พูดง่ายๆ ก็คือ ฮิกส์โบซอนเป็นอนุภาคที่แพงที่สุดตลอดกาล ตัวอย่างเช่น หากหลอดสุญญากาศและสมองอันชาญฉลาดสองคนเพียงพอที่จะค้นพบอิเล็กตรอน การค้นหา Higgs boson จำเป็นต้องมีการสร้างพลังงานทดลองซึ่งไม่ค่อยพบบนโลก Large Hadron Collider ไม่จำเป็นต้องมีการแนะนำ เนื่องจากเป็นหนึ่งในการทดลองทางวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงและประสบความสำเร็จมากที่สุด แต่อนุภาคที่มีรายละเอียดเหมือนเมื่อก่อนนั้นปกคลุมไปด้วยความลึกลับสำหรับประชากรส่วนใหญ่ มันถูกเรียกว่าอนุภาคพระเจ้า อย่างไรก็ตาม ด้วยความพยายามของนักวิทยาศาสตร์หลายพันคน เราไม่จำเป็นต้องยอมรับการมีอยู่ของมันด้วยศรัทธาอีกต่อไป
ไม่ทราบครั้งสุดท้าย
ฮิกส์โบซอนคืออะไร และการค้นพบนี้มีความสำคัญอย่างไร? เหตุใดจึงกลายเป็นหัวข้อของการโฆษณา การระดมทุน และข้อมูลที่ไม่ถูกต้อง ด้วยเหตุผลสองประการ อย่างแรก มันเป็นอนุภาคสุดท้ายที่ยังไม่ถูกค้นพบเพื่อยืนยันแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ การค้นพบของเธอหมายความว่าสิ่งพิมพ์ทางวิทยาศาสตร์ทั้งรุ่นไม่ได้ไร้ประโยชน์ ประการที่สอง โบซอนนี้ทำให้อนุภาคอื่นๆ มีมวล ซึ่งให้ความหมายพิเศษและ "เวทย์มนตร์" บางอย่าง เรามักจะนึกถึงมวลเป็นคุณสมบัติที่แท้จริงของสิ่งต่าง ๆ แต่นักฟิสิกส์คิดอย่างอื่น พูดง่ายๆ ก็คือ ฮิกส์โบซอนเป็นอนุภาคที่ไม่มีมวลซึ่งไม่มีอยู่ในหลักการ
อีกสนาม
เหตุผลอยู่ในเขตที่เรียกว่าฮิกส์ มันถูกอธิบายไว้ก่อนที่ฮิกส์โบซอนเพราะนักฟิสิกส์คำนวณตามความต้องการของทฤษฎีและการสังเกตของตนเองซึ่งจำเป็นต้องมีฟิลด์ใหม่ซึ่งการกระทำจะขยายไปทั่วทั้งจักรวาล การเสริมสมมติฐานด้วยการประดิษฐ์ส่วนประกอบใหม่ของจักรวาลเป็นสิ่งที่อันตราย ในอดีต ตัวอย่างเช่น สิ่งนี้นำไปสู่การสร้างทฤษฎีอีเทอร์ แต่ยิ่งมีการคำนวณทางคณิตศาสตร์มากขึ้น นักฟิสิกส์ยิ่งเข้าใจว่าสนามฮิกส์ต้องมีอยู่จริง ปัญหาเดียวคือไม่มีวิธีการปฏิบัติในการสังเกตเขา
ในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ อนุภาคมูลฐานจะได้รับมวลผ่านกลไกโดยอิงจากการมีอยู่ของสนามฮิกส์ที่แทรกซึมอยู่ในพื้นที่ทั้งหมด มันสร้าง Higgs boson ซึ่งต้องใช้พลังงานเป็นจำนวนมาก และนี่คือเหตุผลหลักว่าทำไมนักวิทยาศาสตร์จึงต้องการเครื่องเร่งอนุภาคที่ทันสมัยเพื่อทำการทดลองที่มีพลังงานสูง
มวลมาจากไหน
ความแรงของปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่อ่อนแอลดลงอย่างรวดเร็วตามระยะห่างที่เพิ่มขึ้น ตามทฤษฎีสนามควอนตัม นี่หมายความว่าอนุภาคที่เกี่ยวข้องกับการสร้าง - W- และ Z-bosons - ต้องมีมวล ซึ่งแตกต่างจากกลูออนและโฟตอนซึ่งไม่มีมวล
ปัญหาคือทฤษฎีเกจจัดการกับองค์ประกอบที่ไม่มีมวลเท่านั้น หากเกจโบซอนมีมวล สมมติฐานดังกล่าวก็ไม่สามารถกำหนดได้อย่างสมเหตุสมผล กลไก Higgs หลีกเลี่ยงปัญหานี้ด้วยการแนะนำฟิลด์ใหม่ที่เรียกว่าฟิลด์ Higgs ที่พลังงานสูง เกจโบซอนจะไม่มีมวล และสมมติฐานก็เป็นไปตามที่คาดไว้ ที่พลังงานต่ำ สนามจะทำให้เกิดการหักสมมาตรที่ทำให้องค์ประกอบมีมวล
ฮิกส์โบซอนคืออะไร
สนามฮิกส์สร้างอนุภาคที่เรียกว่าฮิกส์โบซอน มวลของพวกมันไม่ได้ระบุโดยทฤษฎี แต่จากการทดลองพบว่ามีค่าเท่ากับ 125 GeV พูดง่ายๆ ก็คือ Higgs boson ได้ยืนยันอย่างชัดเจนถึง Standard Model ด้วยการมีอยู่ของมัน
กลไกสนามและโบซอนเป็นชื่อของนักวิทยาศาสตร์ชาวสก็อตปีเตอร์ ฮิกส์ แม้ว่าเขาจะไม่ใช่คนแรกที่เสนอแนวคิดเหล่านี้ แต่ตามปกติในวิชาฟิสิกส์ เขาก็มักจะเป็นคนที่ถูกตั้งชื่อตามชื่อเหล่านั้น
สมมาตรเสีย
สนามฮิกส์คิดว่าจะต้องรับผิดชอบต่อความจริงที่ว่าอนุภาคที่ไม่ควรมีมวลทำ นี่คือสื่อสากลที่ให้อนุภาคไร้มวลที่มีมวลต่างกัน การละเมิดความสมมาตรดังกล่าวอธิบายได้ด้วยการเปรียบเทียบกับแสง - ความยาวคลื่นทั้งหมดเคลื่อนที่ในสุญญากาศด้วยความเร็วเท่ากัน ในขณะที่ความยาวคลื่นแต่ละช่วงในปริซึมสามารถแยกแยะได้ แน่นอนว่านี่เป็นการเปรียบเทียบที่ไม่ถูกต้อง เนื่องจากแสงสีขาวมีความยาวคลื่นทั้งหมด แต่ตัวอย่างแสดงให้เห็นว่าการสร้างมวลโดยสนามฮิกส์ดูเหมือนจะเกิดจากการแตกหักของสมมาตร ปริซึมทำลายความสมมาตรของความเร็วของความยาวคลื่นต่างๆ ของแสงโดยการแยกพวกมันออกจากกัน และสนามฮิกส์นั้นคิดว่าจะทำลายสมมาตรของมวลของอนุภาคบางตัวที่ไม่มีมวลแบบสมมาตร
จะอธิบายคำว่า Higgs boson แบบง่ายๆ ได้อย่างไร? เมื่อไม่นานมานี้ นักฟิสิกส์ได้ตระหนักว่าหากมีสนามฮิกส์อยู่จริง การดำเนินการของสนามจะต้องมีตัวพาที่เหมาะสมพร้อมคุณสมบัติที่สามารถสังเกตได้ สันนิษฐานว่าอนุภาคนี้เป็นของโบซอน พูดง่ายๆ ก็คือ ฮิกส์โบซอนคือสิ่งที่เรียกว่าแรงพาหะ เช่นเดียวกับโฟตอน ซึ่งเป็นพาหะของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของจักรวาล ในแง่หนึ่งโฟตอนเป็นตัวกระตุ้นในท้องถิ่นเช่นเดียวกับที่ Higgs boson เป็นตัวกระตุ้นในท้องถิ่นของสนาม การพิสูจน์การมีอยู่ของอนุภาคที่มีคุณสมบัติตามที่นักฟิสิกส์คาดหวัง อันที่จริง เท่ากับการพิสูจน์การมีอยู่ของสนามโดยตรง
