare pa rrotullim.

Një bozon është një grimcë “bartëse force” që hyn në lojë kur grimcat ndërveprojnë me njëra-tjetrën, me një bozon të shkëmbyer gjatë këtij ndërveprimi. Për shembull, kur dy elektrone ndërveprojnë, ata shkëmbejnë një foton – grimcën bartëse të forcës së fushave elektromagnetike.

Për shkak se teoria kuantike e fushës përshkruan botën mikroskopike dhe fushat kuantike që mbushin universin⁸ me mekanikën e valëve, një bozon mund të përshkruhet gjithashtu si një valë në një fushë.

Pra, një foton është një grimcë dhe një valë që lind nga një fushë elektromagnetike e ngacmuar dhe bozoni Higgs është grimca ose “manifestimi i kuantizuar” që lind nga fusha Higgs kur ngacmohet. Kjo fushë gjeneron masë përmes ndërveprimit të saj me grimcat e tjera dhe mekanizmit të bartur nga bozoni Higgs i quajtur mekanizmi Brout-Englert-Higgs.

Pse bozoni Higgs quhet ‘Grimca e Zotit’?

Pseudonimi i bozonit Higgs “grimca e Zotit” u forcua pas zbulimit të tij, përkatësisht si rezultat i mediave popullore. Origjina e kësaj shpesh lidhet me fizikanin fitues të çmimit Nobel Leon Lederman duke iu referuar bozonit Higgs si “grimca e mallkuar” në lidhje me atë se sa e vështirë ishte për t’u zbuluar.

Business Insider⁹ thotë se kur Lederman shkroi një libër mbi bozonin Higgs në vitet 1990, titulli duhej të ishte “Grimca e mallkuar”, por botuesit e ndryshuan këtë në “Grimca e Zotit” dhe u krijua një lidhje problematike me fenë, një lidhje që shqetëson fizikanët edhe sot e kësaj dite.

Megjithatë, është e vështirë të mbivlerësohet rëndësia e bozonit Higgs dhe fushës Higgs në përgjithësi, pasi pa këtë aspekt të natyrës asnjë grimcë nuk do të kishte masë. Kjo do të thotë pa yje¹⁰, pa planetë dhe pa ne – diçka që mund të ndihmojë në justifikimin e pseudonimit të tij hiperbolik.

Pse është i rëndësishëm bozoni Higgs?

Në vitin 1964, studiuesit kishin filluar të përdornin teorinë kuantike të fushës për të studiuar forcën e dobët bërthamore¹¹ – e cila përcakton prishjen atomike të elementeve duke transformuar protonet në neutrone – dhe bartësit e saj të forcës bozonet W dhe Z.

Bartësit e dobët të forcës duhet të jenë pa masë, dhe nëse nuk do të ishin, kjo rrezikon të thyejnë një parim të natyrës të quajtur simetri, e cila – ashtu si simetria e një forme siguron që ajo të duket e njëjtë nëse rrotullohet ose rrotullohet – siguron që ligjet e natyrës të jenë të njëjta sido që të shihen. Vendosja arbitrare e masës në grimca gjithashtu bëri që disa parashikime të priren drejt pafundësisë.

Megjithatë, studiuesit e dinin se për shkak se forca e dobët është kaq e fortë në ndërveprime në distanca të shkurtra – shumë më e fuqishme se graviteti¹² – por shumë e dobët në ndërveprime më të gjata, bozonet e saj duhet të kenë masë.

Zgjidhja e propozuar nga Peter Higgs, François Englert dhe Robert Brout, në 1964 ishte një fushë e re dhe një mënyrë për të “mashtruar” natyrën për të thyer simetrinë spontanisht.

