ฮิกส์โบซอน

ฮิกส์โบซอน () เป็นอนุภาคมูลฐานชนิดหนึ่งที่อยู่ในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาค มันเป็นการกระตุ้นควอนตัมของ สนามฮิกส์—ซึ่งเป็นสนามพื้นฐานที่สำคัญอย่างมากต่อทฤษฎีฟิสิกส์ของอนุภาค ที่คาดว่าจะมีอยู่จริงแต่แรกในทศวรรษที่ 1960s, ที่ไม่เหมือนสนามที่เคยรู้จักอื่น ๆ เช่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้า, และใช้ค่าคงที่ที่ไม่เป็นศูนย์เกือบทุกแห่ง คำถามที่ว่าสนามฮิกส์มีอยู่จริงหรือไม่ อยู่ในส่วนที่ไม่ได้ตรวจสอบสุดท้ายของแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาคและ "ปัญหาส่วนกลางของฟิสิกส์ของอนุภาค" การปรากฏตัวของสนามนี้, ตอนนี้เชื่อว่าจะมีการยืนยัน, อธิบายคำถามที่ว่าทำไมอนุภาคมูลฐานบางตัวจึงมีมวลเมื่อ, ตามการสมมาตร (ฟิสิกส์)ที่ควบคุมปฏิสัมพันธ์ของพวกมัน, พวกมันควรจะไม่มีมวล การมีอยู่ของสนามฮิกส์จะแก้ปัญหาที่มีมานานหลายอย่างอีกด้วย เช่นเหตุผลสำหรับอันตรกิริยาอย่างอ่อนที่มีช่วงระยะทำการสั้นมาก ๆ

ถึงแม้ว่าจะมีการตั้งสมมติฐานว่าสนามฮิกส์แทรกซึมอยู่ในจักรวาลทั้งมวล หลักฐานสำหรับการดำรงอยู่ของมันได้เป็นเรื่องยากมากที่จะหาได้ ในหลักการ สนามฮิกส์สามารถตรวจพบได้โยการกระตุ้นตัวมัน เพื่อให้แสดงตัวออกมาเป็นอนุภาคฮิกส์ แต่วิธีนี้เป็นเรื่องยากมากในการทำขึ้นและตรวจสอบ ความสำคัญของคำถามพื้นฐานนี้ได้นำไปสู่​​การค้นหาถึง 40 ปี และการก่อสร้างหนึ่งของสิ่งอำนวยความสะดวกเพื่อการทดลองที่มีราคาแพงที่สุดและมีความซับซ้อนที่สุดในโลกจนถึงวันนี้ คือเครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ของเซิร์น ในความพยายามที่จะสร้างฮิกส์โบซอนและอนุภาคอื่น ๆ สำหรับการสังเกตและการศึกษา เมื่อวันที่ 4 กรกฎาคม 2012, ได้มีการประกาศการค้นพบอนุภาคใหม่ที่มีมวลระหว่าง 125 ถึง 127 GeV/c; นักฟิสิกส์สงสัยว่ามันเป็นฮิกส์โบซอน ตั้งแต่นั้นมา อนุภาคดังกล่าวแสดงออกที่จะประพฤติ, โต้ตอบ, และสลายตัวในหลาย ๆ วิธีที่ได้คาดการณ์ไว้ตามแบบจำลองมาตรฐาน นอกจากนั้นมันยังได้รับการยืนยันอย่างไม่เป็นทางการที่จะมี parity เป็น even และมีสปินเป็นศูนย์ และมีลักษณะพื้นฐาน () ของฮิกส์โบซอน 2 อย่าง นี้ดูเหมือนจะเป็นอนุภาคแบบสเกลาตัวแรกที่มีการค้นพบในธรรมชาติ การศึกษาอื่น ๆ มีความจำเป็นเพื่อตรวจสอบว่าอนุภาคที่ค้นพบใหม่นี้มีคุณสมบัติต่าง ๆ ตรงกับที่ได้มีการคาดการณ์ไว้สำหรับฮิกส์โบซอนโดยแบบจำลองมาตรฐานหรือตามที่ได้คาดการณ์โดยบางทฤษฎีว่าฮิกส์โบซอนแบบกลุ่มมีอยู่จริงหรือไม่

ฮิกส์โบซอนถูกตั้งชื่อตามปีเตอร์ ฮิกส์ ซึ่งเป็นหนึ่งในหกนักฟิสิกส์ที่ในปี 1964 ได้นำเสนอกลไกที่บ่งบอกถึงการมีอยู่ของอนุภาคดังกล่าว เมื่อวันที่ 10 ธันวาคม 2013 สองคนในนั้น, ปีเตอร์ ฮิกส์และ François Englert ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์สำหรับการทำงานและการทำนายของพวกเขา (โรเบิร์ต Brout ผู้ร่วมวิจัยของ Englert ได้เสียชีวิตในปี 2011 และรางวัลโนเบลไม่ได้ส่งให้หลังการเสียชีวิตของผู้ประพันธ์ตามปกติ)

ในแบบจำลองมาตรฐาน, อนุภาคฮิกส์เป็น โบซอน ที่ไม่มีสปิน, ไม่มีประจุไฟฟ้าหรือประจุสี นอกจากนี้มันยังไม่เสถียรอย่างมาก การสลายตัวไปเป็นอนุภาคอื่น ๆ เกือบจะเกิดขึ้นได้ในทันที มันเป็นการกระตุ้นของควอนตัมของหนึ่งในสี่ส่วนประกอบของสนามฮิกส์ ตัวหลังของสนามฮิกส์ประกอบขึ้นเป็นสนามสเกลาร์ ที่มีส่วนประกอบที่เป็นกลางสองตัวและส่วนประกอบที่มีประจุไฟฟ้าสองตัวที่ก่อให้เกิดคู่ซับซ้อน () ของการสมมาตรแบบ isospin อย่างอ่อน SU(2)

