Урт удаан хугацааны хайгуул – Хигс бозон.

Нийтлэсэн Б Нямдаваа
2018-08-31
21

Өдгөөгөөс 50 гаруй жилийн өмнө их энерги, эгэл бөөмийн физикчид мухардалд ороод байлаа. Тэднийг мухардалаас Петер Хигс гэх 30 шүргэж явсан залуухан Британи гаралтай физикч аварсан юм. Түүний санаа тун энгийн: Материал судлал дахь тэгш хэм аяндаа эвдрэх үзэгдлийг яагаад эгэл бөөмийн физикт ашиглаж болохгүй гэж?

2013 онд физикийн салбар дахь нобелийн шагналыг Франсуа Энглерттэй хамт хүртсэн тэрбээр 1929 онд мэндэлсэн Их Британи гүрний онолын физикч юм. 1960 онд эрдэмтэд цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэл болон цөмийн сул харилцан үйлчлэлийн тухай идэвхитэй судлах болжээ. Улмаар эдгээр хоёр харилцан үйлчлэл нь өдгөө цахилгаан сул гэж нэрлэгдэх нэг харилцан үйлчлэлийн хоёр өөр төрх гэдгийг олж нээсэн юм. Гэвч асуудлууд ар араасаа цуварч эхлэв...

Хэрвээ Салам-Вейнберг-Глашоу нарын цахилгаан сул онол үнэн бол ертөнц дэхь бүх эгэл бөөмс массгүй байх ёстой байв. Гэвч туршилтын физикч нар сул харилцан үйлчлэлийг зөөгч бөөмс нь протоноос хүнд масстай гэдгийг таамаглаж байсан төдийгүй материйн үндсэн бүрэлдэхүүнд багтах электрон нь маш бага ч масстай гэдгийг нэгэнт нотолсон юм. Тэдний онолд масс дутагдаж байв.

Петер Хигс, Франсуа Энглерт тэргүүтэй эрдэмтэд материал судлал дахь тэгш хэм аяндаа эвдрэх үзэгдлийг эгэл бөөмийн физикт ч мөн хэрэглэж болно гэж үзжээ. Энэ санаа нь цахилгаан сул харилцан үйлчлэлийн тухай Салам-Вейнберг-Глашоу нарын онол дахь нүхийг амжилттай бөглөсөн юм. Үр дүнд нь цахилгаан сул харилцан үйлчлэлийн тэгш хэм аяндаа эвдэрвэл сул харилцан үйлчлэл төдийгүй бусад бүх эгэл бөөмсүүдэд ч масс олгох боломжтой. Харин тэгш хэм хэрхэн эвдрэх билээ?

Тэгш хэмийн эвдрэлийг бий болгохын тулд бидэнд – Хигсийн орон хэрэгтэй. Үүнийг хялбараар Хигс бөөм гэж болно. Хигс бөөмийн улмаас цахилгаан сул харилцан үйлчлэл цөмийн сул болон цахилгаан соронзон гэсэн хоёр өөр харилцан үйлчлэл болон салцгаах бөгөөд үр дүнд нь сул харилцан үйлчлэлийг зөөгч бөөмс Хигс бөөмтэй харилцан үйлчлэлд орсноор масстай болно. Хигс механизм – гэж нэрлэгддэг энэ механизм бусад эгэл бөөмсийн хувьд ч хүчинтэй. Электрон, протоныг бүтээгч кварк зэрэг бөөмс нь Хигс бөөмтэй харилцан үйлчлэлд орсноор масстай болно. Ийнхүү орчин үеийн эгэл бөөмийн физикийн Стандарт Онолын суурь тавигджээ. Стандарт Онолын амин сүнс нь Хигсийн механизм юм. Ганц л асуудал үлдэв: Түүнийг хэрхэн илрүүлэх вэ?

Зураг.1 Эгэл бөөмийн физикийн Стандарт Онол

Цахилгаан сул харилцан үйлчлэлийн тэгш хэмийн аяндаа эвдрэлийг бий болгогч Хигс орон үнэхээр бий бол түүнд хамаарах Хигс бөөм ч мөн оршин байна. Энэхүү бөөм нь бүхий л масстай бөөмстэй харилцан үйлчлэлд орохоос гадна тэдгээр бөөмсүүд рүү задардаг. Тэгвэл асуудал хялбар биш гэж үү? Хигс бөөм хоёр фотон (гэрлийн бөөм) эсвэл хоёр электроны хос (электрон – анти электрон) болон задрах дохиог л илрүүлцгээе. Хялбархан сонсогдож байж болох ч бодит байдал үүнээс төвөгтэй. Учир нь Хигс бөөмийг лабораторын орчинд бий болгохын тулд эрдэмтдэд асар том хэмжээтэй, их энергитэй хурдасгуур хэрэгтэй юм. Аз болж 1980-аад оны төгсгөл үеэс Европийн цөмийн шинжилгээний нэгдсэн төв – CERN Хигс бөөмийг бий болгох чадвартай протон-протоныг мөргөлдүүлэгч Аварга Адроны Хурдасгуур – LHC –г барьж эхлэв. Тэвчээртэй хүлээх л үлдлээ...

