Toimittajan huomautus: 8. lokakuuta 2013 Peter Higgs ja Francois Englert voittivat Nobelin fysiikan palkinnon Higgsin bosonia koskevasta työstään. Seuraavassa tiedekolumnisti Brian Greene selittää löytön taustalla olevan tieteen.
Tästä tarinasta
[×] SULJE
ATLAS-ilmaisin, yksi kahdesta kokeilusta, jolla havaitaan vaikeasti havaittavissa oleva Higgsin bosoni hiukkasten säröissä CERNin suuressa hadronikopterissa, painaa jopa sata 747 suihkua ja sisältää yli 1800 mailin kaapelin. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Kompakti Muon-solenoidi isossa Hadron-kolarilaitteessa tarttuu hiukkasiin näytöksessä. (Michael Hoch / CERN) 
Takaisin piirustuslaudalle: Fyysikko Peter Higgs kaavii kuuluisan yhtälönsä, joka kuvaa hiukkasen massan lähteen. Kestää puoli vuosisataa todistaakseen totuuden. (Stuart Wallace / Splash-uutiset / Newscom) 
Ryhmä työskentelee ATLAS-ilmaisimen kanssa, joka on yksi kahdesta kokeilusta havaitaksesi vaikeaa Higgs-bosonia hiukkasten säröissä. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Ennen asennusta osa CMS-ilmaisimesta asui CERN: n siivoushuoneessa. (Maximilien Brice, Michael Hoch, Joseph Gobin / CERN) 
CMS-ilmaisimen magneetti tuottaa magneettikentän 100 000 kertaa niin vahva kuin maan. (Gobin / CERN) 
Lähikuva CMS-ilmaisimesta - yksi kahdesta kokeesta Higgs-bosonin allekirjoitusten havaitsemiseksi. (Gobin / CERN) 
Vaikka Higgsin bosoni näyttää liian hetkeksi havaittavalta suoraan, CMS: n fyysikot voivat päätellä sen olemassaolon tutkimalla protonin ja protonin törmäysten jälkeen jääneiden hiukkasten suihkut. (T. McCauley, L. Taylor / CERN) 
Kuvagalleria
Asiaan liittyvä sisältö
- Taide ja tiede törmäävät Higgs Bosonin löytöihin
Kuuluisa tarina fysiikan aikakauslehdissä kertoo 5-vuotiaasta Albert Einsteinistä, joka oli sairas sängyssä ja sai lelukompassin isältään. Poika oli sekä hämmentynyt että lumoava näkymättömien voimien töissä, ohjaten kompassin neulan osoittamaan pohjoiseen aina, kun sen lepoasento häiriintyi. Einstein sanoi myöhemmin, että kokemus vakuutti hänet syvälle piilotetusta järjestyksestä luonnolle ja pakotti hänet viettämään elämänsä yrittäen paljastaa se.
Vaikka tarina on yli sata vuotta vanha, nuoruuden Einsteinin kohtaamassa vanhanaikaisessa fysiikassa on keskeinen teema, joka on välttämätön viimeisen 50 vuoden tärkeimmälle kokeelliselle saavutukselle: löytö, vuosi sitten heinäkuussa, Higgsin bosonista.
Anna minun selittää.
Tiede yleensä ja erityisesti fysiikka etsivät malleja. Venytä jousi kahdesti niin pitkälle ja tunne kahdesti vastus. Kuvio. Lisää esineen käyttämää äänenvoimakkuutta pitäen sen massa kiinteänä ja sitä korkeammin se kelluu vedessä. Kuvio. Tarkkailemalla tarkasti malleja tutkijat paljastavat fyysiset lait, jotka voidaan ilmaista matemaattisten yhtälöiden kielellä.
Selkeä kuvio näkyy myös kompassin tapauksessa: Siirrä sitä ja neula osoittaa jälleen pohjoiseen. Voin kuvitella nuoren Einsteinin ajattelevan, että on oltava yleinen laki, jonka mukaan ripustetut metalliset neulat työnnetään pohjoiseen. Mutta sellaista lakia ei ole olemassa. Kun alueella on magneettikenttä, tietyt metalliesineet kokevat voiman, joka kohdistaa ne kentän suuntaa pitkin, olipa kyseinen suunta sitten tapahtuu. Ja Maan magneettikenttä sattuu osoittamaan pohjoiseen.
