Хигс бозон гэж юу вэ ~ robomec

Энэ оны 7 сард Европын цөмийн судалгааны байгууллагын эрдэмтэд Хигс бозон байж болох шинэ эгэл бөөмийг нээсэн тухай тус блог мэдээлж байсан билээ. Тэгвэл энэ удаад "Бурханы бөөм" хэмээн нэрлэгдэх болсон Хигс бозон гэж яг юу болох, түүнийг хэрхэн илрүүлсэн тухай дэлгэрэнгүй мэдээллийг хүргэж байна.

Орчлон ертөнц юунаас бүтдэг тухай бодол эргэцүүлэл манай эрний өмнөх үеэс эхэлжээ. Эртний грекийн философич Демокрит юмс нүдэнд үл үзэгдэх жижиг хэсгүүдээс бүрдэнэ хэмээн урьдчилан хэлж байв. Тэгвэл 20-р зууны эхэн үед Францын физикч Жан Перин материйг бүрдүүлэгч үндсэн бүтэц болох атомыг нээжээ. Түүний хэмжээ өчүүхэн жижиг бөгөөд миллиметрийг 10 сая хуваасны нэгтэй тэнцэх зүйл байв. Удалгүй японы физикч Нагаока Хантаро атом илүү жижиг хэсгүүдээс бүрддэг хэмээн таамагласан бол түүнээс хойш 8 жилийн дараа Британийн химич, физикч Эрнест Резерфорд туршилтаар батлав. Атом нь материйн хамгийн жижиг хэсэг биш бөгөөд түүний төвд цөм байрлаж байв.

Энэ үеэс физикийн шинжлэх ухаан цаашид илүү хуваагдах боломжгүй эгэл бөөмсийн ертөнцөд шилжиж гаж (srtange), дээш (up), доош (down) кваркүүд нээгдэв. Гэтэл хожим нобелийн шагнал хүртсэн Японы эрдэмтэн Масукава Тошихидэ, Кобаяши Макодо нар тэдгээрээс гадна өөр 3 төрлийн кварк байх ёстой хэмээн таамаглав. 6 жилийн дараа буюу 1974 онд хурдасгуурын тусламжтай хийсэн туршилтаар гоё (charm) хэмээн нэрлэгдэх 4 дэх кваркийг нээв. 1977 онд 5 дахь кварк ёроол (bottom), 1995 онд 6 дахь кварк таг (top) тус тус нээгдэв. Оршин байгааг нь эрдэмтэд урьдчилан таамаглана, тэр нь сүүлд туршилтаар батлагдана. Стандарт загварын онолын хүрээнд томъёологдсон 16 эгэл бөөм энэ л зарчимаар удаа дараалан нээгдсээр иржээ. Тэдгээрийн 12 нь материйг бүрдүүлэгч эгэл хэсгүүд бол 4 нь эгэл бөөмсийн хоорондын хүчний үйлчлэлийг хангана.

Тэгвэл эдгээрээс тэс өөр шинж чанар бүхий 17 дахь бөөмийн тухай таамаглал мөн л зарчимаас гажсангүй. Бөөмсийг урьдчилан таамаглах нь тийм ч амар ажил биш боловч шинэ бөөмийн таамаглал энгийн хүмүүс байтугай эрдэмтэдийн дунд ч ойлгомжгүй зүйл байв. Үнэн чанартаа тухайн үеийн эгэл бөөмийн физик асар их зөрчилдөөнтэй байжээ. Бөөмс нь материйг бүрдүүлэгч анхдагч бүтэц учир масстай байх учиртай. Гэтэл онолын тооцоололд шинэ эгэл бөөмийг оруулах шаардлагатай боловч түүнийг масстай хэмээн тооцох тохиолдолд уг онол хүчин төгөлдөр бус болно. Эрдэмтэд ийм зөрчилдөөнтэй онолоос бүрмөсөн татгалзаж шинийг боловсруулах шаардлагатай гэж үзэх болов.

