Higgsov bozón

Higgsov bozón alebo Higgsova častica (v médiách ľudovo božská častica či Božská častica) je hmotná skalárna elementárna častica vystupujúca zásadným spôsobom v opise Higgsovho mechanizmu, ktorý je integrálnou súčasťou štandardného modelu častíc. 
Higgsov mechanizmus teoreticky opisuje spôsob, akým elementárne častice nadobúdajú hmotnosť. Jeho hlavnou prednosťou je teoretické vysvetlenie rozdielu v hmotností medzi nehmotným fotónom a veľmi hmotnými bozónmi W a Z. Štandardný model častíc predpovedá nulový spin Higgsovho bozónu. Naopak hmotnosť Higgsovho bozónu predstavuje v štandardnom modeli voľný parameter, ktorý musí byť určený experimentálne. 
Higgsov bozón je experimentálne objavená častica štandardného modelu. Objavili ho dňa 4. júla 2012 nezávisle tímy CMS a ATLAS. Vlastnosti tohto bozónu boli doposiaľ (december 2012) konzistentné s vlastnosťami predpovedanými pre Higgsov bozón spadajúci do štandardného modelu.
Vlastnosti.
Higgsov bozón podľa štandardného modelu časticovej fyziky nesie nulový elektrický náboj. V štandardnom modeli sa mu pripisuje nulová hodnota spinu. Štandardný model opisuje už iba bozóny (častice majúce celočíselný spin) s vyšším spinom. V prípade fotónu, W a Z bozónov a gluónov je experimentálne potvrdený spin 1, čo tieto bozóny zaraďuje medzi vektorové bozóny. 
Štandardný model časticovej fyziky nepredpovedá presnú hodnotu hmotnosti Higgsovho bozónu. Ako voľný parameter teórie musí byť preto určená experimentálne. Súčasné experimenty CMS a ATLAS zúžili pravdepodobný interval na 125 až 127 GeV/c2 s konfidenčnou úrovňou 5 sigma.
Higgsov bozón je asociovaný s Higgsovým poľom (Higgsovo pole tvorí viac Higgsových bozónov pri sebe), pričom zodpovedá určitej kvantovo-mechanickej excitácii tohto poľa. Teória predpokladá nenulovú hodnotu Higgsovho poľa vo vákuu, čím by dochádzalo k spontánnemu narušeniu rotačnej symetrie vákua. Elementárne častice následne môžu interagovať s nenulovým Higgsovým poľom. Sila väzby danej elementárnej častice na Higgsovo pole je veľmi špecifická a závisí od druhu elementárnej častice. To sa následne prejavuje v rozdielnych hodnotách hmotností týchto častíc. Napríklad nehmotný fotón, ktorý sprostredkúva elektromagnetizmus neinteraguje s Higgsovým poľom priamo, naopak hmotné W a Z bozóny sprostredkujúce slabú interakciu sa na Higgsovo pole viažu priamo. Tento efekt sa nazýva taktiež Higgsov mechanizmus.
Existujú tiež teórie vysvetľujúce vznik hmotnosti bez postulovania Higgsovho bozónu. Bývajú označované ako Bezhiggsové modely. Relatívne argumenty nezaložené na modeloch hovoria, že akýkoľvek mechanizmus, ktorý generuje elementárne častice musí byť viditeľný pod škálou 1.4 TeV. Pokračujú taktiež experimenty vo Fermilabe, hoci jeho Tevatron akcelerátor má menší výkon; teoreticky však má nevyhnutnú energiu na produkciu Higgsovho bozónu.
Teória.