Esimerkki on yksinkertainen, mutta oppitunti syvällinen. Luonnon mallit heijastavat joskus kahta toisiinsa liittyvää ominaisuutta: fyysisiä peruslakeja ja ympäristövaikutuksia. Se on luonnon versio luonteesta vs. vaaliminen. Kompassin tapauksessa näiden kahden irrottaminen ei ole vaikeaa. Käsittelemällä sitä magnetilla, päätät helposti magneetin suunnan määrittäen neulan suunnan. Mutta voi olla myös muita tilanteita, joissa ympäristövaikutukset ovat niin leviäviä, ja niin että manipulointikykymme ulkopuolella olisi huomattavasti haastavampaa tunnistaa niiden vaikutus.
Fyysikot kertovat vertauksen kaloista, jotka tutkivat fysiikan lakeja, mutta niin tottuneena vesiseen maailmaansa he eivät ota huomioon sen vaikutusta. Kalat kamppailevat voimakkaasti kasvien lempeän heilumisen ja oman liikkuvuuden selittämiseksi. Lait, jotka he lopulta löytävät, ovat monimutkaisia ja hankalia. Sitten yksi loistava kala on läpimurto. Ehkä monimutkaisuus heijastaa yksinkertaisia peruslakeja, jotka toimivat itseään monimutkaisessa ympäristössä - sellaista, joka on täynnä viskoosia, puristamatonta ja läpäisevää nestettä: valtamerta. Aluksi oivalliset kalat jätetään huomiotta, jopa pilkataan. Mutta hitaasti myös muut ymmärtävät, että heidän ympäristöllään, sen tuntemattomuudesta huolimatta, on merkittävä vaikutus kaikkeen, mitä he havaitsevat.
Leikkaako vertaus lähempänä kotia kuin olisimme voineet luulla? Voisiko ympäristössä olla muita, hienovaraisia, mutta leviäviä piirteitä, joita emme ole tähän mennessä onnistuneet taittelemaan asianmukaisesti? Geneven suuren hadronin kolarituloksen löytämä Higgs-hiukkanen on vakuuttanut fyysikot, että vastaus on kuuluva kyllä.
Lähes puoli vuosisataa sitten Peter Higgs ja kourallinen muita fyysikoita yrittivät ymmärtää fyysisen perusominaisuuden: massan alkuperää. Voit ajatella massaa esineen kappaleena tai, tarkemmin sanottuna, sen vastusena liikkeen muutokselle. Työnnä tavarajunaa (tai höyheniä) lisätäksesi nopeutta, ja tuntemasi vastus heijastaa sen massaa. Mikroskooppisella tasolla tavarajunan massa tulee sen muodostavista molekyyleistä ja atomista, jotka ovat itse rakennettu perustavanlaatuisista hiukkasista, elektroneista ja kvarkeista. Mutta mistä näiden ja muiden perustavanlaatuisten hiukkasten massat tulevat?
Kun fyysikot 1960-luvulla mallittivat näiden hiukkasten käyttäytymistä kvanttifysiikan juurtuneilla yhtälöillä, he kohtasivat palapelin. Jos he kuvittelisivat, että hiukkaset olivat kaikki massattomia, niin yhtälöiden jokainen termi napsautti täysin symmetristä mallia, kuten täydellisen lumihiutaleen kärjet. Ja tämä symmetria ei ollut vain matemaattisesti tyylikäs. Se selitti kokeellisissa tiedoissa ilmeneviä malleja. Mutta - ja tässä on palapeli - fyysikot tiesivät, että hiukkasilla oli massa, ja kun he muuttivat yhtälöitä tämän tosiasian huomioon ottamiseksi, matemaattinen harmonia pilattiin. Yhtälöistä tuli monimutkaisia ja hankalia ja mikä vielä pahempaa, epäjohdonmukaisia.