Një artikull nga CERN¹³ e krahason këtë me një laps që qëndron në majë të tij – një sistem simetrik – që papritmas anon për të treguar në një drejtim të preferuar duke shkatërruar simetrinë e tij. Higgs dhe kolegu i tij fizikan propozuan që kur universi lindi ai ishte i mbushur me fushën Higgs në një gjendje simetrike, por të paqëndrueshme – si lapsi i ekuilibruar në mënyrë të pasigurt.

Fusha shpejt, në vetëm fraksione të sekondës, gjen një konfigurim të qëndrueshëm, por kjo në proces thyen simetrinë e saj. Kjo krijon mekanizmin Brout-Englert-Higgs i cili u jep masë bozoneve W dhe Z.

Ajo që u zbulua më vonë për fushën Higgs ishte se jo vetëm që do t’u jepte masë bozoneve W dhe Z, por se do t’u jepte masë shumë grimcave të tjera themelore. Pa fushën Higgs dhe mekanizmin Brout-Englert-Higgs, të gjitha grimcat themelore do të vraponin rreth universit me shpejtësinë e dritës¹⁴. Kjo teori nuk shpjegon vetëm pse grimcat kanë masë, por edhe pse kanë masa të ndryshme.

Grimcave që ndërveprojnë – ose “çiftë” – me fushën Higgs më fort u jepen masa më të mëdha. Edhe vetë bozoni Higgs e merr masën e tij nga ndërveprimi i tij me fushën Higgs. Kjo është konfirmuar duke parë se si grimcat e bozonit Higgs prishen.

Një grimcë që nuk i jepet masë nga fusha Higgs është grimca bazë e dritës – fotoni. Kjo është për shkak se thyerja spontane e simetrisë nuk ndodh për fotonet siç ndodh për grimcat e tjera që bartin forcën bozonet W dhe Z.

Ky fenomen i dhënies së masës vlen edhe vetëm për grimcat themelore si elektronet dhe kuarkët. Grimcat si protonet – të përbëra nga kuarkët – marrin pjesën më të madhe të masës së tyre nga energjia lidhëse që mban përbërësit e tyre së bashku.

Ndërsa e gjithë kjo përputhet mirë me teorinë, hapi tjetër ishte zbulimi i provave të fushës Higgs duke zbuluar grimcën e saj që mbart forcë. Bërja e kësaj nuk do të ishte detyrë e thjeshtë, në fakt, do të kërkonte eksperimentin më të madh dhe makinën më të sofistikuar në historinë njerëzore.

Në këtë mënyrë, kërkimi për vetë bozonin Higgs e ka shtyrë teknologjinë e përshpejtuesit të grimcave dhe detektorit në kufijtë e tij – me shprehjen përfundimtare të kësaj që është Përplasësi i Madh i Hadronëve (LHC).

Zbulimi i bozonit Higgs dhe modeli standard

Zbulimi i bozonit Higgs nuk është vetëm një çështje e vendosjes së një detektori dhe pritjes së një detektori. Këto grimca ekzistonin vetëm në kushtet me energji të lartë të universit të hershëm.

Kjo do të thotë se para se të zbulohet kjo grimcë, këto kushte me energji të lartë duhet të përsëriten dhe të krijohen bozonet Higgs. LHC e bën këtë duke përshpejtuar protonet në shpejtësi afër dritës dhe duke i thyer ato së bashku.

Kjo krijon një kaskadë grimcash që shpejt prishen në grimca më të lehta. Bozoni Higgs zbërthehet shumë shpejt për t’u pikasur dhe në vend të kësaj u identifikua duke zbuluar prishjet e grimcave që tregonin një grimcë pa rrotullim dhe përputheshin me parashikimet teorike për këtë bozon që mungonte.

Grimca u zbulua si nga detektori LHC ATLAS ashtu edhe nga detektori Compact Muon Solenoid (CMS).

Njoftimi për zbulimin e bozonit Higgs u bë në CERN në Gjenevë më 4 korrik 2012. U desh deri në mars të vitit të ardhshëm për ta konfirmuar këtë, grimca e zbuluar ishte me të vërtetë bozoni i Higgs.