Харин онолын физикч Питер Хигс өөр бодолтой байв. Эгэл бөөмсийн онолыг засварлаж, зөрчилдөөнийг арилгах хүсэл эрмэлзлэлээр дүүрэн байсан тэрээр 1977 онд нэгэн амралтын өдрөөр ойд зугаалж явтал "яагаад эгэл бөөмс массгүй байж болохгүй гэж" хэмээх бодол толгойд нь харван орж иржээ. "Зөрчилдөөнт онолыг засварлахад эгэл бөөмийн тухай шинэ ойлголт оруулж өгөхөд л хангалттай. Ерөөсөө бүх бөөмсийг массгүй хэмээн тооцоё. Бөөмс масстай байгаа нь тэдгээрт өөр нэгэн үл таних бөөм масс өгч байгаагаас хамаарна" хэмээн бодсон тэрээр онолын зөрчилдөөнийг бараг хүчээр шахуу шийдвэрлэв.

Харин гайхамшигт гэж хэлж болох энэхүү санаа хожим онолын физикт байхгүй байхын аргагүй суурь ойлголтуудын нэгт тооцогдох болжээ. Эрдэмтэд түүнд тулгуурласан шинэ онолууд дэвшүүлэн нобелийн шагнал (1979 онд Weinberg, 1999 онд Veltman, 2008 онд Кобаяши нар) хүртэх болов. Хигсийн таамагласан шинэ бөөмийг түүний нэрээр Хигс бозон хэмээн нэрлэх болжээ. Бид атомоос авахуулаад түүнийг бүрдүүлэгч эгэл бөөмсийг бөмбөлөг хэлбэртэй биет зүйлс хэмээн ойлгодог. Тэгвэл Хигс бозон нь бөөм биш бөгөөд үнэн чанартаа "орон" юм. Иймд түүнийг "Хигс орон" хэмээн нэрлэх нь зүйтэй. Хигс орон хэмээх ойлголтыг "соронзон орон"-оор төлөөлүүлэн ойлгож болох бөгөөд түүнтэй маш их төстэй.

Үл ялих налуу байрласан ширээний тавцангийн доод талд соронз байрлуулъя. Тавцангийн дээгүүр метал бөмбөлөгийг өнхрүүлбэл соронзны үүсгэх соронзон орны нөлөөгөөр түүний хөдөлгөөн нь удааширч, улмаар зогсоно. Соронзон орон бидний нүдэнд харагдахгүй боловч бөмбөлгийг татах чадвартай. Тэгвэл Хигс орон ч бас үүнтэй адил нүдэнд үл үзэгдэх бөөмсийг татаж, тэдгээрт масс өгдөг. Масстай болсон бөөмс соронзонд татагдах бөмбөлөг мэт хөдөлгөөн нь удааширна. Нөгөө талаас масс багатай биетийн хөдөлгөөн харьцангуй хурдан, харин масс ихтэй бол удаан байна.

Хэрэв ширээний тавцан доор соронз байрлуулаагүй бол бөмбөлөг өнхөрч тавцангаас унах болно. Үүнтэй адил Хигс орон үгүй бол эгэл бөөмс эцэс төгсгөлгүй хөдлөж, зүг чиггүй үсчин хурдлах болно. Орчлон ертөнцөд тархсан Хигс орны нөлөөгөөр бөөмс масстай болж, улмаар хоорондоо татагдан нэгдсэнээр биет, матер, одод, гариг эрхэсийг үүсгэжээ. Эгэл бөөмсийн оршин байгааг онолын хувьд тооцоолж, урьдчилан таамагласан бол тэдгээрийг туршилтаар нотлож, уг онолын үнэн эсэхийг шалгах шаардлага гарна. Тэгвэл нүдэнд үзэгдэж, гарт баригдахгүй Хигс оронг хэрхэн илрүүлэх вэ. Их хэмжээний энергийг нэгэн цэгт төвлөрүүлж чадвал тэр орчинд байрлах Хигс орныг өдөөж, түүнийг хэлбэлзүүлдэг байна.

