Bozon Higgsa — skąd cząstki mają masę

Czym jest pole Higgsa?

Zgodnie z Modelem Standardowym całą przestrzeń wypełnia niewidzialne pole Higgsa — istnieje ono wszędzie, nawet w „pustej” próżni. Cząstki elementarne (elektrony, kwarki i inne) nieustannie z nim oddziałują, przemieszczając się przez nie tak, jak w symulacji powyżej cząstka przelatuje przez „tłum” fioletowych punktów reprezentujących pole.

Jak pole Higgsa nadaje masę?

Siłę tego oddziaływania opisuje tzw. sprzężenie Yukawy — im silniej dana cząstka „czepia się” pola Higgsa, tym trudniej ją rozpędzić lub zahamować, czyli tym większą ma masę:

gdzie $g$ to stała sprzężenia danej cząstki z polem, a $v$ — wartość oczekiwana pola Higgsa w próżni (stała, ok. 246 GeV). Fotony w ogóle nie oddziałują z polem Higgsa ($g=0$) i dlatego są bezmasowe. Elektron ma bardzo małe $g$, a np. kwark top — ogromne, więc jest prawie 350 000 razy cięższy od elektronu.

Potwierdzenie w LHC — 2012 r.

Sam bozon Higgsa to kwant drgań tego pola — jego wykrycie było dowodem, że pole naprawdę istnieje. 4 lipca 2012 r. dwa niezależne eksperymenty w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN — ATLAS i CMS — ogłosiły odkrycie nowej cząstki o masie ok. 125 GeV, zgodnej z przewidywaniami dla bozonu Higgsa.

Nagroda Nobla 2013

Mechanizm nadawania masy cząstkom przez pole (dziś zwane polem Higgsa) zaproponowali teoretycznie już w 1964 r. m.in. Peter Higgs i François Englert. Po eksperymentalnym potwierdzeniu w LHC obaj otrzymali w 2013 r. Nagrodę Nobla z fizyki „za teoretyczne odkrycie mechanizmu, który pomaga zrozumieć pochodzenie masy cząstek subatomowych”.

Po co Ci to na maturze:

To rozszerzenie tematu cząstek elementarnych i Modelu Standardowego — pokazuje, skąd w ogóle bierze się masa (nie jest to „wbudowana” cecha materii, tylko efekt oddziaływania z polem) oraz jak wygląda współczesne potwierdzanie teorii fizycznych w wielkich eksperymentach (LHC, CERN).

Zapamiętaj: pole Higgsa wypełnia całą przestrzeń; im silniejsze sprzężenie cząstki z tym polem, tym większa jej masa; bozon Higgsa (kwant tego pola) odkryto w CERN w 2012 r. (ATLAS, CMS), a Englert i Higgs dostali za to Nobla w 2013 r.