ในวันที่ 15 ธันวาคมปี 2015 ทั้งสองทีมของนักฟิสิกส์ที่ทำงานอิสระที่เซิร์นได้รายงานคำแนะนำเบื้องต้นของการเป็นไปได้ของอนุภาคย่อยใหม่ ถ้าจริง อนุภาคสามารถเป็นได้ทั้งรุ่นที่หนักกว่าของฮิกส์โบซอน หรือเป็น Graviton อย่างใดอย่างหนึ่ง

อนุภาคชนิดนี้มีบทบาทพิเศษในแบบจำลองมาตรฐาน กล่าวคือเป็นอนุภาคที่อธิบายว่าทำไมอนุภาคมูลฐานชนิดอื่น เช่น ควาร์ก อิเล็กตรอน ฯลฯ (ยกเว้นโฟตอนและกลูออน) ถึงมีมวลได้ และที่พิเศษกว่าคือ สามารถอธิบายว่าทำไมอนุภาคโฟตอนถึงไม่มีมวล ในขณะที่อนุภาค W และ Z โบซอนถึงมีมวลมหาศาล ซึ่งมวลของอนุภาคมูลฐาน รวมไปถึงความแตกต่างระหว่างแรงแม่เหล็กไฟฟ้าอันเกิดจากอนุภาคโฟตอน และอันตรกิริยาอย่างอ่อนอันเกิดจากอนุภาค W และ Z โบซอนนี่เอง เป็นผลสำคัญอย่างยิ่งที่ประกอบกันเกิดเป็นสสารในหลายรูปแบบ ทั้งที่เรามองเห็นและมองไม่เห็น ทฤษฎีอิเล็กโตรวีค (electroweak) กล่าวไว้ว่า อนุภาคฮิกส์เป็นตัวผลิตมวลให้กับอนุภาคเลปตอน (อิเล็กตรอน มิวออน เทา) และควาร์ก

เนื่องจากอนุภาคฮิกส์มีมวลมากแต่สลายตัวแทบจะทันทีที่ก่อกำเนิดขึ้นมา จึงต้องใช้เครื่องเร่งอนุภาคที่มีพลังงานสูงมากในการตรวจจับและบันทึกข้อมูล ซึ่งการทดลองเพื่อพิสูจน์ความมีตัวตนของอนุภาคฮิกส์นี้จัดทำโดยองค์การวิจัยนิวเคลียร์ยุโรป (CERN) โดยทดลองภายในเครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC) และเริ่มต้นการทดลองตั้งแต่ต้นปี 2010 จากการคำนวณตามแบบจำลองมาตรฐานแล้ว เครื่องเร่งอนุภาคจะต้องใช้พลังงานสูงถึง 1.4 เทระอิเล็กตรอนโวลต์ (TeV) ในการผลิตอนุภาคมูลฐานให้มากพอที่จะตรวจวัดได้ ดังนั้นจึงได้มีการสร้างเครื่องชนอนุภาคขนาดใหญ่ (LHC) ดังกล่าวขึ้นมาเพื่อทำการทดลองพิสูจน์ความมีตัวตนของอนุภาคชนิดนี้

วันที่ 12 ธันวาคม 2554 ทีม ATLAS และทีม CMS ของเซิร์น ประกาศว่าได้ค้นพบข้อมูลที่อาจแสดงถึงการค้นพบฮิกส์โบซอน และในวันที่ 4 กรกฎาคม 2555 ทั้งสองทีมได้ออกมาประกาศว่าได้ค้นพบอนุภาคชนิดใหม่ ซึ่งเรียกได้ว่าเป็น "อนุภาคที่สอดคล้องกับอนุภาคฮิกส์" มากที่สุด มีมวลประมาณ 125 GeV/c (ประมาณ 133 เท่าของโปรตอน หรืออยู่ในระดับ 10 กิโลกรัม) หลังจากนั้นได้มีการวิเคราะห์และตรวจสอบผลอย่างละเอียดเพื่อพิสูจน์ว่าอนุภาคดังกล่าวเป็นอนุภาคฮิกส์จริง และในวันที่ 14 มีนาคม 2556 เซิร์นได้ยืนยันอย่างไม่เป็นทางการว่าอนุภาคที่ตรวจพบจากการทดลองครั้งนี้เป็นอนุภาคฮิกส์ตามทฤษฎีที่ทำนายไว้ ซึ่งจะเป็นหลักฐานชิ้นสำคัญที่สุดที่สนับสนุนแบบจำลองมาตรฐาน นำไปสู่การศึกษา

แนวคิดเกี่ยวกับอนุภาคฮิกส์ และสนามฮิกส์ (Higgs field) เกิดขึ้นราวปี 2507 โดยนักวิทยาศาสตร์หลายคน ได้แก่ ฟร็องซัว อ็องแกลร์ (François Englert) และ โรเบิร์ต เบราท์ (Robert Brout) ในเดือนสิงหาคม ปีเตอร์ ฮิกส์ ในเดือนตุลาคม รวมถึงงานวิจัยอิสระอีกสามชุดโดย เจอรัลด์ กูรัลนิค (Gerald Guralnik) ซี.อาร์.เฮเกน (C. R. Hagen) และ ทอม คิบเบิล (Tom Kibble) ในฤดูใบไม้ผลิปีก่อนหน้าคือ ปี 2506

เลออน เลเดอร์แมน นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลชาวอเมริกัน ตั้งชื่ออนุภาคฮิกส์ว่า "อนุภาคพระเจ้า" (God particle) แต่นักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงหลายคนไม่เห็นด้วยและไม่ชอบชื่อนี้