Mitä tehdä? Tässä on Higgsin esittämä idea. Älä aja hiukkasten massoja kauniiden yhtälöiden kurkkuun. Pidä sen sijaan yhtälöt koskemattomina ja symmetrisinä, mutta ajattele niiden toimivan ominaisessa ympäristössä. Kuvittele, että koko avaruus on tasaisesti täynnä näkymätöntä ainetta - jota nykyään kutsutaan Higgs-kenttään -, joka kohdistaa hiukkasiin vetävän voiman, kun ne kiihtyvät sen läpi. Työnnä perushiukkasia pyrkiessäsi lisäämään sen nopeutta, ja Higgsin mukaan koet tämän voimavoiman vastuksena. Perusteellisesti tulkitsisit resistanssin hiukkasen massana. Mielenterveyden kannalta kannattaa ajatella veteen upotettua pingispallopalloa. Kun painat pingispallon päälle, se tuntuu paljon massiivisemmalta kuin veden ulkopuolella. Sen vuorovaikutuksessa vetisen ympäristön kanssa on se vaikutus, että se antaa massalle. Joten Higgs-kenttään upotettujen hiukkasten kanssa.
Vuonna 1964 Higgs lähetti paperin merkittävälle fysiikan päiväkirjalle, jossa hän muotoili tämän idean matemaattisesti. Paperi hylättiin. Ei siksi, että se sisälsi teknisen virheen, vaan siksi, että lähtökohta näkymättömästä, läpäisevästä tilasta, joka vuorovaikutuksessa partikkeleiden kanssa antaa niiden massan, no, se kaikki tuntui vain kasaan ylikuormitettua keinottelua. Lehden toimittajat katsoivat, että sillä ei "ole selvää merkitystä fysiikalle".
Mutta Higgs pysyi sitkeänä (ja hänen muutettu paperi ilmestyi myöhemmin samana vuonna toisessa lehdessä), ja fyysikot, jotka pitivät aikaa tutkia ehdotusta, vähitellen ymmärsivät, että hänen ajatuksensa oli nerokkuus, joka antoi heidän saada kakunsa ja syödä sen myös. . Higgs-kaaviossa perusyhtälöt voivat säilyttää koskemattoman muodonsa, koska hiukkasten massojen tarjoamisen likainen työ joutuu ympäristöön.
Vaikka en ollut lähellä todistamassa Higgsin ehdotuksen hylkäämistä vuonna 1964 (no, olin noin, mutta vain tuskin), voin todistaa, että arvio 1980-luvun puoliväliin mennessä oli muuttunut. Fysiikkayhteisö oli suurimmaksi osaksi täysin ajatellut ajatusta siitä, että tilassa olisi ollut Higgs-kenttä. Itse asiassa jatko-opintokurssilla otin sellaisen, joka tunnetaan hiukkasfysiikan standardimallina (fyysikot ovat koonneet kvantt yhtälöt kuvaamaan ainepartikkeleita ja hallitsevia voimia, joilla ne vaikuttavat toisiinsa), professori esitti Higgsin kenttä sellaisella varmuudella, että pitkään minulla ei ollut aavistustakaan, se oli vielä perustettava kokeellisesti. Toisinaan niin tapahtuu fysiikassa. Matemaattiset yhtälöt voivat joskus kertoa niin vakuuttavan tarinan, että ne näyttävät säteilevän todellisuutta niin voimakkaasti, että ne juurtuvat työskentelevien fyysikkojen kansankieleksi, jopa ennen kuin on olemassa tietoja niiden vahvistamiseksi.