Higgsov bozón predstavuje časticu asociovanú s Higgsovým poľom. Aj v prázdnom priestore nadobúda Higgsovo pole nenulovú hodnotu, čím spontánne narušuje rotačnú symetriu vákua. Existencia nenulovej vákuovej hodnoty zároveň zohráva kľúčovú úlohu pri pohybe elementárnych častíc vo vákuu. Ak uvažovaná elementárna častica interaguje s Higgsovým poľom, potom budú nastávať takéto interakcie aj vo vákuu (vďaka nenulovej vákuovej hodnote Higgsovho poľa), čím častica efektívne nadobudne hmotnosť. Takýto mechanizmus je aplikovateľný aj na hmotnosť samotného Higgsovho bozónu. Táto teória je však v priamom rozpore s tým, ako hmotnosť častíc vysvetľuje Lennard Susskind, ktorý hovorí, že Higgs - ak sa vytvára - ovplyvňuje vákuum len podobne ako zvukové či kompresné vlny, tj.že vytvára lokálne jeho dynamické zmeny, ktoré sa však hneď vyrovnávajú, v zásade Higgs podľa Susskinda nemá na hmotnosť častíc žiaden vplyv. Tá je daná výlučne vzájomným posobením femiónov - kvarkov - prostredníctvom gluónov. Ako príklad hmotnosti ktorá s Higgsom nijako nesúvisí uvádza ďalej napríklad čierne diery.
V predchádzajúcom odseku opísaný mechanizmus spontánneho narušenia elektroslabej kalibračnej symetrie pomocou nenulovej vákuovej hodnoty Higgsovho poľa sa nazýva Higgsov mechanizmus. Predstavuje zároveň najjednoduchší známy teoretický opis nadobúdania hmotnosti kalibračných bozónov, pri ktorom zostáva zachovaná kompatibilita s kalibračnými teóriami. Ako populárno-náučná analógia Higgsovho mechanizmu býva často používaný príklad pohybu drobných čiastočiek v hustých látkach, ako napríklad v melase. Na povrchu pôvodne takmer nehmotných čiastočiek sa navrstvuje táto hustá látka, čím tieto získavajú efektívne hmotnosť. Lennard Sussind naproti tomu označuje toto vysvetlenie za "lenivé" a nesprávne a hovorí, že je v zásade nezmyslom, pretože polia častice nijako nespomaľujú (pozrieť jeho prednášku uvedenú v časti blog).
V Štandardnom modeli Higgsovo pole pozostáva z dvoch neutrálnych a dvoch nabitých komponentov polí. Ako nabité komponenty tak aj neutrálne polia sú Goldstoneovými bozónmi, ktoré sú zároveň komponentami hmotných W+, W–, a Z bozónov. Kvantum zostávajúceho neutrálneho komponentu korešponduje s hmotným Higgsovým bozónom. Keďže Higgsovo pole je skalárne pole, Higgsov bozón má nulový spin a preto aj nulovú vnútornú uhlovú hybnosť. Higgsov bozón je rovnako svojou vlastnou antičasticou a jeho CP-parita je párna.
Štandardný model nepredpovedá presnú hmotnosť Higgsovho bozónu. Ak táto hmotnosť je medzi 115 a 180 GeV/c2, potom štandardný model môže byť platný pri energetickej škále až po Planckovu konštantu (1016 TeV). Mnoho teoretikov očakáva, že sa objaví nová fyzika prekonávajúca štandardný model a to na škále TeV, pretože štandardný model nemá dostatočný aparát-vlastnosti. Najvyššia dovolená hmotnostná škála pre Higgsov bozón je 1.4 TeV; za touto hranicou sa štandardný model stáva s takýmto mechanizmom nekonzistentný, pretože jednotnosť je porušená istými procesmi na určitej úrovni rozdelenia. Mnoho modelov supersymetrie predpovedá, že najľahší Higgsov bozón (z niektorých) bude mať hmotnosť len o niečo vyššiu ako sú súčasné experimentálne limity, na úrovni približne 120 GeV alebo menej.
