U svijetu moderne fizike, rijetko koja čestica izaziva toliko interesa kao Higgs boson. Kako bi se razumjelo zašto je ova čestica toliko posebna, nužno je zaroniti u kvantni svijet i istražiti kako čestice međusobno komuniciraju. Higgs boson se prvi put pojavio u znanstvenom radu koji je 1964. godine napisao Peter Higgs, u vrijeme kada su fizičari pokušavali opisati slabu nuklearnu silu – jednu od četiri fundamentalne sile prirode – koristeći okvir poznat kao kvantna teorija polja.
Kvantna teorija polja: Čestica, val ili oboje?
Kvantna teorija polja opisuje mikroskopski svijet čestica na način koji se bitno razlikuje od naše svakodnevice. Fundamentalna kvantna polja ispunjavaju svemir i određuju što priroda može, a što ne može učiniti. U ovom opisu, svaka se čestica može prikazati kao val u određenom polju, slično kao valovi na površini golemog oceana. Primjer za to je foton, čestica svjetlosti, koji je zapravo val u elektromagnetskom polju.
Prijenosnici sila i simetrija
Kada čestice međusobno djeluju, one razmjenjuju tzv. prijenosnike sila. Ti prijenosnici su također čestice i mogu se opisati kao valovi u svojim poljima. Primjerice, kada dva elektrona međusobno djeluju, oni to čine razmjenom fotona. Uz to, važna komponenta ove slike je simetrija. Baš kao što se oblik smatra simetričnim ako se ne mijenja pri rotaciji ili zrcaljenju, slični zahtjevi postavljeni su i pred zakone prirode. Simetrije čine temelj i definiraju strukturu teorije.
Brout-Englert-Higgs mehanizam
Kvantna teorija polja već je činila osnovu kvantne elektrodinamike, iznimno uspješnog opisa elektromagnetske interakcije. Međutim, primjena sličnog pristupa na slabu interakciju nije bila moguća zbog fundamentalnog problema: teorija nije dopuštala da čestice imaju masu. Konkretno, nositelji slabe sile, poznati kao W i Z bozoni, morali su biti bez mase, jer bi u suprotnom fundamentalna simetrija teorije bila narušena, što bi je učinilo nefunkcionalnom. To je predstavljalo velik problem jer su nositelji slabe sile morali imati masu kako bi bili u skladu s vrlo kratkim dosegom slabe interakcije.
Rješenje je pronađeno u Brout-Englert-Higgs mehanizmu. Ovaj mehanizam ima dvije glavne komponente: potpuno novo kvantno polje i poseban trik. Novo polje nazivamo Higgs polje, a trik je spontano narušavanje simetrije. Spontano narušena simetrija prisutna je u jednadžbama teorije, ali je narušena u samom fizičkom sustavu. Zamislite olovku koja stoji na vrhu u središtu stola; to je savršeno simetrična situacija, ali samo na trenutak, jer će olovka pasti i odabrati jedan smjer, narušavajući rotacijsku simetriju.
Uloga Higgs bozona u svemiru
Kada je svemir nastao, bio je ispunjen Higgs poljem u nestabilnom, ali simetričnom stanju. Djelić sekunde nakon Velikog praska, polje je pronašlo stabilnu konfiguraciju koja je narušila početnu simetriju. U toj konfiguraciji, jednadžbe ostaju simetrične, ali narušena simetrija Higgs polja omogućuje postojanje mase za W i Z bozone. Kako se kasnije pokazalo, i druge elementarne čestice dobivaju masu interakcijom s Higgs poljem.
Dakle, što je zapravo Higgs boson? Budući da se svaka čestica može prikazati kao val u kvantnom polju, uvođenje novog polja u teoriju znači da mora postojati i čestica povezana s tim poljem. Većinu svojstava te čestice predviđa sama teorija, a njezino otkriće 2012. godine pružilo je čvrste dokaze za BEH mehanizam i postojanje Higgs polja. Mjerenje svojstava Higgs bozona u detalje ključno je za istraživanje mnogih otvorenih pitanja u fizici čestica i kozmologiji, od varijacija masa elementarnih čestica do same sudbine svemira.