Duke zbuluar këtë grimcë, të parashikuar nga modeli standard, zbulimi i bozonit Higgs plotësoi këtë pamje të botës subatomike. Ka ende mistere përtej kësaj teorie, të tilla si natyra e materies së errët¹⁵ që bozoni Higgs – përmes vetive të tij unike – mund të ndihmojë në zgjidhjen.

Bozoni i Higgs pas vitit 2012

Një vit pas zbulimit të bozonit Higgs, Peter Higgs dhe François Englert u nderuan me çmimin Nobel në Fizikë 2013, për teorinë e fushës së tyre Higgs.

Komiteti Nobel¹⁶ shkroi për çmimin: “për zbulimin teorik të një mekanizmi që kontribuon në të kuptuarit tonë të origjinës së masës së grimcave subatomike, dhe që kohët e fundit u konfirmua përmes zbulimit të grimcës themelore të parashikuar, nga eksperimentet ATLAS dhe CMS në Large Hadron Collider të CERN”.

Zbulimi i bozonit Higgs mund të ketë përfunduar modelin standard, por ky nuk ishte fundi i hetimit të kësaj grimce të pakapshme. Një nga zbulimet kryesore të bëra që nga viti 2012 ka përfshirë konfirmimin e prishjes së Higgs.

Dhe hetimi i kësaj grimce të pakapshme do të thellohet gjatë ekzekutimit 3 të LHC dhe veçanërisht kur përmirësimi i shkëlqimit të lartë të përshpejtuesit të grimcave të përfundojë në vitin 2029.¹⁷

Kjo do t’i lejojë LHC të kryejë më shumë përplasje, duke u ofruar studiuesve më shumë mundësi për të dalluar fizikën ekzotike, duke përfshirë fenomene përtej modelit standard.

CERN vlerëson se pas përmirësimit çdo vit përshpejtuesi do të krijojë 15 milionë nga këto grimca. Kjo krahasohet me 3 milionë bozonet Higgs të krijuara nga LHC në 2017. Kjo mund të jetë çelësi për zbulimin e “shijeve” të tjera të bozonit Higgs.

Teoritë që shkojnë përtej modelit standard të fizikës së grimcave parashikojnë gjithashtu deri në pesë lloje të ndryshme të bozoneve të Higgs, të cilat mund të prodhohen më rrallë se bozoni primar i Higgs. Edhe para përmirësimeve, shkencëtarët na kanë ofruar tashmë prova joshëse të një “bozoni magnetik Higgs¹⁸“.

Pyetje dhe përgjigje eksperti i bozonit Higgs

Ne folëm me Yves Sirois, fizikan dhe drejtor kërkimor në École Polytechnique për Bozonin Higgs. Yves Sirois është një fizikan në eksperimentin CMS në CERN dhe ka qenë drejtor i Laboratorit Leprince-Ringuet në Institut Polytechnique de Paris që nga janari 2020.

Çfarë është bozoni Higgs?

Bozoni Higgs është një grimcë elementare e lidhur me fushën Higgs. Është ngacmimi kuantik i kësaj fushe, si valëzimet në det. Vetë bozoni është një lloj krejtësisht i ri i kafshës në kopshtin zoologjik të grimcave. Nuk ka as vetitë kuantike të materies elementare dhe as ato të bartësve të ndërveprimeve kuantike si forca elektromagnetike, forca e dobët ose ndërveprimet bërthamore.

Kush teorizoi për herë të parë për Bosonin Higgs dhe pse?

Ekzistenca e bozonit Higgs u teorizua në mesin e viteve 1960 si pasojë e një mekanizmi të thyerjes së simetrisë të sugjeruar nga Peter Higgs, François Englert dhe Robert Brout, gjatë verës së vitit 1964, dhe gjithashtu në mënyrë të pavarur në fillim të vjeshtës së të njëjtit vit nga një grup i përbërë nga Gerald Guralnik, Carl Hagen dhe Tom Kibble.

