Introducere

Filmul următor descrie mecanismul care face ca particulele fundamentale să aibă masă. Dacă valoarea masei electronului ar fi fost alta, atunci orbitalii din interiorul atomului ar fi avut dimensiuni diferite, iar lumea ar fi arătat cu totul altfel. Să începem prin a vorbi despre noţiunea pe care fizicienii au botezat-o "câmp".

Ideea clasică de "câmp"

Apare deseori nevoia de a descrie o proprietate a unui sistem fizic care poate lua valori diferite în fiecare punct al spaţiului, cum este cazul cu temperatura aerului sau viteza vântului sau ca în cazul tăriei şi direcţiei vreunei forţe asemenea câmpului magnetic al Pământului.

Există doar patru forţe fundamentale cunoscute şi toate sunt descrise de aşa-numite "câmpuri" definite prin tărie şi direcţie în fiecare punct al spaţiului. Trebuie menţionat că un asemenea "câmp" asociat unei forţe are corespondent în realitate. Nu este doar un număr asociat fiecărui punct în spaţiu. Câmpul are corespondent în realitatea fizică. Aşa cum spunea John Archibald Wheeler, el “ocupă spaţiul". Conţine energie. Prezenţa sa exclude posibilitatea existenţei unui vid ideal.” Mai mult, folosind cuvintele lui Feynman, câmpul “creează o anume stare în spaţiu.” În fizica clasică aceste câmpuri erau adesea vizualizate mental ca fiind entităţi continue, care îşi schimbau valoarea în mod continuu.

"Câmpul" în mecanica cuantică

Numai că mecanica cuantică exclude noţiunea continuităţii. Astfel că, în context cuantic, câmpul ia forma distribuţiei unor "particule de câmp" minuscule. Tăria câmpului într-un anumit punct este dată tocmai de densitatea (cantitatea) de "particule de câmp" în acel punct.

Aceste particule se numesc particule virtuale, pentru că, pentru a putea exista, încalcă legile de conservare a energiei pentru momente de timp extrem de scurte. Ele există deoarece asemenea fluctuaţii energetice sunt permise în contextul principiului incertitudinii al lui Heisenberg. Doar că, din cauza aceluiaşi principiu, ele trebuie să şi dispară foarte repede.

În cazul câmpurilor precum cele electrice şi magnetice, aceste particule de câmp se numesc bosoni gauge. Ele reprezintă realitatea fizică despre care Wheeler spunea că “ocupă spaţiul”. Deşi bosonii gauge există ca particule virtuale atunci când apar ca urmare a încălcării legii de conservare a energiei, ei pot exista şi ca particule reale, supunându-se legilor de conservare a energiei.

Câmpul Higgs

Majoritatea câmpurilor sunt generate de o anumită sursă. Un câmp electric este generat de o sarcină electrică. Dacă sursa dispare, valoarea câmpului devine nulă, iar "starea din spaţiu" de care vorbea Feynman dispare. Din acest punct de vedere câmpul Higgs este diferit. El are o valoare - corespondentă unei realităţi de natură fizică - în fiecare punct al spaţiului,  chiar dacă nu există o sursă care să îl genereze. Asta înseamnă că vidul, aşa cum îl gândim noi, oamenii, nu există niciunde în spaţiul cosmic. Tot spaţiul cosmic este "îmbibat" de câmpul Higgs, întotdeauna şi oriunde.

Bosonul Higgs

Şi, conform mecanicii cuantice, acest lucru înseamnă că trebuie să existe şi o particulă asociată acestui tip de câmp. Aceasta este bosonul Higgs. Bosonii Higgs virtuali sunt cuantele câmpului Higgs, iar aceştia interacţionează cu toate particulele fundamentale, cu excepţia fotonului, gravitonului şi gluonului. Tăria interacţiunii dintre bosonul Higgs şi fiecare dintre particulele fundamentale  este strâns legată de valoarea masei de repaus a acelei particule. Şi cum quarcul top are cea mai mare masă de repaus,  asta înseamnă şi că el interacţionează cel mai puternic cu bosonul Higgs. Electronul este de 300,000 mai uşor decât quarcul top, deci interacţiunea sa cu câmpul Higgs este mult mai mică. Iar neutrino, cu o masă aproape nulă, are doar o interacţiune extrem de slabă cu bosonii Higgs.

Cum apare masa?

Din moment ce câmpul Higgs există pretutindeni, orice particulă care interacţionează cu câmpul Higgs, interacţionează cu el oriunde şi în orice moment. Particulele Higgs acţionează asemenea unei substanţe vâscoase care reprezintă o piedică în calea altor particule şi tocmai această "rezistenţă" este responsabilă pentru producerea masei.

Putem detecta o particulă Higgs?

Pentru a putea detecta un boson Higgs în laborator, trebuie să creăm unul real în loc de unul virtual. Acest lucru se poate realiza prin ciocnirea particulelor cu antiparticule pentru a genera energii de valori foarte ridicate. În urma acestor interacţiuni rezultă produşi secundari ai dezintegrărilor subatomice  care pot reprezenta indicii ale faptului că a fost creat un boson Higgs.

Câte tipuri de câmp Higgs există?