การทดลอง
การวางแผนหลายปีทำให้ Large Hadron Collider (LHC) กลายเป็นข้อพิสูจน์ถึงการพิสูจน์ศักยภาพของทฤษฎี Higgs boson วงแหวนแม่เหล็กไฟฟ้าทรงพลังยิ่งยาวระยะทาง 27 กม. สามารถเร่งอนุภาคที่มีประจุให้เร็วขึ้นเป็นเศษส่วนสำคัญของความเร็วแสง ทำให้เกิดการชนที่รุนแรงพอที่จะแยกอนุภาคออกเป็นส่วนประกอบ และทำให้พื้นที่รอบจุดที่กระทบเสียรูป ตามการคำนวณที่พลังงานการชนกันในระดับที่สูงเพียงพอสามารถชาร์จโบซอนเพื่อให้สลายได้และนี่อาจเป็นได้จะดู พลังงานนี้ยิ่งใหญ่มากจนบางคนถึงกับตื่นตระหนกและทำนายวันสิ้นโลก และจินตนาการของคนอื่นไปไกลถึงขนาดที่การค้นพบ Higgs boson เป็นโอกาสในการมองไปยังมิติอื่น
การยืนยันครั้งสุดท้าย
การสังเกตครั้งแรกดูเหมือนจะหักล้างการคาดการณ์จริง ๆ และไม่พบร่องรอยของอนุภาค นักวิจัยบางคนที่เกี่ยวข้องในการรณรงค์เพื่อใช้จ่ายหลายพันล้านดอลลาร์แม้จะปรากฏตัวทางโทรทัศน์และพูดอย่างสุภาพว่าการปฏิเสธทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์มีความสำคัญพอ ๆ กับการยืนยัน อย่างไรก็ตาม หลังจากผ่านไประยะหนึ่ง การวัดเริ่มรวมกันเป็นภาพรวม และในวันที่ 14 มีนาคม 2013 CERN ได้ประกาศอย่างเป็นทางการถึงการยืนยันการมีอยู่ของอนุภาค มีหลักฐานที่บ่งชี้ถึงการมีอยู่ของโบซอนหลายตัว แต่แนวคิดนี้จำเป็นต้องศึกษาเพิ่มเติม
สองปีหลังจากที่ CERN ประกาศการค้นพบอนุภาค นักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานที่ Large Hadron Collider ก็สามารถยืนยันได้ ในอีกด้านหนึ่ง นี่เป็นชัยชนะครั้งใหญ่ของวิทยาศาสตร์ และในทางกลับกัน นักวิทยาศาสตร์หลายคนรู้สึกผิดหวัง หากใครคาดหวังว่า Higgs boson จะเป็นอนุภาคที่จะนำไปสู่บริเวณที่แปลกประหลาดและมหัศจรรย์เกินกว่าแบบจำลองมาตรฐาน - สมมาตรยิ่งยวด สสารมืด พลังงานมืด - โชคไม่ดีที่สิ่งนี้กลับกลายเป็นว่าไม่เป็นเช่นนั้น
การศึกษาที่ตีพิมพ์ใน Nature Physics ได้ยืนยันการสลายตัวเป็น fermions แบบจำลองมาตรฐานทำนายว่า ในแง่ง่าย โบซอนฮิกส์เป็นอนุภาคที่ให้เฟอร์มิออนมีมวล ในที่สุดเครื่องตรวจจับของ CMS collider ก็ยืนยันการสลายตัวของพวกมันเป็น fermions - ควาร์กและเทาเลปตอน
ฮิกส์โบซอนในแง่ง่าย: มันคืออะไร?