Mutta linkki todellisuuteen voidaan väärentää vain tiedoilla. Kuinka voimme testata Higgs-kenttää? Tähän kohtaan tulee suuri Hadron-törmäyslaite (LHC). LHC on satojen telakoiden päässä Geneven alla Sveitsistä, ylittäen Ranskan rajan ja takaisin, LHC on lähes 17 mailin pituinen pyöreä tunneli, joka toimii kilparadalla puristaen yhdessä ainepartikkelit. LHC: tä ympäröi noin 9 000 suprajohtavaa magneettia, ja siinä asuu protonien virtaviiva, joka pyöräilee tunnelin ympäri molempiin suuntiin, jota magneetit kiihdyttävät pelkäämään vain valon nopeutta. Sellaisilla nopeuksilla protonit piiskaavat tunnelin ympäri noin 11 000 kertaa sekunnissa, ja kun magneetit ohjaavat niitä, miljoonat törmäykset silmänräpäyksessä. Törmäykset puolestaan tuottavat ilotulitusmaisia hiukkassuihkeita, jotka mammuttinilmaisimet vangitsevat ja tallentavat.
Yksi tärkeimmistä motiiveista LHC: lle, joka maksaa noin 10 miljardia dollaria ja johon osallistuu tuhansia tutkijoita kymmenistä maista, oli todisteiden etsiminen Higgs-kentälle. Matematiikka osoitti, että jos idea on oikea, jos olemme todella uppoutuneita Higgs-kentän valtamereen, väkivaltaisten hiukkas törmäysten pitäisi pystyä pellon pintaan, samoin kuin kahden törmäävän sukellusveneen koskettaa vettä ympärillään. Ja joka niin usein, jigglingin tulisi olla oikein heilauttaa pois pellolta - pieni pisara Higgsin valtamerestä -, joka ilmestyisi kauan etsimäksi Higgs-hiukkaseksi.
Laskelmat osoittivat myös, että Higgs-hiukkanen olisi epävakaa, hajoaen muihin hiukkasiin sekunnin pienessä osassa. Törmäyshiukkasten ja hiukkasmaisten roskien pilvehtivien pilvien sisällä tutkijat, jotka on aseistettu voimakkaalla tietokoneella, etsivät Higgsin sormenjälkeä - kaavaa hajoamistuotteista, jotka ovat yhtälöiden sanelemia.
Kokoin 4. heinäkuuta 2012 varhain aamutunneilla noin 20 muun taiteilijan kanssa Aspen-fysiikan keskuksen kokoushuoneeseen katsomaan lehdistötilaisuuden suoraa virtaa Geneven suurissa hadronin kolareissa. Noin kuusi kuukautta aiemmin kaksi riippumatonta tutkijaryhmää, joiden tehtävänä oli kerätä ja analysoida LHC-tietoja, olivat ilmoittaneet vahvan osoituksen Higgs-hiukkasten löytämisestä. Fysiikkayhteisön ympäri lentävä huhu oli, että joukkueilla oli lopulta riittävästi todisteita lopullisen väitteen esittämiseksi. Yhdessä sen tosiasian kanssa, että Peter Higgsiä itse oli pyydetty tekemään matka Geneveen, siellä oli runsaasti motivaatiota pysyä yli kello 3 kuulla ilmoituksen suorana lähetyksenä.
Ja kun maailma tuli oppimaan nopeasti, todisteet Higgs-hiukkasten havaitsemisesta olivat riittävän vahvoja ylittämään löytökynnyksen. Kun Higgs-partikkeli löydettiin nyt virallisesti, yleisö Genevessä puhkesi villeihin suosionosoituksiin, samoin kuin pieni ryhmämme Aspenissa, ja epäilemättä kymmeniä samanlaisia kokoontumisia ympäri maailmaa. Peter Higgs pyyhki kyyneleen.
Vuotta jälkikäteen ja lisätietoja, jotka ovat vain tehneet Higgsin tapauksen vahvemmaksi, kerrotaan löytön tärkeimmistä vaikutuksista tässä.
Ensinnäkin, olemme jo kauan tienneet, että avaruudessa on näkymättömiä asukkaita. Radio- ja televisioaallot. Maan magneettikenttä. Painovoimakentät. Mutta mikään näistä ei ole pysyvää. Mikään ei ole muuttumaton. Mikään ei ole läsnä tasaisesti koko maailmankaikkeudessa. Tältä osin Higgs-kenttä on pohjimmiltaan erilainen. Uskomme, että sen arvo on sama maan päällä kuin Saturnuksen lähellä, Orionin sumuilla, koko Andromedan galaksissa ja kaikkialla muualla. Sikäli kuin voimme kertoa, Higgs-kenttä on jätetty pysyvästi alueelliseen kankaaseen.
Toiseksi Higgs-hiukkanen edustaa uutta ainemuotoa, jota oli odotettu laajasti vuosikymmenien ajan, mutta jota ei koskaan ollut nähty. 1900-luvun alkupuolella fyysikot tajusivat, että hiukkasilla on massan ja sähkövarauksen lisäksi myös kolmas määrittelevä ominaisuus: niiden kehruu. Mutta toisin kuin lapsen pää, hiukkasen spin on luontainen ominaisuus, joka ei muutu; se ei nopeuta tai hidasta ajan myötä. Kaikilla elektronilla ja kvarkeilla on sama spin-arvo, kun taas fotonien - valon hiukkasten - spin on kaksinkertainen kuin elektronien ja kvarkkien. Higgs-hiukkasia kuvaavat yhtälöt osoittivat, että - toisin kuin mikään muu perushiukkaslaji, siinä ei pitäisi olla lainkaan pyöriä. Suuren hadronikopterin tiedot ovat nyt vahvistaneet tämän.
Uuden aineen muodon olemassaolon toteaminen on harvinainen saavutus, mutta tuloksella on resonanssia toisella alalla: kosmologia, tieteellinen tutkimus siitä, kuinka koko maailmankaikkeus alkoi ja kehittyi muotoon, jota nyt todistamme. Monien vuosien ajan Big Bang -teoriaa opiskelleet kosmologit olivat tylsistyneitä. He olivat laatineet yhdessä vankan kuvauksen siitä, kuinka maailmankaikkeus kehittyi sekunnin murtumisesta alkamisen jälkeen, mutta he eivät pystyneet antamaan ymmärrystä siitä, mikä ajoi tilaa alkaa laajentua. Mikä voima olisi voinut vaikuttaa niin voimakkaasti ulospäin? Kaikesta menestyksestään Big Bang -teoria jätti tyhjennyksen.
1980-luvulla löydettiin mahdollinen ratkaisu, joka soi ääneen Higgsian kellon. Jos avaruusalue riittää tasaisesti kentän kanssa, jonka hiukkasmaiset ainesosat ovat ruostumattomia, Einsteinin teoria painovoimasta (yleinen suhteellisuusteoria) paljastaa, että voimakas heijastusvoima voi syntyä - bang, ja iso siinä. Laskelmat osoittivat, että oli vaikeaa toteuttaa tätä ajatusta itse Higgs-kentän kanssa; kaksinkertainen velvollisuus tuottaa hiukkasmassoja ja polttaa pahaa osoittaa merkittävää taakkaa. Mutta ymmärtäväiset tutkijat tajusivat, että asettamalla toisen “Higgsin kaltaisen” kentän (jolla on sama häviävä spin, mutta erilainen massa ja vuorovaikutukset), he voisivat jakaa taakan - yhden kentän massalle ja toisen torjuvalle työntämiselle - ja tarjota pakottava selitys bangista. Tämän vuoksi yli 30 vuoden ajan teoreettiset fyysikot ovat tutkineet voimakkaasti kosmologisia teorioita, joissa sellaisilla Higgsin kaltaisilla kentillä on olennainen osa. Tuhansia lehtiartikkeleita on kirjoitettu näiden ideoiden kehittämiseksi, ja miljardeja dollareita on käytetty syvän avaruuden havainnointiin epäsuoran näytön löytämiseksi ja löytämiseksi, että nämä teoriat kuvaavat tarkasti maailmankaikkeuttamme. LHC: n vahvistus siitä, että ainakin yksi tällainen kenttä on todella olemassa, asettaa siten kosmologisten teoreettisten sukupolvien paljon vahvemmalle pohjalle.