Supersymetrické rozšírenia štandardného modelu (tzv. SUSY) predpovedajú existenciu celých rodín Higgsových bozónov, v protiklade k jedinej Higgsovej častici štandardného modelu. Spomedzi SUSY modelov, v Minimálnom supersymetrickom rozšírení (MSSM) poskytuje Higgsov mechanizmus najmenší počet Higgsových bozónov: existujú dva Higgsove dublety, vedúce k existencii kvintetu skalárnych častíc: dva neutrálne Higgsove bozóny h a H s párnou CP-paritou , CP-nepárny neutrálny Higgsov bozón A a dve nabité Higgsove častice H±.
Existuje vyše 100 teoretických predpovedí Higgsovej hmotnosti.
Teoretický výskum.
Higgsov (alebo "Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibbleov") mechanizmus popisuje spôsob, akým vektorové bozóny môžu získať hmotnosť. Bol navrhnutý v roku 1964 nezávisle a takmer súčasne troma skupinami fyzikov: François Englert, Robert Brout; Peter Higgs (ktoré boli inšpirované myšlienkami Philipa Andersona); a Gerald Guralnik, C. R. Hagen a T. W. B. Kibble.
Tri výskumné práce napísané pri tomto objave boli uznané ako míľniky počas osláv 50. výročia "Physical Review Letters". Kým všetky mali podobný prístup, rozdielne príspevky medzi nimi stoja za zmienku. Týchto šesť fyzikov bolo taktiež ocenených v roku 2010 cenou J. J. Sakuraia za teoretickú časticovú fyziku. 
Steven Weinberg a Abdus Salam ako prví aplikovali Higgsov mechanizmus pri popise narušenia elektroslabej symetrie. Tento mechanizmus nielen vysvetľuje ako vektorové bozóny zodpovedné za zprostredkovanie elektroslabej interakcie získavajú hmotnosť; taktiež predpovedá pomer hmotností W bozónov a Z bozónov, ako aj ich interakcie navzájom a s ďalšími časticami štandardného modelu. Mnoho z týchto predpovedí bolo verifikovaných presnými meraniami na urýchľovačoch LEP a SLC, naznačujúc tak realizáciu určitého druhu Higgsovho mechanizmu v prírode.
Z troch počiatočných prác o Higgsovom mechanizme iba práca Petra Higgsa obsahovala, aj to až v záverečnej vete, zmienku o možnej existencii Higgsovho bozónu. Peter Higgs túto vetu pridal pri revidovaní prace po jej odmietnutí zo strany Physics Letters. Následne poslal túto prácu do Physical Review Letters, kde bola publikovaná v roku 1964. Neskôr, v roku 1966, publikoval detailný popis vlastností Higgsovho bozónu.
Existenca Higgsovho bozónu nie je striktne nevyhnutným dôsledkom Higgsovho mechanizmu: Higgsov bozón existuje v niektorých, ale nie vo všetkých teóriách, ktoré používajú Higgsov mechanizmus. Napríklad, Higgsov bozón existuje v štandardnom modeli a minimálnom supersymetrickom štandardnom modeli. Ale neočakáva sa v Technikolorových modeloch alebo, všeobecnejšie, BezHiggsových modeloch. Všetky z týchto modelov realizujú rôzne formy Higgsovho mechanizmu. Jedným z hlavných cieľov experimentov LHC je rozlíšenie medzi týmito modelmi a zistenie, či Higgsov bozón existuje.
Experimentálny výskum.
Neexistujúca teoretická predikcia hmotnosti Higgsovho bozónu vyžaduje systematické preskúmanie veľkého množstva experimentálnych dát. Tieto boli postupne zhromažďované experimntami LEP, CDF a DØ, v súčasnosti (december 2012) prebiehaju experimenty na LHC v CERNe. Experimentálny objav Higgsovho bozónu nebol doteraz (december 2012) oficiálne oznámený. Dňa 4. júla 2012 bol ale oznámený objav doteraz neznámeho bozónu o hmotnosti 125 až 127 GeV/c2 s konfidenčným levelom 5 sigma a s vlastnosťami konzistentnými s teoretickými predpoveďami o Higgsovom bozóne podľa štandardného modelu.