Зураг.2 CERN - LHC

Тиймээ ердөө 50-хан жил л тэвчээртэй хүлээх хэрэгтэй болсон. LHC хурдасгуурын барилгын ажил 2008 оныг хүртэл үргэлжилж, 2008 оны 9-р сарын 10-ны өдөр LHC анхны протонуудаа хурдасгалаа. Бүгд догдлон булгилах зүрхээ чангалцгаан үр дүнг хүлээж байв. Харамсалтай нь гамшиг тохиолдов. Ердөө хэдхэн сарын дараа хурдасгуур дээр осол гарч дахин завсарлах ажил нэг жил орчим өрнөв. Ингээд LHC 2010 оноос эхлэн анх төлөвлөсөн энергээс хоёр дахин бага энергээр (7 ТэВ) ажиллаж эхэлжээ. Бүгд чих тавин хүлээж байлаа. Эхний нэг жил юу ч дуулдсангүй. Хоёр дахь жил эхэллээ.

2012 оны 7-р сарын 4-н CERN – LHC Хигс бозон байж болзошгүй шинэ бозон нээснээ бахдалтайгаар зарлав. Петер Хигс, Франсуа Энглерт нар энэ өдөр уйлж байсан гэдэг. Тавин жилийн дараа эцэст нь Хигс бөөмийг нээснээ 2013 оны 10-р сарын 8-ны өдөр CERN-LHC тунхаглав. Энэхүү нээлт нь тэднийг тухайн жилийн Нобелийн шагналын эзэд болгосон юм.

Зураг.3 Зүүн талаас Франсуа Энглерт болон Петер Хигс нар

Нэгэн хагас зууны хүлээлт болсон Хигс бозоны нээлт нь дэлхийн өнцөг булан бүрээс цугласан 5000 орчим судлаачид, эрдэмтэдийн багаас бүтсэн хүмүүсийн нөр их хөдөлмөрийн үр дүн юм. Туршилтын багийнханы бичсэн эрдэм шинжилгээний өгүүлэлд багтсан хүмүүсийн тоо л гэхэд дангаараа арван хуудас давж байсан гэдэг. Өдгөө CERN-LHC дээр ажиллах судлаачид Хигс бозоны задралын сувгуудыг гүнзгийрүүлэн судалж байна.

Зураг.4 CERN – LHC дээрх ATLAS туршилтын багийн гишүүд

Ердөө ганцхан хоногийн өмнө буюу 2018 оны 8-р сарын 28-ны өдөр, Хигсийн нээлтээс 6-н жилийн дараа Хигс бөөм bottom кваркын (боттом кварк – анти боттом кварк) хос руу задрах үзэгдлийг бүртгэж авсанаа дэлхий нийтэд заралжээ. Хигс бөөм нь бусад бөөмсүүд рүү задарч болохыг өмнө дурьдсан. Гэхдээ тэдгээр бөөмсүүдээс хамгийн ихдээ буюу нийт задарлынхаа 50% д нь Хигс бөөм bottom кваркын хос руу задардаг. Хигс бозоны нээлт нь Хигс бөөм фотоны хос руу задрах үзэгдлийг ажиглажээ. Хигс нийт задралынхаа ердөө 2 хүрэхгүй хувьд нь фотоны хос руу задардаг. Хамгийн өндөр задарлын сувгийг ажиглах нь яагаад ийм хэцүү байв?

LHC дээр мөргөлдөж буй протоны мөргөлдөөнөөс төрөл бүрийн бөөмс үүсдэг. Эдгээр нь бидний сонирхон судалж буй үзэгдэлтэй ижил төстэй харагдаж болох бөгөөд сонирхож буй үзэгдлээ бусад “дэвсгэр” үзэгдлээс салгах нь судлаач нарын шүдний өвчин юм. Фотоны хувьд тэд хангалттай сайн ялгаж чаддаг бол bottom кваркын хувьд нөхцөл байдал эсрэгээрээ. Маш их хэмжээний bottom кварк үүсгэх үзэгдлүүд мөргөлдөөний үед бий болох ба ихэнх нь Хигстэй адил “харагдаж” болно. Энэ хүндрэлтэй байдал нь тэднээс ахин 6-н жилийн нөр их хөдөлмөрийг шаардсан юм.

Зураг.4 CERN – LHC дээрх протоны мөргөлдөөний үр дүнг дүрсжүүлсэн байдал. Хигс хаана байна вэ?

Яагаад бүх задралын сувгийг бүртгэж авах хэрэгтэй вэ? Ганцийг бүртгэж аваад Хигс бөөм байгааг баталсан нь хангалттай биш гэж үү? Тиймээ энэ нь хангалтгүй. Эгэл бөөмийн физикийн Стандарт Онолд Хигс бөөм бусад бөөмс рүү задрах задралын хэмжээг маш өндөр нарийвчлалтай тооцсон байдаг. Маш багахан хэмжээний зөрүү гарах нь гайхамшиг руу хөтөлж болно. Шинжлэх ухаанд онолын таамаглалыг батлахын сацуу онол буруу болохыг эсвэл онолоос зөрөх багахан хэмжээний ялгааг олж тогтоох нь тун чухал юм. Учир нь энэхүү зөрүү нь эрдэмтэдийг өөр нэгэн үл мэдэгдэх ертөнц рүү нэвтрэх үүд болдог. Тиймээс ч дэлхийн өнцөг булан бүр дэх эрдэмтэд, судлаачид энэхүү бяцхан хэмжээний зөрүүг харц салгалгүй хүлээж байна. Тэд шинэ мэдлэг, шинэ физикээр цангаж байна.