Μηχανισμός Χιγκς
Το πεδίο Higgs είναι ένα πεδίο ενέργειας που πιστεύεται ότι υπάρχει σε κάθε περιοχή του σύμπαντος. Το πεδίο συνοδεύεται από ένα θεμελιώδες σωματίδιο γνωστό ως μποζόνιο Higgs, το οποίο χρησιμοποιείται από το πεδίο για να αλληλεπιδρά συνεχώς με άλλα σωματίδια, όπως το ηλεκτρόνιο. Στα σωματίδια που αλληλεπιδρούν με το πεδίο "δίνεται" μάζα και, με παρόμοιο τρόπο όπως ένα αντικείμενο που περνάει μέσα από μια μελάσα (ή μελάσα), θα γίνονται πιο αργά καθώς περνούν μέσα από αυτό. Το αποτέλεσμα της "πρόσληψης" μάζας ενός σωματιδίου από το πεδίο είναι η παρεμπόδιση της ικανότητάς του να ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός.
Η ίδια η μάζα δεν παράγεται από το πεδίο Higgs- η πράξη της δημιουργίας ύλης ή ενέργειας από το τίποτα θα παραβίαζε τους νόμους διατήρησης. Η μάζα, ωστόσο, αποκτάται από τα σωματίδια μέσω των αλληλεπιδράσεων του πεδίου Higgs με το μποζόνιο Higgs. Τα μποζόνια Higgs περιέχουν τη σχετική μάζα με τη μορφή ενέργειας και μόλις το πεδίο προικίσει ένα πρώην άμαζο σωματίδιο, το εν λόγω σωματίδιο θα επιβραδυνθεί καθώς έχει πλέον γίνει "βαρύ".
Αν το πεδίο Higgs δεν υπήρχε, τα σωματίδια δεν θα είχαν τη μάζα που απαιτείται για να έλκουν το ένα το άλλο και θα αιωρούνταν ελεύθερα με ταχύτητα φωτός. Επίσης, η βαρύτητα δεν θα υπήρχε, επειδή δεν θα υπήρχε μάζα για να προσελκύσει άλλη μάζα.
Η απόδοση μάζας σε ένα αντικείμενο αναφέρεται ως το φαινόμενο Higgs. Αυτό το φαινόμενο μεταφέρει μάζα ή ενέργεια σε οποιοδήποτε σωματίδιο το οποίο περνάει από αυτό. Το φως που το διαπερνά αποκτά ενέργεια, όχι μάζα, επειδή η κυματική του μορφή δεν έχει μάζα, ενώ η σωματιδιακή του μορφή ταξιδεύει συνεχώς με την ταχύτητα του φωτός.
Εικόνα από υπολογιστή μιας αλληλεπίδρασης Higgs
Το φαινόμενο Higgs
Το φαινόμενο Higgs θεωρητικοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1968 από τους συγγραφείς των άρθρων PRL για το σπάσιμο της συμμετρίας. Το 1964, τρεις ομάδες έγραψαν επιστημονικές εργασίες που πρότειναν συναφείς αλλά διαφορετικές προσεγγίσεις για να εξηγήσουν πώς θα μπορούσε να προκύψει η μάζα στις τοπικές θεωρίες μετρητών.
Το 2013 το μποζόνιο Χιγκς, και εμμέσως το φαινόμενο Χιγκς, αποδείχθηκε προσωρινά στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (και το μποζόνιο Χιγκς ανακαλύφθηκε στις 4 Ιουλίου 2012). Το φαινόμενο θεωρήθηκε ως η εύρεση ενός χαμένου κομματιού του Καθιερωμένου Προτύπου.
