Vi kjenner og elsker Higgs boson - som til fysikernes chagrin feilaktig er blitt merket i media som "Gud-partikkelen" - en subatomisk partikkel som først ble oppdaget i Large Hadron Collider (LHC) tilbake i 2012. Den partikkelen er et stykke av et felt som gjennomsyrer all romtid; det samhandler med mange partikler, som elektroner og kvarker, og gir de partiklene masse, som er ganske kult.
Men Higgs som vi oppdaget var overraskende lett. I følge våre beste estimater, burde det ha vært mye tyngre. Dette åpner opp et interessant spørsmål: Jada, vi oppdaget en Higgs boson, men var det den eneste Higgs boson? Er det flere som flyter rundt der ute og gjør sine egne ting?
Selv om vi ennå ikke har noen bevis for en tyngre Higgs, graver et team av forskere basert på LHC, verdens største atomutvikler, seg inn i det spørsmålet mens vi snakker. Og det er snakk om at mens protoner knuses sammen inne i den ringformede kollideren, kan heftige Higgs og til og med Higgs-partikler som består av forskjellige typer Higgs komme ut av skjul.
Hvis den tunge Higgs faktisk eksisterer, må vi konfigurere vår forståelse av standardmodellen for partikkelfysikk med den nyvunne erkjennelsen av at det er mye mer for Higgs enn det som møter øyet. Og innenfor disse komplekse interaksjonene kan det være en ledetråd til alt fra massen av den spøkelsesaktige neutrinopartikkelen til universets endelige skjebne.
Alt om boson
Uten Higgs-bosonet kommer stort sett hele Standard-modellen til å krasje. Men for å snakke om Higgs-bosonen, må vi først forstå hvordan Standardmodellen ser på universet.
I vår beste forestilling om den subatomære verdenen ved bruk av standardmodellen er det vi tenker på som partikler faktisk ikke veldig viktig. I stedet er det felt. Disse feltene gjennomsyrer og suger opp all tid og tid. Det er ett felt for hver type partikkel. Så det er et felt for elektroner, et felt for fotoner, og så videre og så videre. Det du tenker på som partikler er virkelig lokale små vibrasjoner i deres bestemte felt. Og når partikler samvirker (ved, for eksempel å hoppe av hverandre), er det virkelig vibrasjonene i felt som gjør en veldig komplisert dans.
Higgs boson har en spesiell type felt. Som de andre feltene, gjennomsyrer det all tid og tid, og det blir også å snakke og leke med alle andres felt.
Men Higgs-feltet har to veldig viktige jobber som ikke kan oppnås på noe annet felt.
Den første jobben er å snakke med W- og Z-bosonene (via deres respektive felt), transportørene av den svake atomstyrken. Ved å snakke med disse andre bosonene, er Higgs i stand til å gi dem masse og sørge for at de holder seg adskilt fra fotonene, bærere av elektromagnetisk kraft. Uten at Higgs boson løpende forstyrrelser, ville alle disse transportørene bli slått sammen og de to styrkene ville slå seg sammen.
Den andre jobben til Higgs-bosonet er å snakke med andre partikler, som elektroner; gjennom disse samtalene gir det dem også masse. Alt fungerer bra, fordi vi ikke har noen annen måte å forklare massene på disse partiklene på.
Lett og tungt
Alt ble utarbeidet på 1960-tallet gjennom en serie med komplisert, men sikkert elegant matematikk, men det er bare en liten hiss å teorien: Det er ingen reell måte å forutsi den eksakte massen til Higgs boson. Med andre ord, når du går og leter etter partikkelen (som er den lille lokale vibrasjonen i det mye større feltet) i en partikkeloppsamler, vet du ikke nøyaktig hva og hvor du skal finne den.
I 2012 kunngjorde forskere ved LHC funnet av Higgs-bosonet etter å ha funnet noen få av partiklene som representerer Higgs-feltet hadde blitt produsert da protoner ble knust inn i hverandre i nær lyshastighet. Disse partiklene hadde en masse på 125 gigaelektronvolt (GeV), eller omtrent tilsvarer 125 protoner - så det er litt tungt, men ikke utrolig stort.
Ved første øyekast høres alt det bra ut. Fysikere hadde egentlig ikke en fast prediksjon for massen av Higgs-boson, så det kunne være hva det ville være; Vi fant tilfeldigvis massen innenfor energiområdet til LHC. Bryt ut boblen, og la oss begynne å feire.
Bortsett fra at det er noen nølende, slags slags halvforutsigelser om massen av Higgs-boson basert på måten den samhandler med enda en partikkel, toppkvarken. Disse beregningene spår en tallvei høyere enn 125 GeV. Det kan bare være at disse spådommene er gale, men da må vi sirkle tilbake til regnestykket og finne ut hvor ting går i høysetet. Eller misforholdet mellom brede spådommer og realiteten til det som ble funnet inne i LHC, kan bety at det er mer i Higgs boson-historien.
Enorm Higgs
Det kan godt være en hel mengde Higgs-bosoner der ute som er for tunge til at vi kan se med vår nåværende generasjon av partikkeloppsamlere. (Masseenergi-saken går tilbake til Einsteins berømte E = mc ^ 2-ligning, som viser at energi er masse og masse er energi. Jo høyere partikkelmasse, jo mer energi den har, og jo mer energi tar det å skape så heftig ting.)
Faktisk spår noen spekulative teorier som skyver kunnskapen vår om fysikk utover Standardmodellen eksistensen av disse tunge Higgs-bosonene. Den nøyaktige arten av disse ekstra Higgs-karakterene avhenger selvfølgelig av teorien, alt fra bare ett eller to ekstra tunge Higgs-felt til til og med sammensatte strukturer laget av flere forskjellige typer Higgs-bosoner som henger sammen.
Teoretikere jobber hardt med å prøve å finne noen mulig måte å teste disse teoriene på, siden de fleste av dem rett og slett er utilgjengelige for aktuelle eksperimenter. I en fersk artikkel sendt til Journal of High Energy Physics, og publisert på nettet i preprint journal arXiv, har et team av fysikere fremmet et forslag om å søke etter eksistensen av flere Higgs-bosoner, basert på den særegne måten partiklene kan forfalle til lettere, lettere gjenkjennelige partikler, for eksempel elektroner, nøytrinoer og fotoner. Imidlertid er disse forfall ekstremt sjeldne, så selv om vi i prinsippet kan finne dem med LHC, vil det ta mange flere år å søke for å samle inn nok data.
Når det gjelder den tunge Higgs, er vi bare nødt til å være tålmodige.
