Bosonul Higgs este singura particulă fundamentală cunoscută scalară, ceea ce înseamnă că nu are spin cuantic. Acest fapt răspunde la unele întrebări despre universul nostru, dar și pune altele noi.
Când a fost descoperit pentru prima dată în 2012, bosonul Higgs a captat imaginația populară și a devenit subiectul unui intens interes științific. Un garanție că ceea ce au descoperit oamenii de știină era într-adevăr particula Higgs îndelung teoretizată a fost identificarea uneia dintre calitățile sale unice: este singura particulă fundamentală „scalară” pe care cercetătorii au văzut-o vreodată. Spre deosebire de orice altă particulă elementară pe care o cunoaștem, precum electronul, quarcul și neutrinul, bosonul Higgs are spin cuantic cu valoarea zero.
Bosonul este atât de instabil, încât se descompune în particule mai puțin masive și mai puțin exotice aproape de îndată ce apare. Așa că trebuie să ne îndreptăm atenția către teoria câmpurilor cuantice și către câmpul Higgs.
Mai jos vom vedea cum relația dintre câmpurile cuantice și spinul cuantic ne poate ajuta să înțelegem mai bine natura universului nostru și de ce identificarea bosonului Higgs este departe de a fi sfârșitul poveștii.
Teoria câmpului cuantic
Am stabilit că bosonul Higgs este o particulă „scalară” de spin zero, dar ce înseamnă asta? Și ce legătură are asta cu câmpul Higgs?
Să începem cu elementele de bază: teoria câmpului cuantic spune că toate particulele, cu spin sau nu, sunt excitații sau fluctuații locale ale câmpurilor cuantice. Aceste câmpuri joacă un rol important în funcționarea legilor naturii.
→ Citește și: Câmpurile cuantice - cărămizile fundamentale ale naturii
„Din perspectiva teoriei câmpurilor cuantice, totul este alcătuit din câmpuri”, spune Nausheen Shah, profesor asociat de fizică la Wayne State University. „Există câmpul electromagnetic, câmpul gravitațional – există câmpuri pentru toate particulele, câmpul electronic, câmpul Higgs – toate acestea sunt câmpuri prezente peste tot în spațiu.”
Există un câmp cuantic pentru fiecare dintre cele 12 particule de materie cunoscute, precum și câmpuri pentru cele patru forțe fundamentale (corespunzând particulelor purtătoare de forță, precum fotonul).
În cele mai multe cazuri, avem nevoie de două numere pentru a descrie un câmp în orice punct dat din spațiu și timp. Un număr indică magnitudinea; celălalt indică spinul.
Spinul este o proprietate cuantică ce nu are un analog ușor la scară macroscopică. Particulele nu se rotesc așa cum se rotește Pământul, dar particulele și planetele au ceva în comun - ambele au moment cinetic. „Și acel moment cinetic este finit. Îl poți măsura”, spune Matt Strassler, fizician la Universitatea Harvard.
Chiar dacă o particulă nu se rotește de fapt în jurul propriei axe, se mișcă și interacționează cu alte particule și forțe ca și cum s-ar roti. Bosonul Higgs, din nou, nu are spin.
Dar cum rămâne cu câmpul Higgs? Cum poate un câmp să se rotească?
„Un câmp care are spin... dacă un câmpul „indică spre o direcție” sau nu - este într-adevăr o întrebare...”, spune Strassler.
Un câmp gravitațional, de exemplu, indică spre obiectul masiv care îl generează. Așadar, câmpul gravitațional care te ține de Pământ indică – din perspectiva ta – în jos, spre centrul planetei.
Câmpul Higgs, pe de altă parte, este la fel de fără spin ca bosonul Higgs. Nu este o coincidență că atât bosonul Higgs, cât și câmpul Higgs sunt cu spin zero. „Proprietățile unei particule sunt în esență proprietăți ale câmpului”, spune Peter Onyisi, profesor asociat de fizică la Universitatea Texas din Austin. Asemenea valurilor din ocean, „bosonii Higgs sunt vibrații într-un câmp Higgs”.
Câmpul Higgs și simetria rotațională
Faptul că câmpul Higgs are spin zero este un element important al mecanismului Higgs (modul în care câmpul Higgs dă masa particulelor). „Sursa de masă pentru particulele fundamentale trebuie să aibă spin zero”, spune Shah. „Fizica trebuie să fie aceeași dacă translatați, rotiți sau vă mutați într-un alt cadru de referință”.
Pentru a înțelege ce vrea să spună Shah prin aceasta, trebuie să examinăm o altă trăsătură specială a bosonului Higgs - „valoarea așteptată în vid”, care este diferită de zero. Valoarea așteptată în vid a unui câmp este valoarea medie a tuturor informațiilor pe care le puteți avea despre acel câmp, inclusiv mărimea și spinul, într-o regiune a spațiului (eng. vaccum expectation value - se referă la valoare probabilistică medie așteptată în cazul efectuării unei măsurători).