ในที่สุดการศึกษานี้ก็ได้ยืนยันว่านี่คือ Higgs boson ที่ทำนายโดยแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค ตั้งอยู่ในเขตพลังงานมวล 125 GeV ไม่มีการหมุนและสามารถสลายตัวเป็นองค์ประกอบที่เบากว่าได้หลายอย่าง - โฟตอนคู่ fermion ฯลฯ ด้วยเหตุนี้เราจึงสามารถพูดได้อย่างมั่นใจว่า Higgs boson ในแง่ง่าย เป็นอนุภาคที่ให้มวลแก่ทุกสิ่ง
ผิดหวังกับการทำงานเริ่มต้นขององค์ประกอบที่เพิ่งเปิดใหม่ หากการสลายตัวของมันแตกต่างกันเล็กน้อย มันก็จะเกี่ยวข้องกับเฟอร์มิออนแตกต่างกัน และแนวทางการวิจัยใหม่ๆ ก็จะเกิดขึ้น ในทางกลับกัน นี่หมายความว่าเราไม่ได้ก้าวข้ามรุ่นมาตรฐานไปแม้แต่ก้าวเดียว ซึ่งไม่คำนึงถึงแรงโน้มถ่วง พลังงานมืด สสารมืด และปรากฏการณ์แปลกประหลาดอื่นๆ ของความเป็นจริง
ตอนนี้คงเดาได้อย่างเดียวว่าเกิดจากอะไร ทฤษฎีที่ได้รับความนิยมมากที่สุดคือสมมาตรยิ่งยวด ซึ่งระบุว่าทุกอนุภาคในแบบจำลองมาตรฐานมีซูเปอร์พาร์ตเนอร์ที่หนักอย่างเหลือเชื่อ (ซึ่งคิดเป็น 23% ของจักรวาล - สสารมืด) การอัพเกรดคอลไลเดอร์โดยเพิ่มพลังงานการชนกันเป็นสองเท่าเป็น 13 TeV จะทำให้สามารถตรวจจับอนุภาคซุปเปอร์เหล่านี้ได้ มิฉะนั้น ความสมมาตรยิ่งยวดจะต้องรอการสร้างผู้สืบทอดที่ทรงอิทธิพลกว่าต่อ LHC
โอกาสต่อไป
แล้วฟิสิกส์จะเป็นอย่างไรหลังจากฮิกส์โบซอน? LHC เพิ่งเริ่มทำงานต่อด้วยการปรับปรุงที่สำคัญ และสามารถเห็นทุกอย่างตั้งแต่ปฏิสสารไปจนถึงพลังงานมืด เชื่อกันว่าสสารมืดมีปฏิสัมพันธ์กับสสารธรรมดาผ่านแรงโน้มถ่วงและการสร้างมวลเท่านั้น และความสำคัญของฮิกส์โบซอนเป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร ข้อเสียเปรียบหลักของแบบจำลองมาตรฐานคือมันไม่สามารถอธิบายผลกระทบของแรงโน้มถ่วงได้ โมเดลดังกล่าวสามารถเรียกได้ว่าเป็นทฤษฎีเอกภาพอันยอดเยี่ยม และบางคนเชื่อว่าอนุภาคและสนามฮิกส์อาจเป็นสะพานที่นักฟิสิกส์ต้องการจะหาพบ
การมีอยู่ของฮิกส์โบซอนได้รับการยืนยันแล้ว แต่ความเข้าใจอย่างถ่องแท้ก็ยังห่างไกลออกไป การทดลองในอนาคตจะหักล้างสมมาตรยิ่งยวดและแนวคิดเรื่องการสลายตัวของสสารมืดเองหรือไม่? หรือพวกเขาจะยืนยันทุกรายละเอียดสุดท้ายของการคาดการณ์ของแบบจำลองมาตรฐานเกี่ยวกับคุณสมบัติของฮิกส์โบซอนและยุติการวิจัยด้านนี้ตลอดไปหรือไม่