Viimeisenä, ja ehkä tärkeimpänä, Higgs-hiukkasen löytö on hämmästyttävä voitto matematiikan voimasta paljastaa maailmankaikkeuden toiminta. Se on tarina, joka on koottu fysiikassa useita kertoja, mutta jokainen uusi esimerkki jännittää samalla tavalla. Saksalaisten fyysikko Karl Schwarzchildin matemaattisista analyyseistä ilmeni mustien reikien mahdollisuus; Myöhemmät havainnot osoittivat mustien reikien olevan todellisia. Big Bang -kosmologia syntyi Alexander Friedmannin ja myös Georges Lemaîtren matemaattisista analyyseistä; Myöhemmät havainnot osoittivat myös tämän käsityksen olevan oikea. Antiaineen käsite syntyi ensin kvanttifysiikan Paul Diracin matemaattisista analyyseistä; myöhemmät kokeet osoittivat, että myös tämä ajatus on oikea. Nämä esimerkit antavat käsityksen siitä, mitä suuri matemaattinen fyysikko Eugene Wigner puhui ”matematiikan kohtuuttomasta tehokkuudesta fyysisen maailmankaikkeuden kuvaamisessa”. Higgs-kenttä syntyi matemaattisista tutkimuksista, joissa etsittiin mekanismia hiukkasten saamiseksi massalle. Ja taas matematiikka on tullut läpi lentävillä väreillä.
Itse teoreettisena fyysikkona, yksi monista, joka on omistautunut etsimään sitä, mitä Einstein kutsui “yhtenäiseksi teokseksi” - syvästi piilotetut yhteydet kaikkien luonnon voimien ja aineiden välillä, joista Einstein haaveili, kauan sen jälkeen kun kompassin salaperäiset toiminnot olivat koukussa fysiikkaan. - Higgin löytö on erityisen ilahduttavaa. Työtämme ohjaa matematiikka, eikä se ole toistaiseksi ottanut yhteyttä kokeelliseen tietoon. Odotamme innokkaasti vuotta 2015, jolloin päivitetty ja vielä tehokkaampi LHC kytketään takaisin päälle, koska on olemassa taistelumahdollisuus, että uudet tiedot osoittavat, että teoriamme ovat menossa oikeaan suuntaan. Tärkeimpiin välitavoitteisiin sisältyy tähän mennessä näkymättömien hiukkasten luokan löytäminen (joita kutsutaan ”supersymmetrisiksi” hiukkasiksi), jotka yhtälömme ennustavat, tai vihjeitä alueellisten ulottuvuuksien villistä mahdollisuudesta niiden kolmen sijaan, joita me kaikki koemme. Vielä mielenkiintoisempaa olisi löytää jotain täysin odottamatonta, lähettämällä meidät kaikki scurrying takaisin taulullemme.
Monet meistä ovat yrittäneet skaalata näitä matemaattisia vuoria 30 vuotta, jotkut jopa pidempään. Toisinaan olemme tunteneet, että yhtenäinen teoria oli aivan käden ulottuvilla, kun taas toisinaan rypätämme todella pimeässä. Se on suuri vauhtomme sukupolvellemme todistamassa Higgsin vahvistuksia, todistamassa neljän vuosikymmenen ikäisiä matemaattisia oivalluksia, jotka toteutuvat LHC-ilmaisimien popina ja crackleina. Se muistuttaa meitä ottamaan sydämemme Nobel-palkinnon saajan Steven Weinbergin sanat: ”Meidän virheemme ei ole se, että otamme teorioita liian vakavasti, mutta emme ota niitä riittävän vakavasti. Aina on vaikea ymmärtää, että näillä numeroilla ja yhtälöillä, joiden kanssa työskentelemme työpöydällämme, on jotain tekemistä todellisen maailman kanssa. ”Toisinaan näillä numeroilla ja yhtälöillä on häikäilemätön, melkein ikävä kyky valaista muutoin todellisuuden pimeät kulmat. Kun he tekevät, pääsemme niin paljon lähempänä tarttumaan paikkaamme kosmossa.