Dacă ați călători într-o zonă de vid intergalactic și ați încerca să măsurați valoarea așteptată în vid a câmpului gravitațional sau a câmpului electromagnetic la mii de ani-lumină de cea mai apropiată galaxie sau stea, probabil că ați găsi că este neglijabilă. Asta pentru că majoritatea câmpurilor cuantice au zero valoarea așteptată în vid, cu excepția cazului în care este prezentă o particulă.
Singura excepție de la această regulă este câmpul Higgs. Câmpul Higgs are o valoare așteptată în vid diferită de zero de-a lungul întregului spațiu-timp, ceea ce înseamnă că există întotdeauna o valoare asociată cu acesta, chiar și atunci când nu sunt prezente particule Higgs. În plus, această valoare este constantă, ceea ce înseamnă că o poți măsura în orice loc sau moment și vei primi întotdeauna același rezultat.
Lucrurile ar deveni destul de ciudate dacă câmpul Higgs ar avea spin, pentru că nu numai că ar avea o valoare așteptată în vid diferită de zero, pretutindeni, simultan, dar ar indica uniform într-o direcție, care ar putea fi măsurată de oriunde în univers. Aceasta ar însemna că am putea defini o direcție preferată, un „nord adevărat”, pentru tot spațiu-timpul.
O astfel de idee contravine unora dintre cele mai de bază precepte ale noastre despre universul însuși, inclusiv ideea de „izotropie” sau „simetrie rotațională”, care ne spune că legile fizicii rămân uniforme indiferent de direcție. Aceasta nu este doar o teorie; este un fapt. Oamenii de știință au petrecut zeci de ani căutând fără niciun rezultat încălcări ale simetriei rotaționale.
Dacă am avea o asemenea încălcare ar însemna că dacă am fi într-un sistem de referință și am face o rotație, fizica ar fi diferită în funcție de poziție (unghi).
Dar ce s-a întâmplat cu spinul?
Pentru ca fizica să funcționeze, Higgs nu poate avea spin. Dar este totuși ciudat ca o particulă fundamentală să fie cu spin zero. Deci, teoreticienii au venit cu idei în care s-ar putea ca spinul să nu fie totuși zero.
De exemplu, s-ar putea ca Higgs să nu fie de fapt o particulă fundamentală, ci una alcătuită din două sau mai multe particule fundamentale nescalare ale căror spinuri se anulează (spinul final fiind zero).
„Higgs ca particulă compozită are o istorie foarte lungă ca idee”, spune Onyisi, adăugând că această ipoteză este atractivă pentru fizicieni pentru că abordează o altă particularitate a particulei Higgs - masa sa de neînțeles la energii mari.
Fizicienii doresc să înțeleagă modul în care particulele se comportă la energii mari, în parte pentru că acestea imită condițiile generate de Big Bang - și astfel ne pot oferi o imagine despre cum era universul nostru la începutul său.
O particulă poate avea proprietăți foarte diferite, în funcție de energia la care este măsurată: pot fi diferențe de sarcină, de masă și alte numere cuantice. Când vine vorba de modificări de masă, unele particule sunt „protejate” în teoria matematică a fizicii particulelor. De exemplu, fotonul nu are masă și nu câștigă brusc o masă pe măsură ce energia crește.
Bosonul Higgs, însă, nu se bucură de o astfel de protecție. „Există un comportament de „evadare” la energii înalte a masei Higgs”, spune Onyisi. Calculele prevăd că o particulă Higgs fundamentală ar fi imposibil de masivă la asemenea energii.
Un Higgs, particulă compozită, ar putea prezenta o soluție ușoară la această problemă, deoarece particulele fundamentale care îl formează ar avea, probabil, masa controlată printr-un mecanism bine înțeles. „Deci, aceasta este, de fapt, pentru mulți oameni, o idee foarte atractivă”, spune el.
Dar dacă Higgs este cu totuși o particulă fundamentală? Este totuși posibil să aibă spin, dar să fie ascuns într-o dimensiune suplimentară? Unele teorii spun asta. Strassler spune însă că teoriile alternative cu privire la bosonul Higgs au toate o problemă: este greu să le facem să se alinieze cu ceea ce știm deja despre particulă și câmpul ei.
Există o mare diferență între masa unui quarc top, cea mai grea particulă fundamentală descoperită până acum, și masa unui electron, una dintre cele mai ușoare. Pentru a obține masele lor diferite, particulele trebuie să interacționeze în grade diferite cu câmpul Higgs - și orice nouă teorie despre Higgs trebuie să fie compatibilă cu această realitate observabilă.
„Este destul de dificil”, spune Strassler, „să faci teorii care să creeze bosonul Higgs ca o particulă care se învârte într-o dimensiune a 4-a sau ca un obiect compozit și totuși să obții cu succes toate celelalte proprietăți pe care trebuie să le aibă pentru a oferi particulelor modelului standard diversitatea mare a maselor pe care o au.”
