Bozon Higgsa znów zaskakuje fizykówCzas czytania: 4 min

Wieści ze świata nauki to cykl tekstów skupiających się na najnowszych doniesieniach naukowo-badawczych z różnorodnych dziedzin. W tekstach tych omawiane są bieżące artykuły publikowane w prestiżowych czasopismach naukowych, a także ich znaczenie dla stanu współczesnej wiedzy. Powszechnie znana jest sentencja autorstwa Newtona, zgodnie z którą to, „co my wiemy, to tylko kropelka. Czego nie wiemy, to cały ocean.” Celem tekstów publikowanych w tym dziale jest przybliżenie czytelnikom właśnie tych kropelek.

Model standardowy i bozon Higgsa

Jednym z najbardziej przełomowych odkryć w fizyce w XXI wieku było empiryczne potwierdzenie istnienia bozonu Higgsa w 2013 roku. Bozon Higgsa był bowiem ostatnią cząstką fundamentalną przewidywaną przez model standardowy, czyli teorię fizyki cząstek elementarnych, powstałą na bazie odkryć z zakresu fizyki kwantowej. Model standardowy opisuje grupy cząstek niepodzielnych (nazywanych cząstkami fundamentalnymi) oraz trzy oddziaływania podstawowe (oddziaływania elektromagnetyczne, oddziaływania jądrowe słabe oraz oddziaływania jądrowe silne). W modelu standardowym zależności pomiędzy poszczególnymi elementami opisane są za pomocą relacji matematycznych. Odkrycie bozonu Higgsa w 2012 roku stanowiło przełom, ponieważ istnienie tej cząstki miało wyjaśniać między innymi to, że istnieje masa. W wyniku bowiem mechanizmu Higgsa pola kwantowe sprzęgają się z polem Higgsa, wskutek czego bezmasowe cząstki zostają obdarzone masą¹.

Niedoskonałość modelu standardowego

Choć model standardowy ma empiryczne podstawy, to jednak nie odpowiada w pełni na wszystkie pytania fizyki teoretycznej dotyczącej cząstek elementarnych. Dlatego też powstała cała gałąź fizyki teoretycznej, nazywana fizyką poza modelem standardowym, która próbuje wyjaśniać niedoskonałości modelu standardowego. Jednym z podstawowych problemów modelu standardowego jest istniejąca we Wszechświecie asymetria pomiędzy materią a antymaterią. Jak się jednak okazuje, ta asymetria może być istotna dla kształtowania fizycznych właściwości protonu².

W 2021 roku wykazano, że kiedy działaniu pola magnetycznego zostaną poddane miony, czyli jedne z niepodzielnych cząstek elementarnych, zachowują się one zupełnie inaczej niż przewiduje to model standardowy. Tego typu odkrycia najczęściej sugerują, że przyczyną takich zjawisk może być nieznana jeszcze forma energii lub materii, której nie przewiduje model standardowy³.

W maju 2023 roku na stronie CERN (Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych) został opublikowany artykuł, który omawia eksperymenty przeprowadzone w LHC (Wielkim Zderzaczu Hadronów) oraz na ich podstawie wskazuje, że bozon Higgsa nie jest cząstką niepodzielną. Artykuł opisuje bowiem rzadki przypadek rozpadu bozonu Higgsa⁴.

Jak rozpada się bozon Higgsa?

W eksperymentach przeprowadzonych w LHC wykazano, że bozon Higgsa rozpada się na bozon Z oraz foton. Neutralny elektrycznie bozon Z jest nośnikiem oddziaływań jądrowych słabych. Bozon Z razem z inną cząstką, bozonem W, poprzez pośredniczenie w oddziaływaniach jądrowych słabych, odgrywa także istotną rolę w przemianach fizykochemicznych oraz rozpadach promieniotwórczych⁵. Foton zaś jest nośnikiem siły elektromagnetycznej. Rozpad bozonu Higgsa na bozon Z i foton nie jest jednak częstym zjawiskiem, ponieważ zdarza się to w przypadku około 0,15% tych cząstek⁶.

Ważnym aspektem wspomnianych eksperymentów jest również to, że według danych z LHC, bozon Z i foton nie są bezpośrednimi produktami rozpadu bozonu Higgsa. Według badaczy rozpad bozonu Higgsa przechodzi przez stadia tzw. wirtualnych cząstek, których nie da się bezpośrednio wykryć, ponieważ pojawiają się na bardzo krótko i bardzo szybko znikają. Zdaniem badaczy, cząstki te mogą wykraczać poza model standardowy⁷.

Podsumowanie

Florencia Canelli, jedna z koordynatorek badania, zauważa: „To badanie jest potężnym sprawdzianem dla modelu standardowego”⁸.

Zaprezentowane badania dostarczają świadectw rozpadu bozonu Higgsa oraz kolejny raz wskazują na niedoskonałości modelu standardowego. Pozwalają jednak na coraz lepsze zrozumienie oddziaływań pomiędzy cząstkami, z których zbudowany jest Wszechświat.

Pamela Ferrari, współkoordynatorka eksperymentów, stwierdza: „Każda cząsteczka ma szczególny związek z bozonem Higgsa, co sprawia, że poszukiwanie rzadkich rozpadów tego bozonu ma wysoki priorytet […]. Zrobiliśmy krok naprzód w kierunku rozwiązania kolejnej zagadki bozonu Higgsa”⁹.

Bartosz Bagrowski

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ikonka cyklu: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 20.8.2023

Literatura: