Czym jest "cząstka Boga", którą w 1964 r. zaproponował laureat Nagrody Nobla Peter Higgs?

W poniedziałek, 8 kwietnia, zmarł brytyjski naukowiec Peter Higgs, jeden z najbardziej znanych laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki. Nagrodę otrzymał w 2013 roku, po tym jak naukowcy z Wielkiego Zderzacza Hadronów eksperymentalnie udowodnili istnienie cząstki elementarnej przewidzianej przez naukowca, bozonu Higgsa. Wybitny naukowiec miał 94 lata.

Fizyk teoretyczny czekał na swoją nagrodę prawie pół wieku. Już w 1964 roku opublikował przewidywania dotyczące istnienia cząstki elementarnej, która później otrzymała romantyczną nazwę "cząstki Boga". OBOZ.UA wyjaśnia, dlaczego jego odkrycie jest tak ważne dla światowej nauki.

Czym jest bozon Higgsa?

Ze szkolnego kursu fizyki wiemy, że cała materia we wszechświecie składa się z atomów, a atomy z protonów, elektronów i neutronów. Rzeczywistość jest jednak znacznie bardziej skomplikowana. Istnieje wiele rodzajów cząstek elementarnych, które są pogrupowane w różne klasy.

W Modelu Standardowym, opracowanym przez Higgsa, mikroświat opisują hadrony, leptony, kwarki, fotony, gluony, grawitony i bozony. Mają one różne właściwości i są odpowiedzialne za różne zjawiska naturalne. Na przykład kwarki i leptony, zwane również fermionami, są odpowiedzialne za istnienie materii, a bozony to cząstki, które przenoszą interakcje między nimi. Bozon Higgsa stoi nieco poza nimi, ponieważ to z jego pomocą zachodzi interakcja między fermionami.

W tej samej pracy z 1964 roku Peter Higgs i jego koledzy przewidzieli istnienie specjalnego pola, w interakcji z którym cząstki nabierają masy. Pole to zostało później nazwane polem Higgsa, a proces nabywania masy przez cząstki nazwano mechanizmem Higgsa. Znalezienie odpowiedzialnej za to cząstki zajęło jednak dużo czasu. Naukowcy spędzili dekady budując coraz bardziej wyrafinowane narzędzia, aby udowodnić jej istnienie.

Ze względu na swoją nieuchwytność i kluczowe znaczenie dla zrozumienia Modelu Standardowego, bozon przewidziany przez brytyjskiego fizyka Leona Ledermana został nazwany "cząstką Boga". Naukowcy nie lubią tej metafory, ale stała się ona podstawą kultury popularnej.

Jak odkryto "cząstkę Boga"

Odkrycie bozonu Higgsa stało się możliwe dopiero po uruchomieniu w 2010 roku w Szwajcarii gigantycznego akceleratora cząstek, Wielkiego Zderzacza Hadronów, największego tego typu urządzenia na świecie. Przyspiesza on protony niemal do prędkości światła i zderza je ze sobą. Powoduje to ich rozpad na mniejsze cząstki, które są badane przez fizyków. Jednym z głównych zadań LHC było poszukiwanie nieuchwytnego bozonu Higgsa.

Kiedy zderzacz został uruchomiony, naukowcy wiedzieli prawie wszystko o "cząstce Boga". Nie potrafili jednak eksperymentalnie udowodnić jej istnienia. Dwa lata zajęło znalezienie względnie przekonujących dowodów na to, że cząstka opisana przez Petera Higgsa naprawdę istnieje. A poszukiwania te były niezwykle trudne. Detektory zderzacza dostarczały sprzecznych danych, a w niektórych przypadkach trudno było określić, czy rozpad był rzeczywiście związany z poszukiwanym bozonem.

Pierwsza wiadomość o odkryciu nadeszła ze zderzacza 4 lipca 2012 roku. W marcu 2013 roku naukowcy ostatecznie potwierdzili, że "cząstka Boga" została odnaleziona. Tej samej jesieni 84-letni Higgs, wraz z Belgiem François Englertem, otrzymał Nagrodę Nobla "za teoretyczne odkrycie mechanizmu, który pomaga nam zrozumieć pochodzenie masy cząstek subatomowych i którego istnienie zostało udowodnione przez wykrycie przewidywanej cząstki elementarnej w eksperymentach ATLAS i CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN".

Dlaczego jest tak ważny

Mówiąc najprościej, bozon przewidziany przez Petera Higgsa jest całkowicie odrębnym zjawiskiem w świecie cząstek elementarnych. Nie jest ani cząstką materii, ani nośnikiem oddziaływań. W interakcji z polem Higgsa inne cząstki zyskują masę, a to rodzi całą masę nowych pytań dla fizyków.

Dlatego naukowcy uważają, że przed Wielkim Wybuchem, który dał początek naszemu wszechświatowi, cząstki nie miały masy. W ciągu 10-12 sekund po tym wydarzeniu zaczęły oddziaływać z polem Higgsa i tak powstał nasz wszechświat z jego prawami fizycznymi. Bez tego pola cząstki po prostu rozproszyłyby się w przestrzeni, nie tworząc atomów i cząsteczek, które tworzą całą materię.

Dzięki przewidywaniom Petera Higgsa i jego współpracowników naukowcy wciąż odkrywają nowe cząstki w LHC. Niektóre z nich umożliwiają badanie ciemnej materii i zjawisk odpowiedzialnych za jej istnienie. Oznacza to, że praca słynnego brytyjskiego naukowca będzie kontynuowana przez wiele lat, a odkrycia, które przyniesie ta praca, mogą doprowadzić do nowych przełomów naukowych.

Subskrybuj kanały OBOZ.UA na Telegramie i Viberze, aby być na bieżąco z najnowszymi wydarzeniami.