Câmpuri scalare pentru totdeauna
Dacă teoriile alternative sunt greșite, s-ar putea ca Higgs să fie într-adevăr singura particula fundamentală fără spin. Dar s-ar putea să nu fie singur totuși... „Chiar și în lumea bosonului Higgs, nu este clar că există doar unul dintre ei”, spune Onyisi.
Unele teorii mari unificate – care sugerează că trei dintre cele patru forțe fundamentale (toate cu excepția gravitației) ar fi putut fi unite ca o singură forță unificată în timpul perioadei de înaltă energie de după Big Bang – prezic existența unui întreg arbore genealogic al bosonului Higgs.
„Câmpul Higgs rezolvă o anumită clasă de probleme”, spune Onyisi, „și ceea ce fac oamenii atunci când întâmpină acest tip de problemă este să reproducă ideea pentru noul context.”
De asemenea, este posibil ca universul timpuriu să fi fost plin de un alt tip de boson scalar, dar acele particule au dispărut.Așa văd oamenii de știință inflatonul, o particulă asociată cu inflația cosmică. „Deci, ideea este că, imediat după Big Bang, a existat o perioadă foarte scurtă, de 10-30 de secunde, denumită inflație cosmică”, spune Shah.
Aceasta este perioada în care însăși țesătura spațiu-timpului a evoluat rapid de la punctul inițial (Big Bang), într-un ritm mai rapid decât viteza luminii, pentru a forma supa fierbinte și densă a universului timpuriu. Ceea ce a alimentat această creștere explozivă ar fi putut fi ceva numit „câmpul inflaton”, cu particule asociate numite inflatoni.
Desigur, inflatonul și câmpul inflaton ar trebui să aibă spinul zero, „pentru că nu poate exista o direcție care să fie asociată cu niciun punct din spațiu”, spune Shah.
Câmpul inflaton ar fi avut, de asemenea, o valoare așteptată în vid diferită de zero, cel puțin în perioada inflaționistă.
Unii oameni de știință cred că inflația s-a încheiat atunci când câmpul inflaton a început să-și piardă valoarea așteptată în vid, un proces care ar fi produs o abundență de inflatoni. Aceste particule s-ar fi dezintegrat rapid în materia obișnuită care alcătuiește universul de astăzi.
Shah spune că acest lucru ar putea explica omogenitatea incredibilă pe care o observăm pe cerul nopții. „Când ne uităm la universul din jurul nostru, din câte putem vedea, totul este foarte, foarte omogen”, spune Shah. „Și fără inflație nu există niciun motiv pentru această omogenitate”.
Asta pentru că, dacă privim departe în două direcții opuse în spațiu, ne uităm la segmente ale universului care, fără inflație, nu ar fi fost niciodată în contact cauzal. Cu alte cuvinte, nu ar fi fost niciodată suficient de aproape pentru a interacționa, așa că nu există niciun motiv pentru care ar trebui să semene.
Dacă însă câmpul inflaton a existat peste tot în același timp în universul timpuriu și dacă și-a pierdut valoarea așteptată în vid la o rată uniformă în tot spațiul, ar fi logic ca lucrurile să arate relativ similar în toate direcțiile.
Investigația continuă
După cum am văzut, Higgs și lipsa spinului răspund la câteva întrebări despre universul nostru, dar ridică altele noi. Shah spune că va continua să studieze bosonul Higgs în speranța de a răspunde la acesta: „într-o lume formată doar din câteva ingrediente subatomice, de ce există atât de multe particule exotice, instabile?”.
„Modelul standard al fizicii particulelor este ceva pe care l-am construit empiric în ultimii 100 de ani”, spune ea. „Și dacă te uiți la ce alcătuiește lumea din jurul nostru, observi că reprezintă de fapt doar un subset minuscul al acestor particule” – doar electroni, neutrini și două tipuri de quarcuri. Aceasta este prima „generație” de particule de materie cunoscute.
Cu toate acestea, există mai multe particule. Fiecare dintre particulele care alcătuiesc atomii noștri au rude, formând două generații suplimentare de particule.
→ Citește și: Teoria modelului standard al particulelor elementare
Următoarele două generații conțin fiecare copii ale particulelor pe care le vedem în prima, dar acele copii sunt mult mai masive, în unele cazuri de câteva ordine de mărime. Oamenii de știință pot produce și studia aceste particule în acceleratoare precum Marele accelerator de hadroni de la Cern (LHC), dar ele sunt prea masive pentru a rămâne stabile, dezintegrându-se în particule mai puțin masive aproape imediat după apariție.
„De ce ar trebui să fie atât de diferit modul în care interacționează particulele cu acest câmp de fundal, câmpul Higgs?" se întreabă Shah. „Simt – și acest lucru este personal, evident – că există secrete... Nu vedem imaginea completă.”
Traducere și adaptare după SymmetryMagazine, cu acordul editorului.
