Ce este bosonul Higgs?

Pentru a înțelege bosonul Higgs, trebuie să vorbim mai întâi despre câmpul Higgs. Acest câmp conferă masă anumitor particule fundamentale, separând, în același timp, două dintre cele patru forțe fundamentale ale naturii una de cealaltă.

Existența câmpului Higgs a fost teoretizată, pentru prima dată, la începutul anilor 1960, fizicienii luând în considerare consecințele unui câmp ipotetic care ar explica modul cum electromagnetismul și forța nucleară slabă s-au separat și de ce unele particule purtătoare de forță (cum ar fi bosonii W și Z) au masă în timp ce altele (cum ar fi fotonii) nu au masă.

Fizicianul britanic Peter Higgs a fost unul dintre cercetătorii care au lucrat la acest model teoretic. Numele său a devenit de atunci sinonim cu câmpul, particula și mecanismul asociat de acțiune.

Ce este bosonul Higgs?

La fel ca în toate câmpurile cuantice, câmpul Higgs determină apariția propriului său tip de particulă fundamentală, bosonul Higgs. Acesta este un boson relativ greu, fără sarcină electrică, extrem de instabil (particulă purtătoare de forță cu spinul zero) care se descompune foarte repede într-o varietate de alte particule.

Modelul Standard al particulelor elementare include particulele elementare şi forţele fundamentale. Credit: Fermi National Accelerator Laboratory, CC BY

În anul 2012 o astfel de particulă a fost detectată de două dintre detectoarele din cadrul acceleratorului de particule Large Hadron Collider, ceea ce a condus la includerea oficială a bosonului Higgs în Modelul Standard și a oferit dovezi privind mecanismul Higgs.

Ce conferă masă particulelor?

În viața de zi cu zi, experimentăm masa ca o rezistență la mișcare. Obiectele cu masă mai mare sunt mai greu de mișcat, iar odată ce sunt în mișcare sunt mai greu de oprit.

In termenii relativității speciale a lui Albert Einstein, masa este o expresie a energiei unui obiect.

Atunci când stă nemișcat, un obiect are o masă egală cu energia sa împărțită la pătratul vitezei luminii, conform formulei E=mc².

Un obiect care se miscă cu o viteză apropiată de cea a luminii va avea o energie care acționează ca masă.

Masa atomilor este dată, în cea mai mare parte, de energia unor particule denumite quarcuri din nucleul atomic și care sunt legate între ele prin forța nucleară tare.

Cu toate acestea, chiar și singure, quarcurile au masă. La fel și electronii din jurul nucleului atomic.

Bosonii W și Z ai forței nucleare slabe sunt de 80 de ori mai masivi decât protonul, în timp ce fotonul câmpului electromagnetic nu are masă.

Fizicienii au încercat să înțeleagă motivul acestor diferențe de masă.

Cum conferă câmpul Higgs masă particulelor fundamentale?

În condițiile temperaturilor extrem de ridicate de după Big Bang, câmpurile electromagnetismului și forței nucleare slabe ar fi fost, practic, identice.

Pe măsură ce Universul s-a extins și s-a răcit, cele două câmpuri ar fi devenit distincte, unul funcționând prin bosoni grei care acționau pe o distanță mică, specifică nucleului atomic, iar celălalt funcționând cu bosoni suficient de ușori pentru a ajunge pe întinderile vaste ale spațiului cosmic.

Explicații pentru această separare a unor campuri cuantice și diferențele de masă au provenit de la mai multe grupuri de fizicieni din întreaga lume. Propunerea făcută de Higgs și colegii acestuia, François Englert și Robert Brout, în anul 1964 s-a bazat pe un nou tip de câmp cuantic care este activ peste tot, chiar și în spațiul gol.

Credit: sakkmesterke/iStock/Getty Images

Existența unui câmp cu o valoare diferită de zero în oricare colț al Universului contrazice un echilibru fundamental din mecanica cuantică, generând un tip de particulă care nu a fost observat în experimente.

Higgs, Englert și Brout au arătat că dacă acest câmp ipotetic este legat de câmpul responsabil pentru forța nucleară slabă, atunci în urma acelor particule, pe care nimeni nu le-a văzut în experimente, vor ramane niște bosoni grei (W și Z) și un boson relativ greu cu spinul 0 și fără sarcină electrică (bosonul Higgs) care se dezintegrează rapid.

Interacţiunea dintre câmpul Higgs și alte câmpuri cuantice conferă masă particulelor elementare. Acest mecanism cuantic de creare a masei se numeşte mecanism Higgs. Înţelegerea mecanismului Higgs se bazează pe ”ruperea spontană de simetrie”.

Astfel, mecanismul Higgs explică masele particulelor fundamentale, cum ar fi quarcurile și electronii.

Sursa: Science Alert