Higgsin bosoni

Higgsin bosoni eli Higgsin hiukkanen (H0) on alkeishiukkanen, jonka olemassaolon hiukkasfysiikan standardimalli ennustaa ja joka löydettiin CERNin Suuressa hadronitörmäyttimessä (), Sveitsissä. Higgsin bosonia vastaavan bosonin löytämisestä raportoitiin 4. heinäkuuta 2012. Massaksi saatiin 125–127 GeV/c², mitä tarkennettiin maaliskuussa 2015 arvoon 125,09 ± 0,24 GeV/c² ja huhtikuussa 2023 arvoon 125,11 ± 0,11 GeV/c².
Higgsin bosoni ja Higgsin kenttä on nimetty aihetta ensimmäisten joukossa teoreettisesti tutkineen englantilaisen fyysikon Peter Higgsin mukaan. Higgs on yksi ensimmäisiä joitakin bosonin ominaisuuksia ennustaneita fyysikoita. Hänen lisäkseen hiukkasen olemassaolon ennustivat lähes samanaikaisesti, toisistaan riippumatta Robert Brout ja François Englert.
Higgsin bosonin syntymistä ja hajoamista tarkasteltiin sen löytymistä seuraavina vuosina CERNin kokeissa. Kokeet todistivat eri hiukkasten W- ja Z-bosoneista tau-leptoniin saavan massansa vuorovaikutuksessa Higgsin kentän kanssa. Higgsin bosonin löytyminen vahvisti hiukkasfysiikan standardimallin ennustaman Higgsin kentän, joka antaa joillekin alkeishiukkasille massan. Tämä täydentäisi suuren puutteen standardimallissa eli selityksen hiukkasten massaeroille. Higgsin kenttä ei ole vuorovaikutuksessa massattomien hiukkasten kuten fotonien kanssa.
Higgsin hiukkanen on bosoni eli alkeishiukkanen, jonka spin on kokonaisluku (0). Alkeishiukkasia ovat tavalliset ainehiukkaset eli fermionit, joiden spin on puoliluku (tai 3/2, 5/2 jne.), ja voimia välittävät bosonit, joiden spin on kokonaisluku (0, 1 tai 2). Bosoneja voi olla samanaikaisesti useampia samalla kvanttiluvulla. Sillä ei ole sähkövarausta tai värivarausta. Jos Higgsin kenttää ei olisi, alkeishiukkasten massalle täytyisi löytää vaihtoehtoinen selitys.
Teoreettinen tausta.
Higgsin bosonin toivottiin antavan vastauksen kysymykseen, mikä antaa joillekin alkeishiukkasille, kuten elektronille, massan mutta toisille, kuten fotonille, taas ei. Teorian perustana pidetään kolmea vuonna 1964 Physical Review Letters -julkaisusarjassa julkaistua sähköheikon symmetrian spontaania rikkoutumista käsitellyttä artikkelia. Ne ovat François Englertin ja Robert Broutin ”Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons”, Peter Higgsin ”Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons” ja Gerald Guralnikin, Carl Rirchard Hagenin ja Tom Kibblen ”Global Conservation Laws and Massless Particles”.
1970-luvulla kehitetty hiukkasfysiikan standardimalli, joka selittää monia alkeishiukkasten välisiä vuorovaikutuksia menestyksekkäästi, ei kuitenkaan selitä alkeishiukkasten massaa vaan kuvaa kaikki hiukkaset massattomiksi. Tähän ongelmaan ratkaisuksi kehitettiin Higgsin teoria. Teorian mukaan kaikkeuden täyttää erityinen Higgsin kenttä, joka vaikuttaa erilaisiin hiukkasiin eri voimakkuudella ja joihinkin se ei vaikuta lainkaan. Mitä suurempi kentässä liikkuvien hiukkasten vuorovaikutus kentän kanssa on, sitä suurempi massa niillä havaitaan. Higgsin hiukkanen on Higgsin kentän värähtelyä eli eksitaatio, joka on mahdollista tuottaa tarpeeksi suurienergisissä törmäytyksissä. Higgsin hiukkanen ei siis sananmukaisesti anna massaa muille hiukkasille, kuten usein sanotaan, vaan se pikemminkin vain vahvistaa hypoteesin, että Higgsin kenttä on olemassa.