Se estimează că ar exista cinci tipuri de câmp Higgs - fiecare cu un boson Higgs asociat. Şi, cu puţin noroc, în următorii ani oamenii de ştiinţă vor descoperi câţi sunt cu adevărat şi cât de masivi sunt aceştia.

Particula Higgs

S-a discutat mult pe tema particulei lui Dumnezeu, cu prilejul deschiderii celui mai mare accelerator de particule, situat la Cern, Elveţia. Deşi numită "a lui Dumnezeu", această particulă, odată descoperită, nu va dovedi însă existenţa lui Dumnezeu. Mai degrabă, aş spune, dimpotrivă.

Bosonul Higgs este o particulă – deocamdată ipotetică – ce, dacă s-ar dovedi că există, ar asigura mecanismul prin care particulele îşi obţin masa. Acesta a fost numit particula lui Dumnezeu de către laureatul premiului Nobel Leon Lederman. Opinia lui Peter Higgs (cel care a propus teoria existenţei particulei Higgs) apropo de numirea de către Lederman a particulei Higss drept particula lui Dumnezeu a fost: "He wanted to refer to it as that 'goddamn particle' and his editor wouldn't let him.". În momentul de faţă Modelul Standard, teoria care explică modul în care interacţionează particulele elementare şi forţele care le guvernează, nu este complet; nu există o explicaţie pentru faptul că particulele au masă.

 

 

Peter Higgs

Peter Higgs este fizicianul britanic care a sugerat în anii '60 existenţa unei particule, denumite ulterior după numele acestuia particula Higgs, care are doar masă şi nicio

altă caracteristică, ca de exemplu sarcină.

 

 

Ştim că:-materia este constituită din molecule;-moleculele sunt formate din atomi;-atomii sunt compuşi din electroni şi nucleu;-nucleul atomic este constituit din protoni şi neutroni care au masă de aproximativ 2 mii de ori mai mare decât electronii;-protonii şi neutronii sunt constituiţi din quarcuri.Dar nu ştim cum particulele fac rost de masa pe care o au.

 

Câmpul Higgs şi bosonul Higgs

Trebuie distins între bosonul Higgs şi câmpul Higgs. Câmpul Higgs este cel care, în fapt, ar da masă tuturor particulelor. Toate particulele călătoresc prin acest câmp Higgs. În urma interacţiunii dintre particule şi câmpul Higgs, particule obţin masă.Teoria lui Higgs prezice faptul că un câmp Higgs ar fi prezent pretutindeni în Univers, iar particulele ce-l parcurg ar crea o mică distorsiune a spaţiului care ar coincide şi cu obţinerea de masă de către particule (aşa cum trecerea unui electron printr-o matrice de atomi încărcată pozitiv a unui solid duce la creşterea masei electronului cu până la 40 de ori) .

De asemenea, teoria spune că imediat după Big Bang particulele nu aveau masă. Dar odată cu răcirea universului post-Big Bang, un câmp, câmpul Higgs, a luat naştere. Masa pe care particulele o obţin prin interacţiunea cu acest câmp depinde de nivelul de interacţiune dintre acestea; prin urmare, particulele care nu interacţionează cu acest câmp, ca de exemplu fotonul, nu au masă.

Câmpul Higgs nu este considerat o forţă; acesta nu accelerează particule, nu transferă energie. Bosonul Higgs este o particulă care îşi obţine masa ca şi oricare altă particulă cu masă, în urma interacţiunii cu câmpul Higgs. Particula Higgs interacţionează în diferite feluri cu celelalte particule. Particula Higgs este extrem de importantă pentru faptul că cercetătorii nu pot proba existenţa directă a câmpului Higgs, ci a particulei Higgs, care odată descoperită, indirect, ar dovedi existenţa câmpului Higgs.

Particula Higgs este considerată o purtătoare de forţă, aşa cum alte particule sunt purtătoare de forţă: fotonii pentru forţa electromagnetică, gluonii pentru forţa tare ori bosonii slabi (W+, W- şi Z0) pentru forţa slabă. Bosonii Higgs interacţionează cu

toate particulele, mai puţin cele fără masă. Neutrino, cea mai uşoară particulă, cu masa aproape zero, interacţionează foarte puţin cu bosonul Higgs.

 

Imaginea este o simulare a CERN descriind apariţia unei particule Higgs în urma coliziunii a doi protoni.

Sursa: http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/

Odată creată, particula Higgs s-ar descompune foarte repede. Se consideră că deşi interacţionează cu toate particulele cu masă, bosonul Higgs ar avea o preferinţă să interacţioneze cu particulele cele mai grele, cum ar fi quarcul top. Ştiindu-se acest lucru, oamenii de ştiinţă se aşteaptă să obţină, la Fermilab ori la acceleratorul de

particule de la Cern (Large Hadron Collider), confirmarea ori infirmarea existenţei particulei Higgs. Oricare ar fi rezultatul, tot un succes ar fi, întrucât o confirmare a neexistenţei particulei Higgs ar orienta cercetările în altă direcţie în căutarea cauzei masei particulelor. Se speră ca după intrarea în funcțiune la întreaga sa capacitate, LHC să ofere un răspuns cât mai curând, iar în cazul în care particula Higgs va fi descoperită, acest lucru ar întregi tabloul particulelor elementare ce formează Modelul Standard.