Scientia

Filmul următor descrie într-o manieră succintă şi clară, prin intermediul unei grafici de excepţie, mecanismul care face ca particulele fundamentale să aibă masă. Vorbim despre noţiuni teoretice, care încă nu au fost confirmate experimental, dar care sunt conţinute de Modelul Standard al particulelor elementare.

 
Introducere

Filmul următor descrie mecanismul care face ca particulele fundamentale să aibă masă. Dacă valoarea masei electronului ar fi fost alta, atunci orbitalii din interiorul atomului ar fi avut dimensiuni diferite, iar lumea ar fi arătat cu totul altfel. Să începem prin a vorbi despre noţiunea pe care fizicienii au botezat-o "câmp".

Ideea clasică de "câmp"

Apare deseori nevoia de a descrie o proprietate a unui sistem fizic care poate lua valori diferite în fiecare punct al spaţiului, cum este cazul cu temperatura aerului sau viteza vântului sau ca în cazul tăriei şi direcţiei vreunei forţe asemenea câmpului magnetic al Pământului.

Există doar patru forţe fundamentale cunoscute şi toate sunt descrise de aşa-numite "câmpuri" definite prin tărie şi direcţie în fiecare punct al spaţiului. Trebuie menţionat că un asemenea "câmp" asociat unei forţe are corespondent în realitate. Nu este doar un număr asociat fiecărui punct în spaţiu. Câmpul are corespondent în realitatea fizică. Aşa cum spunea John Archibald Wheeler, el “ocupă spaţiul". Conţine energie. Prezenţa sa exclude posibilitatea existenţei unui vid ideal.” Mai mult, folosind cuvintele lui Feynman, câmpul “creează o anume stare în spaţiu.” În fizica clasică aceste câmpuri erau adesea vizualizate mental ca fiind entităţi continue, care îşi schimbau valoarea în mod continuu.

"Câmpul" în mecanica cuantică

Numai că mecanica cuantică exclude noţiunea continuităţii. Astfel că, în context cuantic, câmpul ia forma distribuţiei unor "particule de câmp" minuscule. Tăria câmpului într-un anumit punct este dată tocmai de densitatea (cantitatea) de "particule de câmp" în acel punct.

Aceste particule se numesc particule virtuale, pentru că, pentru a putea exista, încalcă legile de conservare a energiei pentru momente de timp extrem de scurte. Ele există deoarece asemenea fluctuaţii energetice sunt permise în contextul principiului incertitudinii al lui Heisenberg. Doar că, din cauza aceluiaşi principiu, ele trebuie să şi dispară foarte repede.

În cazul câmpurilor precum cele electrice şi magnetice, aceste particule de câmp se numesc bosoni gauge. Ele reprezintă realitatea fizică despre care Wheeler spunea că “ocupă spaţiul”. Deşi bosonii gauge există ca particule virtuale atunci când apar ca urmare a încălcării legii de conservare a energiei, ei pot exista şi ca particule reale, supunându-se legilor de conservare a energiei.

Câmpul Higgs

Majoritatea câmpurilor sunt generate de o anumită sursă. Un câmp electric este generat de o sarcină electrică. Dacă sursa dispare, valoarea câmpului devine nulă, iar "starea din spaţiu" de care vorbea Feynman dispare. Din acest punct de vedere câmpul Higgs este diferit. El are o valoare - corespondentă unei realităţi de natură fizică - în fiecare punct al spaţiului,  chiar dacă nu există o sursă care să îl genereze. Asta înseamnă că vidul, aşa cum îl gândim noi, oamenii, nu există niciunde în spaţiul cosmic. Tot spaţiul cosmic este "îmbibat" de câmpul Higgs, întotdeauna şi oriunde.

Bosonul Higgs

Şi, conform mecanicii cuantice, acest lucru înseamnă că trebuie să existe şi o particulă asociată acestui tip de câmp. Aceasta este bosonul Higgs. Bosonii Higgs virtuali sunt cuantele câmpului Higgs, iar aceştia interacţionează cu toate particulele fundamentale, cu excepţia fotonului, gravitonului şi gluonului. Tăria interacţiunii dintre bosonul Higgs şi fiecare dintre particulele fundamentale  este strâns legată de valoarea masei de repaus a acelei particule. Şi cum quarcul top are cea mai mare masă de repaus,  asta înseamnă şi că el interacţionează cel mai puternic cu bosonul Higgs. Electronul este de 300,000 mai uşor decât quarcul top, deci interacţiunea sa cu câmpul Higgs este mult mai mică. Iar neutrino, cu o masă aproape nulă, are doar o interacţiune extrem de slabă cu bosonii Higgs.

Cum apare masa?

Din moment ce câmpul Higgs există pretutindeni, orice particulă care interacţionează cu câmpul Higgs, interacţionează cu el oriunde şi în orice moment. Particulele Higgs acţionează asemenea unei substanţe vâscoase care reprezintă o piedică în calea altor particule şi tocmai această "rezistenţă" este responsabilă pentru producerea masei.

Putem detecta o particulă Higgs?

Pentru a putea detecta un boson Higgs în laborator, trebuie să creăm unul real în loc de unul virtual. Acest lucru se poate realiza prin ciocnirea particulelor cu antiparticule pentru a genera energii de valori foarte ridicate. În urma acestor interacţiuni rezultă produşi secundari ai dezintegrărilor subatomice  care pot reprezenta indicii ale faptului că a fost creat un boson Higgs.

Câte tipuri de câmp Higgs există?

Se estimează că ar exista cinci tipuri de câmp Higgs - fiecare cu un boson Higgs asociat. Şi, cu puţin noroc, în următorii ani oamenii de ştiinţă vor descoperi câţi sunt cu adevărat şi cât de masivi sunt aceştia.