Obično se kaže da su nukleoni načinjeni od tri kvarka, ali iznenađuje činjenica da masa tri kvarka u nukleonima čini tek oko jedan do dva procenta mase nukleona.
Šta čini ostalih 98 posto?
Nukleon nije statički objekt s tri sastojka. Nukleon se sastoji od tri vrlo lagana kvarka koju zajedno drži jaka nuklearna sila. Ta tri kvarka kreću se velikim brzinama unutar nukleona. Da biste to zamislili, zamislite tri kuglice za ping pong u lutrijskoj mašini. Te loptice za ping pong nisu najvažnije; radije bi se trebali usredotočiti na ono što ih tjera u pokret. Mislite o nukleonima kao na tri kvarkove fleke, besno ubačene unutar malog subatomskog tornada. Tornado je daleko važniji od sitnih fleka.
To se odnosi na masu kroz poznatu Einsteinovu jednadžbu, E = mc ^ 2. Ova jednadžba kaže da su masa i energija jedno te isto. Iz onoga što znamo o masi nukleona vidimo da oko 98 posto mase svemira nije masa na uobičajeni način na koji razmišljamo o njemu. Masa se skladišti u energiji sitnih subatomskih đavola energije.
Kako se Higgov bozon uklapa u sve to? Dok je masa nukleona (i produžetak, većine vidljivog svemira) uzrokovana energijom spremljenom u polju sile jake nuklearne sile, masa samih kvarkova dolazi iz drugog izvora. Smatra se da masu kvarkova i leptona uzrokuje Higgsov bozon. Važno je zapamtiti da se “misli da je uzrokovan” samo znači da je to najpopularniji teorijski prijedlog. U stvari, mi zapravo ne znamo zašto kvarkovi i leptoni imaju masu koju rade.
Koliko god bilo zanimljivo pitanje Higgsovog bozona, to nije dominantan izvor mase u svemiru. Dobro razumljiva fizika, upravljana jakom nuklearnom silom, je razlog zašto imate toliko mase.
Nobelovu nagrada za fiziku 2013. dodeljena je dvojici teoretičara koji su formulisali Higgsov mehanizam, koji daje masu osnovnim česticama.
Predložena i otkrivena čestica. Peter Higgs, jedan od Nobelovih laureata fizike 2013, ispred CMS detektora, koji je dio Large Hadron Collidera u CERN-u, evropske laboratorije za fiziku čestica. Istraživači su koristili CMS da posmatraju česticu koju je Higs predvidio prije skoro 50 godina.
50 godina nakon predviđanja, fizičari čestica konačno su uhvatili Higgs boson. Tako je Nobelov komitet dao nagradu za fiziku dva teoretičara koji su pokrenuli ovaj lov za česticama. François Englert sa Slobodnog univerziteta u Briselu (ULB) i Peter Higgs sa Univerziteta u Edinburghu, UK, samostalno su izradili model objašnjavajući zašto su čestice masivne, a za ovaj model je potrebno postojanje Higgs bosona. Oba lista su objavljena 1964. godine u časopisu “Physical Review Letters”.
Higgs bozon je poslednji komad standardnog modela fizike čestica koji se posmatra, nakon nekoliko decenija pretrage. U junu 2012. godine CERN je najavio s velikom da je Large Hadron Collider (LHC) u Ženevi otkrio česticu sa pravim osobinama da bude Higsov bozon, što je značilo da su istraživači potvrdili osnovnu teoriju mase.
Higsovi bozon tehnički ne daje masu drugim česticama. Tačnije, čestica je kvantizovana manifestacija polja (Higgsovo polje) koja generiše masu kroz svoju interakciju sa drugim česticama. Ali zašto nije moguće pretpostaviti masu samo kao datu?
Higsovi bozon tehnički ne daje masu drugim česticama. Tačnije, čestica je kvantizovana manifestacija polja (Higgsovo polje) koja generiše masu kroz svoju interakciju sa drugim česticama. Ali zašto nije moguće pretpostaviti masu samo kao dato?
Odgovor se vraća na prethodni rad u kvantnoj teoriji polja. Kvantna polja su slična poznatim poljima, poput električnih i magnetnih polja. Ali kvantna polja sadrže pobuđena stanja koja posmatramo kao čestice. Ova polja se mogu podijeliti na polja materije (čije su čestice elektroni, kvarkovi, itd.) i polja sila (čije su čestice fotoni, gluoni itd.). Krajem 1940-ih, teoretičari su pokazali da kvantna teorija polja fotona i elektrona može uspešno objasniti elektromagnetne interakcije pri visokoj energiji.
Međutim, teorija je imala problema sa modeliranjem nuklearnih interakcija. Kratki raspon slabe nuklearne sile implicirao je da odgovarajuće čestice imaju masu, za razliku od bezmasivnog fotona, čestica povezanih sa elektromagnetnim poljima. Jednostavno držanje mase za česticu koja nosi silu imalo je katastrofalne efekte, što je dovelo do određenih predviđanja koja divljaju do beskonačnosti. Početkom šezdesetih, teoretičari su bili zauzeti u potrazi za alternativnim načinima da se masa može uvesti u teoriju.
Rješenje koje su Higgs, Englert i Robert Brout (koji je radio sa Englertom na ULB-u, ali je sada preminuo) predlaže da je čitav prostor ispunjen poljem koje djeluje s slabim silama čestica kako bi im dalo masu. To čini, jer se pretpostavlja da polje nije prazno u praznom prostoru. Ovo nenormalno stanje krši simetriju koja se smatra osnovnom za kvantnu teoriju polja. Raniji rad pokazao je da je ovakav prekid simetrije doveo do bezmasivne, bezspinske čestice koja je isključena eksperimentima. Englert, Brout i Higgs su pokazali kako se ova neželjena čestica može nestati spajanjem polja za punjenje prostora s poljem slabe sile. Kada su razradili sve interakcije, utvrdili su da su čestice sile efektivno imale masu, a neželjene, bezmasivne, bespilotne čestice su u suštini apsorbovale slabe čestice. Ove čestice su dobijale treće spin-stanje kao rezultat, a jedina preostala spinless čestica bila je masivni Higgs bozon. Sličnu teoriju razvio je i treći tim teoretičara iste godine.
Sljedeći rad pokazao je da mehanizam Brout-Englert-Higgs (ili “Higgs mehanizam” kratko) može dati masu ne samo slabim česticama, već i elektronima, kvarkovima i drugim osnovnim česticama. Što snažnije čestica stupi u interakciju sa Higgsovim poljem, to je masivnija. Važno je napomenuti, međutim, da većina mase u kompozitnim česticama, kao što su protoni, jezgra i atomi, ne dolazi iz Higgsovog mehanizma, već od energije vezivanja koja drži ove čestice zajedno.
“Brout i Englert i Higgs su predstavili vrlo pametnu ideju, sada poznatu kao Higsov mehanizam”, kaže Michael Turner sa Univerziteta u Čikagu. “Pruža objašnjenje jednog od najjednostavijih pitanja koja se mogu pitati: zašto čestice imaju masu? Takvo jednostavno pitanje – ali veoma duboko – mnogi čak i ne razmišljaju da ga pitaju. “Da bi se dokazao ovaj mehanizam, fizičari čestica napravili su LHC, najveću, najsavremeniju tehnološki sofisticiranu mašinu ikada napravljenu, kaže Joseph Incandela, portparol CMS-a eksperimenta, koji je bio jedan od detektora koji su primjetili Higgs boson. “Mislim da ljudi gledaju u ovo i osećaju da je fizika čestica ovdje uradila nešto poput sletanja na Mjesec”, kaže on.