Σύμφωνα με τη θεωρία των μετρητών (τη θεωρία που διέπει το Καθιερωμένο Πρότυπο), όλα τα σωματίδια που μεταφέρουν δυνάμεις θα έπρεπε να είναι χωρίς μάζα. Ωστόσο, τα σωματίδια δύναμης που μεσολαβούν στην ασθενή δύναμη έχουν μάζα. Αυτό οφείλεται στο φαινόμενο Higgs, το οποίο σπάει τη συμμετρία SU(2)- (SU σημαίνει ειδική μοναδιαία, ένας τύπος πίνακα, και το 2 αναφέρεται στο μέγεθος των εμπλεκόμενων πινάκων).
Η συμμετρία ενός συστήματος είναι μια πράξη που γίνεται σε ένα σύστημα, όπως η περιστροφή ή η μετατόπιση, η οποία αφήνει το σύστημα θεμελιωδώς αμετάβλητο. Μια συμμετρία παρέχει επίσης έναν κανόνα για το πώς θα πρέπει πάντα να ενεργεί κάτι, εκτός αν ασκείται από μια εξωτερική δύναμη. Ένα παράδειγμα είναι ο κύβος του Ρούμπικ. Αν πάρουμε έναν κύβο του Ρούμπικ και τον ανακατέψουμε κάνοντας όποιες κινήσεις θέλουμε, εξακολουθεί να είναι δυνατή η επίλυσή του. Δεδομένου ότι κάθε κίνηση που κάνουμε εξακολουθεί να αφήνει τον κύβο του Ρούμπικ επιλύσιμο, μπορούμε να πούμε ότι αυτές οι κινήσεις είναι "συμμετρίες" του κύβου του Ρούμπικ. Μαζί, σχηματίζουν αυτό που ονομάζουμε ομάδα συμμετρίας του κύβου του Ρούμπικ. Κάνοντας οποιαδήποτε από αυτές τις κινήσεις δεν αλλάζει το παζλ, αφήνοντάς το πάντα επιλύσιμο. Αλλά, μπορούμε να σπάσουμε αυτή τη συμμετρία κάνοντας κάτι σαν να διαλύουμε τον κύβο και να τον ξανασυναρμολογούμε με εντελώς λάθος τρόπο. Όποιες κινήσεις και αν δοκιμάσουμε τώρα, δεν είναι δυνατόν να λύσουμε τον κύβο. Το να διαλύσουμε τον κύβο και να τον ξανασυναρμολογήσουμε με λάθος τρόπο είναι η "εξωτερική δύναμη": Χωρίς αυτή την εξωτερική δύναμη, τίποτα από όσα κάνουμε στον κύβο δεν τον καθιστά άλυτο. Η συμμετρία του κύβου του Ρούμπικ είναι ότι παραμένει επιλύσιμος όποιες κινήσεις κι αν κάνουμε, αρκεί να μην διαλύσουμε τον κύβο.
Δημιουργία του μποζονίου Higgs
Ο τρόπος με τον οποίο σπάει η συμμετρία SU(2) είναι γνωστός ως "αυθόρμητο σπάσιμο της συμμετρίας". Αυθόρμητο σημαίνει τυχαίο ή απροσδόκητο, οι συμμετρίες είναι οι κανόνες που αλλάζουν και το σπάσιμο αναφέρεται στο γεγονός ότι οι συμμετρίες δεν είναι πλέον οι ίδιες. Το αποτέλεσμα του αυθόρμητου σπασίματος της συμμετρίας SU(2) μπορεί να είναι ένα μποζόνιο Higgs.
Αιτία για το φαινόμενο Higgs
Το φαινόμενο Higgs εμφανίζεται επειδή η φύση "τείνει" προς τη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Το φαινόμενο Higgs θα συμβεί επειδή τα μποζόνια μέτρου κοντά σε ένα πεδίο Higgs θα θέλουν να βρίσκονται στις χαμηλότερες ενεργειακές τους καταστάσεις, και αυτό θα έσπαγε τουλάχιστον μία συμμετρία.