Pa këtë mekanizëm, dukej e pamundur të ndërtohej një teori e ndërveprimeve themelore që do të ishte e vlefshme në të gjitha shkallët e energjisë. Në veçanti, nuk mund të shpjegohet ekzistenca e ndërveprimit të dobët që vepron vetëm në distanca shumë të shkurtra dhe është përgjegjës për radioaktivitetin brenda bërthamës së një atomi.

Pse është një grimcë kaq e rëndësishme?

Kjo fushë Higgs luajti një rol absolutisht vendimtar në momentet e para pas lindjes së universit pasi përcakton vetë natyrën e vakumit që mbush hapësirë-kohën tonë. Ai bën të mundur ekzistencën e materies dhe ndërveprimeve siç i njohim ne, dhe është përgjegjës për shfaqjen e masës së të gjitha grimcave elementare të njohura. Pa fushën Higgs, dhe kështu pa bozonin Higgs, thjesht nuk do të kishte elementë atomikë, yje dhe jetë në këtë univers.

Si u zbulua bozoni Higgs?

Bozoni Higgs u zbulua në Përplasësin e Madh të Hadroneve (LHC) njëkohësisht nga dy eksperimentet e mëdha me shumë qëllime ATLAS dhe CMS. Zbulimi u njoftua më 4 korrik 2012 në CERN.

Bozoni i ri skalar (spin 0) u vërejt në atë kohë kryesisht në dy kanale të rralla të prishjes që ofronin sinjalin më të pastër, prishjen në një palë fotone, të cilat përfshinin një proces virtual thjesht kuantik, dhe prishjen e drejtpërdrejtë në një palë bozonesh Z, bartësi i ndërveprimit neutral të dobët.

Pse kërkoi për këtë grimcë kaq shumë?

Kjo për shkak se bozoni Higgs është shumë i rëndë dhe krejtësisht i paqëndrueshëm!

Me një masë prej 125 GeV, është 133 herë më i rëndë se një atom hidrogjeni. Jetëgjatësia mesatare e tij është midis një dhe dy dhjetëmijtave të një miliarde të miliardës së sekondës (rreth 1,6 x 10^-22 s).

Për të prodhuar një grimcë kaq të rëndë, duke pasur parasysh ekuacionin e njohur E = mc^2, në thelb duhet të përqendroni një sasi të konsiderueshme energjie në një vëllim të vogël. Kjo është arsyeja pse na duhej një përplasës me energji të lartë. LHC në CERN është makina më e fuqishme e tillë që ekziston në Tokë. Bozoni Higgs, ons i prodhuar, do të kalbet në shumë mënyra të ndryshme dhe vetëm një pjesë e vogël e tyre mund të dallohet nga sfondi i zakonshëm. Për të zbuluar dhe identifikuar grimca të tilla, ne kemi ndërtuar detektorët më të mëdhenj dhe më kompleksë të konceptuar ndonjëherë. Më pas analizuam qindra miliarda ngjarje të përplasjes proton-proton për të nxjerrë një sinjal bozon Higgs.

Pse shkencëtarë si ju ende hetojnë Bozonin Higgs?

Për dy arsye kryesore përveç nevojës së dukshme për të kryer karakterizimin më të saktë të grimcës së re. Së pari, ne duam të kuptojmë se si u krijua vakumi fizik në të cilin jetojmë në universin e hershëm. Së dyti, ne duam të kuptojmë se cili vakum fizik mund të bëhet i qëndrueshëm.