Хигс бозон гэдэг нь үнэн чанартаа Хигс орны өдөөгдсөн төлөв байдал буюу бөөм хэлбэрийн ажиглагдахуйц хэлбэлзлийг нэрлэдэг ажээ. Туршилтын хүрээнд протонуудын мөргөлдөөний явцад их хэмжээний энерги ялгаруулж, Хигс орны хэлбэлзлийг ажиглах боломжтой боловч тэр нь хормын төдийд үргэлжлэх учир илрүүлэхэд асар хүндрэлтэй байв. Иймд түүнийг илрүүлэх эрдэмтэдийн оролдлого 20-оод жил үргэлжилжээ. 1980-аад оноос хийгдэж эхэлсэн Европын цөмийн судалгааны байгууллагын LEP хурдасгуурын тусламжтайгаар протоны мөргөлдүүлэх туршилтад найдлага тавьж байсан боловч хүссэн үр дүнд хүрсэнгүй. Хамгийн том саад бэрхшээл нь Хигс оронг хэлбэлзүүлэхэд ямар хэмжээний энерги шаардагдахыг мэдэхгүй байсан явдал байв.

LEP хурдасгуурын хүчин чадлыг 11 жилийн турш тогтмол нэмэгдүүлж, 114 гигаэлектронвольтод хүргэсэн боловч Хигс бозоныг илрүүлж чадсангүй. Харин LEP хурдасгуураас 10 дахин өндөр хүчин чадал бүхий LHC хурдасгуур 2008 онд ашиглалтад орсоноор энергийн асуудал шийдвэрлэгдэв. Гэвч Хигс бозоныг илрүүлэх нь хэцүү. Хигс оронд нөлөөлсөн ч түүний ажиглагдахуйц хэлбэлзэл секундийг 100 тэрбум хуваасны 1-тэй тэнцэх хугацаанд алга болно. Хэлбэлзлээс ёроол кварк үүсэх боловч түүнийг төхөөрөмжийн эргэн тойронд оршин байгаа бусад кваркуудаас ялган таних боломжгүй. Таниж болох 100 сая кваркын цорын ганц нь туршилтаас үүссэн кварк байдаг ажээ.

Харин Хигс бозоныг илрүүлэх боломжит арга нь гэрлийн бөөм буюу фотоныг хэмжих явдал байв. Хигсийн хэлбэлзлээс үүсэх гэрэл нь протоны мөргөлдөөнөөс үүсэх гэрлийн 1% байна. Иймд ёроол кварктай харьцуулахад түүнийг илрүүлэх магадлал олон дахин өндөр юм. Туршилтаар протоны мөргөлдөөнийг 1 их наяд удаа давтан явуулсны эцэст 126 гигаэлектронвольт энергийн үед гэрлийн фотоны хэмжээ маш багаар нэмэгдэж байгааг тогтоов. Энэ нь Хигс орны хэлбэлзлээс үүссэн гэрэл байх магадлал өндөр байгаа юм. Ийнхүү анхлан таамагласнаас хойш хагас зуун жилийн дараа сүүлийн бөөмийг илрүүлсэнд тооцож байна. Гэхдээ эрдэмтэд яг Хигс бозон хэмээн нотлохгүй байгаа бөгөөд Хигс бозон байж болох бөөмийг нээсэн хэмээн зарлаж байгаа юм.

Эрдэмтэдийн энэхүү тайлбар энгийн хүмүүст итгэлгүй, эргэлзээтэй сэтгэгдэл төрүүлж магадгүй. Гэвч үүний цаана шинжлэх ухааны илүү гайхалтай нууцад нэвтэрсэн байх магадлал давхар байж болохыг нуухгүй байна. Стандарт загварын онолоор орчлон ертөнцийг 17 анхдагч эгэл бөөмс бүрдүүлдэг. Гэвч энэ удаад илрүүлсэн Хигс бозон бидний оршин байгаагаас тэс өөр ертөнц буюу супер тэгш хэмт (supersymmetry) ертөнцөд хамаарах эгэл бөөм байж болохыг үгүйсгэхгүй байгаа юм. Хэрэв энэ таамаглал үнэн гэдэг нь нотлогдвол одоогоор хоорондоо зөрчилдөж буй орон, зай цаг хугацааны (харьцангуйн), квант механикийн, ивэлтэт (gauge) зэрэг онолуудыг хооронд нь холбоход нэг алхам ойртож байгаа хэрэг болно.

Дашрамд дурдахад физикийн нэр томьёны монгол орчуулгыг википедиа болон асуулт самбарын мэдээлэлд тулгуурлан хийв.

эх сурвалж, NHK