Για να δικαιολογήσουν την απόδοση μάζας σε ένα υποτιθέμενο σωματίδιο χωρίς μάζα, οι επιστήμονες αναγκάστηκαν να κάνουν κάτι ασυνήθιστο. Υπέθεσαν ότι το κενό (ο κενός χώρος) είχε στην πραγματικότητα ενέργεια και ότι, με αυτόν τον τρόπο, αν εισερχόταν σε αυτό ένα σωματίδιο που θεωρούμε ως άμαζο, η ενέργεια από το κενό θα μεταφερόταν στο σωματίδιο αυτό, δίνοντάς του μάζα. Ένας μαθηματικός ονόματι Jeffrey Goldstone απέδειξε ότι αν παραβιάσετε μια συμμετρία, (για παράδειγμα, μια συμμετρία με έναν κύβο του Ρούμπικ θα ήταν αν δηλώνατε ότι οι γωνίες πρέπει πάντα να περιστρέφονται 0 ή 3 φορές για να είναι επιλύσιμες (αυτό λειτουργεί)), θα προκύψει μια αντίδραση. Στην περίπτωση του κύβου του Ρούμπικ, ο κύβος θα γίνει άλυτος αν παραβιαστεί. Στην περίπτωση του πεδίου Higgs, παράγεται κάτι που πήρε το όνομά του από τον Jeffrey Goldstone (και έναν άλλο επιστήμονα που συνεργάστηκε μαζί του με το όνομα Yoichiro Nambu), ένα μποζόνιο Nambu-Goldstone. Πρόκειται για μια διεγερμένη ή ενεργητική μορφή του κενού, η οποία μπορεί να γραφτεί με γραφήματα που αποκαλύπτουν αυτό που φαίνεται παραπάνω. Αυτό εξηγήθηκε για πρώτη φορά από τον Peter Higgs.
Το λεγόμενο "Mexican Hat Potential"
Ερωτήσεις και απαντήσεις
Ερ: Τι είναι το πεδίο Χιγκς;
A: Το πεδίο Higgs είναι ένα πεδίο ενέργειας που πιστεύεται ότι υπάρχει σε κάθε περιοχή του σύμπαντος.
Ερ: Ποιο είναι το θεμελιώδες σωματίδιο που σχετίζεται με το πεδίο Χιγκς;
A: Το θεμελιώδες σωματίδιο που σχετίζεται με το πεδίο Higgs είναι το μποζόνιο Higgs.
Ερ: Τι συμβαίνει όταν σωματίδια αλληλεπιδρούν με το πεδίο Higgs;
Α: Στα σωματίδια που αλληλεπιδρούν με το πεδίο Higgs "δίνεται" μάζα και γίνονται πιο αργά καθώς περνούν μέσα από αυτό.
Ερ: Το πεδίο Higgs παράγει μάζα;
Α: Όχι, το πεδίο Higgs δεν παράγει μάζα. Τα σωματίδια αποκτούν μάζα μέσω των αλληλεπιδράσεών τους με το μποζόνιο Higgs.
Ερ: Ποιο είναι το αποτέλεσμα ενός σωματιδίου που κερδίζει μάζα από το πεδίο Higgs;
Α: Το αποτέλεσμα της απόκτησης μάζας ενός σωματιδίου από το πεδίο Higgs είναι η παρεμπόδιση της ικανότητάς του να ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός.
Ερ: Τι θα συνέβαινε αν το πεδίο Higgs δεν υπήρχε;
Α: Αν το πεδίο Higgs δεν υπήρχε, τα σωματίδια δεν θα είχαν τη μάζα που απαιτείται για να έλκουν το ένα το άλλο και θα αιωρούνταν ελεύθερα με ταχύτητα φωτός.
Ε: Τι είναι το φαινόμενο Higgs;
Α: Το φαινόμενο Higgs αναφέρεται στη διαδικασία απόδοσης μάζας σε ένα αντικείμενο, η οποία συμβαίνει όταν τα σωματίδια διέρχονται από το πεδίο Higgs και αλληλεπιδρούν με το μποζόνιο Higgs.