Z dôvodu neexistujúcej teoretickej predikcie hmotnosti Higgsovho bozónu bolo zbieranie experimentálnych dát prevádzané tak, aby bola systematicky pokrytá celá experimentálne prístupná škála možných hmotností. Tieto dáta boli postupne zbierané pomocou urýchľovačov na už ukončených experimentoch LEP v CERNe a experimentoch CDF a DØ vo Fermilabe. Systematický výskum Higgsovo bozónu prebieha v súčasnosti už iba na urýchľovači LHC v CERNe. 
Systematické skúmanie Higgsovho bozónu sa uskutočnilo prvýkrát na urýchľovači LEP v CERNe. Na základe ním zozbieraných dát bola vylúčená existencia Higgsovho bozónu s hmotnosťou menšou ako 114.4 GeV (stanovený bol 95% interval spoľahlivosti). Na tom istom experimente bol taktiež pozorovaný malý počet udalostí, ktoré mohli byť interpretované ako dôsledok existencie Higgsovho bozónu s hmotnosťou len tesne nad experimentálne dostupnou hmotnosťou približne 115 GeV. Nedostatočný počet týchto udalostí však neumožňoval vyvodenie štatisticky dostatočne spoľahlivých záverov. Experimenty na urýchľovači LEP boli ukončené v r. 2000, kedy začali prípravy na stavbu výkonnejšieho urýchľovača známeho ako Veľký hadrónový urýchľovač.
Skúmaním existencie Higgsovho bozónu sa po nevyhnutných úpravách zaoberal taktiež urýchľovač Tevatron vo Fermilabe. Experimentálne dáta zozbierané experimentmi CDF a DØ umožnili v júli 2010 vylúčiť existenciu Higgsovho bozónu s hmotnosťou v intervale 158 GeV/c2 až 175 GeV/c2 (95%-ný interval spoľahlivosti). Predbežné výsledky z júla 2011 zväčšili zakázaný rozsah na oblasť 156 GeV/c2 až 177 GeV/c2 (90%-ný stupeň spoľahlivosti). Experimenty na Tevatrone boli pozastavené 30. septembra 2011 z dôvodu škrtov v rozpočte.
Zatiaľ posledným experimentom zaoberajúcim sa priamo určením hmotnosti Higgsovho bozónu je LHC v CERNe. Po počiatočných problémoch bol 30. marca 2011 spustený zber a analýza dát pri energiách 3.5 TeV. Z dát nazbieraných experimentom ATLAS vyplynula v júli 2011 neexistencia Higgsovho bozónu o hmotnosti 155 GeV/c2 až 190 GeV/c2[26], experiment CMS vylúčil interval 149 GeV/c2 až 206 GeV/c2 (dosiahnutý bol 95%-ný stupeň spoľahlivosti). Zatiaľ posledné výrazné zúženie prípustných hodnôt hmotnosti Higgsovho bozónu bolo prezentované na verejnom seminári v CERNe dňa 13. 12. 2011. Na základe údajov získaných experimentom ATLAS bol posledný zostávajúci a zatiaľ dostatočne nepreskúmaný rozsah hmotnosti stanovený na 115 GeV/c2 až 130 GeV/c2 (konfidenčný level 3.6 sigma). Podobný rozsah bol potvrdený aj experimentom CMS, ktorý pripúšťa oblasť 117–127 GeV/c2 (konfidenčný level 2.6). Na seminári boli taktiež prezentované výsledky naznačujúce existenciu Higgsovho bozónu o hmotnosti 124 GeV (CMS), prípadne 125-126 GeV (ATLAS). Objavenie Higgsovho bozónu však nebolo oficiálne oznámené.