Kaikki kentät, myös Higgsin kenttä, pyrkivät asettumaan mahdollisimman alhaiselle energiatasolle eli vakuumitilaan. Useilla kentillä, kuten sähkömagneettisella kentällä, se tapahtuu kentän arvon ollessa nolla. Higgsin kenttä kuitenkin poikkeaa siitä, sillä sen energiataso on alhaisin, kun kentän arvo poikkeaa nollasta. Tämän vuoksi Higgsin kenttä ei häviä, eli ei saa arvokseen nollaa vakuumitilassa. Ilmiötä nimitetään Higgsin mekanismiksi.
Kokeellinen tutkimus.
Cernin edellisen vaiheen LEP-kiihdytin etsi Higgsin bosoneja vuosina 1989–2001. Kokeiden perusteella voitiin päätellä, että standardimallin mukaisen Higgsin bosonin massan on oltava vähintään 114 GeV/c². Standardimallia laajemmissa teorioissa massan alaraja voi olla tätä pienempi, esimerkiksi minimaalisessa supersymmetrisessä standardimallissa massan alaraja on noin 92 GeV/c² .
Myös Fermilabin Tevatron-kiihdyttimellä on etsitty Higgsin bosonia. Fermilabin kokeiden perusteella on voitu sulkea pois standardimallin Higgsin bosonin olemassaolo massavälillä 156–177 GeV/c².
Cerniin rakennetun LHC-hiukkaskiihdytin koekäynnistettiin vuonna 2008. Joulukuussa 2011 tehdyt havainnot viittasivat siihen, että Higgsin bosoni oli mahdollisesti löydetty, joskaan sitä ei vielä varmuudella tunnistettu.
Cernin LHC:n kahden suurimman koeaseman Atlaksen ja CMS:n tutkijat pitivät 4. heinäkuuta 2012 Higgsin hiukkasen etsintää käsittelevän yhteisen tiedotustilaisuuden. Molempien koeasemien edustajat kertoivat löytäneensä uuden hiukkasen noin 125 GeV/c²:n massan kohdalta. Hiukkanen sopi standardimallin ennustuksiin.
Tiedotustilaisuuden mukaan tieteelle ennalta tuntematon bosoni oli havaittu 5,0 σ:n varmuudella. Lisäksi voitiin varmuudella sanoa, että bosonin spin on nolla tai parillinen kokonaisluku. Näitä ominaisuuksia ilmentävä hiukkanen on yhteensopiva oletukseen standardimallin Higgsin hiukkasesta. Jotta löydetty uusi hiukkanen voitiin kiistattomasti osoittaa standardimallin Higgsin bosoniksi, tarvittiin vielä lisää tutkimusta, kuten spinin ja pariteetin mittauksia.
Tiedotustilaisuudessa 14.3.2013 kerrottiin vuonna 2012 tehdyn uuden hiukkaslöydön olevan mitä todennäköisimmin Higgsin hiukkanen. Tosin tarvittiin vielä lisätutkimuksia siitä, oliko kyseessä oleva hiukkanen hiukkasfysiikan standardimallin ennustama Higgsin bosoni. Higgsin bosoneita saattaa olla useita. Toisaalta Higgsin bosonin on todettu hajoavan kahdeksi myoniksi, jotka ovat muita alkeishiukkasia kevyempiä. Tämän taas katsotaan todistavan, ettei useammanlaisia Higgsin bosoneita olekaan eikä massaeroja voikaan teorialla selittää.
Atlaksen ja CMS:n tulosten perusteella Higgsin massaksi tarkentui 17. maaliskuuta 2015 julkaistun tiedotteen mukaan 125,09 GeV/c².