Fusha Higgs është shumë unike pasi siguron një energji potenciale mesatare jo zero të pritshme për vakuumin fizik! Kjo është, në thelb, ajo që bën të gjithë ndryshimin për universin tonë. Ne besojmë se është e mundur të aksesohet në formën e potencialit të energjisë që është përgjegjëse për thyerjen e simetrisë elektrodobë, domethënë të vetë ekzistencës së forcës elektromagnetike me rreze të pafundme dhe të forcës së dobët që vepron në distanca shumë të shkurtra. Rezulton se për ta bërë këtë, ne duhet të studiojmë mënyrën se si bozonet Higgs ndërveprojnë me veten e tyre! Dhe për këtë, ne duhet të prodhojmë çifte bozonesh Higgs!

Bozoni Higgs zgjidhi çështjen e origjinës së masës së të gjitha grimcave të tjera elementare, por masa e tij është e pashpjegueshme. Kjo masë nuk mbrohet nga asnjë simetri e teorisë dhe sjell paqëndrueshmëri të padëshiruar në teori. Aq shumë, saqë nëpërmjet proceseve kuantike, vetë vakumi fizik mund të destabilizohet nga luhatjet kuantike. Për fat të mirë, kjo është në shkallë kohore dukshëm më të mëdha se jetëgjatësia e njohur e universit tonë, por ne megjithatë po kërkojmë grimca shtesë të ngjashme me bozonin Higgs që do të sinjalizonin ekzistencën e fizikës së re të nevojshme për të stabilizuar masën e bozonit Higgs.

E gjithë kjo motivon analizën e shumë më tepër të dhënave dhe, nëse është e mundur, aksesin në energjitë më të larta të përplasësit. Kjo është arsyeja pse mijëra shkencëtarë nga e gjithë bota janë ende të përkushtuar ndaj detyrës!

Lexim shtesë

Zbulimi i bozonit Higgs përfundoi atë që njihet si modeli standard i fizikës së grimcave. CERN shpjegon se çfarë na tregon kjo kornizë për botën subatomike. Mësoni më shumë rreth bozonit Higgs me këtë artikull nga Departamenti Amerikan i Energjisë. Eksploroni disa pyetje të bëra shpesh në lidhje me bozonin Higgs me CERN.

Bibliografia

Bosoni Higgs, CERN, https://home.cern/science/physics/higgs-boson

Bosoni Higgs, Departamenti i Energjisë, https://www.energy.gov/science/doe-explainsthe-higgs-boson

Çfarë është kaq e veçantë për bozonin Higgs?, CERN, https://home.cern/science/physics/higgs-boson/what

Higgs. P., SIMETRITË E THYERA DHE MASAT E BOZONEVE MATËSE, Physical Review Letters, [1964], [https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.13.508]

Peter W. Higgs, Çmimi Nobel, https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2013/higgs/facts/

LHC me shkëlqim të lartë, CERN, https://home.cern/science/accelerators/high-luminosity-lhc

–

Referencat

1. Higgs boson: The ‘god particle’ explained | Space ↩︎
2. CERN (@CERN) / X ↩︎
3. Higgs Boson Particle Discovery May Help Reveal Dark Matter Secrets | Space ↩︎
4. The Large Hadron Collider: Everything you need to know | Space ↩︎
5. Electrons: Mass, discovery & history | Space ↩︎
6. CMS precisely measures the mass of the Higgs boson | CMS Experiment ↩︎
7. The Higgs boson: a landmark discovery ↩︎
8. Our expanding universe: Age, history & other facts | Space ↩︎
9. Why the Higgs Is Called the God Particle – Business Insider ↩︎
10. Stars: Facts about stellar formation, history and classification | Space ↩︎
11. What Is the Weak Force? | Live Science ↩︎
12. What is gravity? | Space ↩︎
13. What’s so special about the Higgs boson? | CERN ↩︎
14. How fast does light travel? | The speed of light | Space ↩︎
15. What is dark matter? | Space ↩︎
16. The 2013 Nobel Prize in Physics – Press release – NobelPrize.org ↩︎
17. High-Luminosity LHC | CERN ↩︎
18. Physicists discover never-before seen particle sitting on a tabletop | Live Science ↩︎