Je zrejme tiež možné odhadovať hmotnosť Higgsovho bozónu nepriamo. V štandardnom modeli má Higgsov bozón množstvo nepriamych efektov; napríklad hlavne to, že Higgsova slučka má za následok jemné korekcie hmotnosti W a Z bozónov. Presné merania elektroslabých parametrov ako napríklad Fermiho konštanty a hmotností W/Z bozónov môžu byť použité na obmedzenie hmotnosti Higgsa. Do r. 2006 merania elektroslabých javov dovoľovali vylúčenie Higgsovho bozónu z rozsahu hmotnosti nad pri 95%-nom konfidenčnom intervale, a odhad jeho hmotnosti na (centrálna hodnota korešponduje približne 138 protónovým hmotnostiam). Do augusta 2009 je štandardný model Higgsovho bozónu vylúčený elektroslabými meraniami nad 186 GeV pri 95%-nom konfidenčnom intervale. Ale je potrebné poznamenať, že tieto nepriame obmedzenia indikujú správnosť štandardného modelu. Ešte stále je možné objaviť Higgsov bozón nad 186 GeV, ak bude sprevádzaný inými časticami medzi škálami štandardného modelu a Veľkej unifikačnej teórie-GUT.
Niektorí vedci tiež tvrdia, že už existujú potenciálne dôkazy, ale do súčasnosti žiaden takýto "dôkaz" nepresvedčil komunitu fyzikov.
V r. 2009 v náčrte bolo uvedené (a oznámené pod titulkami ako "Higgs by sa mohol objaviť v kolíziách tmavej hmoty"), že Higgsov bozón by nemusel interagovať len s vyššie uvedenými časticami štandardného modelu časticovej fyziky, ale taktiež so záhadnými Slabo interagujúcimi hmotnými časticami WIMPami Tmavej hmoty, čo hrá veľmi dôležitú úlohu v súčasnej astrofyzike. V tomto prípade je prirodzené upraviť Feynmanove diagramy podmienkami reprezentujúcimi takéto interakcie.
V princípe, vzťah medzi Higgsovou časticiou a Tmavou hmotou by nebol neočakávaný keďže:
Ale "tmavá hmota" je metonymom pre diskrepanciu medzi očividne pozorovanou hmotou vo vesmíre a tým, čo hovorí štandardný model a nie je komponentom žiadnej známej teórie vo fyzike. V dôsledku toho je užitočnosť tejto námietky obmedzená.
Keďže v súčasnosti napriek veľkému úsiliu nedošlo k objavu, je možné, že kým LHC nazbiera dostatok údajov, uplynie ešte dosť dlhá doba, aby vedci mohli skutočne s istotou povedať, že Higgsov bozón neexistuje.
Alternatívy pre narušenie elektroslabej symetrie.
V rokoch nasledujúcich po formulovaní pôvodnej teórie Higgsovho mechanizmu bolo navrhnutých niekoľko alternatív vysvetľujúcich narušenie elektroslabej symetrie. Všetky používajú silne interagujúcu dynamiku na vyprodukovanie nenulovej vákuovej hodnoty, ktorá narušuje elektroslabú symetriu. Čiastočný zoznam týchto alternatívnych mechanizmov:
"Božská častica".
Higgsov bozón sa v médiách často spomína ako "Božská častica" (príp. Božia častica), podľa názvu knihy Leona Ledermana, "". Pôvodne sa kniha mala volať "The Goddamn Particle", kvôli problémom, ktoré častica do sveta fyziky so sebou priniesla. Vydavateľstvo to však okamžite zavrhlo. Kým použitie tohto termínu prispelo k zvýšenému záujmu médií o časticovú fyziku, mnoho vedcov to spochybňuje, pretože preháňa význam tejto častice; napríklad už len preto, že jej objav stále vyvoláva nezodpovedané otázky o unifikácii kvantovej chromodynamiky, elektroslabej interakcie a gravitácie a finálneho pôvodu vesmíru.