Higgsov bozón

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 (v prípade ak Higgsov bozón existuje). 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. Preto sa očakáva, že LHC poskytne experimentálne dôkazy, či Higgsov bozón existuje alebo nie. 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 supersymetríe 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.

"Božská častica"

Higgsov bozón sa v médiách často spomína ako "Božská častica" (príp. Božia častica), podľa názvu knihy Leona Ledermana, The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?.  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.