Symmetria

Naamat, kukat, lumihiutaleet.

Fysiikka perustuu symmetrioille:

• Paikkasymmetria
• Aikasymmetria
• Galileo-symmetria
• Einstein/ Lorentz
• Aika/ energia

Symmetriarikko on aina jännää. Fysiikan säilymislait (energian säilymislaki, varauksen säilymislaki) ovat seurausta symmetriasta.

Higgsin kenttä rikkoo standardimallin symmetrian hajoittamatta standardimallia. Standardimallin pitäisi toimia vain, jos hiukkasilla ei ole massaa. Heikon voiman bosoneilla taas pitää olla massa, jotta radioaktiivinen hajoaminen toimisi, kuten se toimii.

Luultavasti maailmankaikkeus oli alussa symmetrinen. Tila vastasi palloa pyörähdyssymmetrisen kulhon (harmoninen oskillaattori) pohjalla: pieni häiriö relaksoituu takaisin keskelle, alimpaan tilaan.

Jostain syystä, siitä tuli Meksilaishattu: keskellä olevaan symmetriseen tilaan ei enää päästä.

 

 

Standardimalli

Standardimalli on kvanttikenttäteoria, eli kentät ja hiukkaset ovat oleellisia. Kentän värähtelyt ovat nimeltään kvantteja (kvanttifysiikka), jotka näyttäytyvät hiukkasina. Perusmallissa on kahdenlaisia kenttiä

• ainekenttiä ja
• voimakenttiä.

Standardimallin perusteella kaikki on rakentunut 12 osasesta:

• kuusi leptonia
• kuusia kvarkkia.

Leptonit ja kvarkit ovat jakamattomia, perushiukkasia. Hiukkasia yhdistävää neljä voimaa, eli voimahiukkasta eli bosonia, jotka muodostavat kentän.

• gravitaatio
• sähkömagnetismi (fotoni)
• heikko voima (beta-hajoaminen, fuusio: $W^+$, $W^-$ ja $Z$)
• vahva voima (kvarkkien välillä, pitää protonit ja neutronit ytimessä: gluoni)

[Yhteensä 61 hiukkasta Higgs ja eri kombinaatiot mukaan luettuna.]

Standardimallin yhtälöt ovat symmetrisiä. Eli standardimalli on muuttumaton tiettyjen vaihdosten suhteen. Malli on pätevä, sillä pystyttiin ennustmaan hiukkaisia ennenkuin niitä löydettiin.

Eräs standardimallin symmetrioista kieltää massalliset hiukkaset. Se on pieni ristiriita. Jos oletettaisiin, että $Z$- ja $W$-bosonit vuorovaikuttaisivat alkeishiukkasten kanssa samalla kun niillä on iso massa, niin teoria on rikkinäinen: teoria ennustaisi mm. että tietyn kahden hiukkasen törmäyksen todennäköisyys on yli 100%.

Siis siellä pitää olla lisää hiukkasia. Higgsin bosoni riittää. Niitä saattaa olla enemmäkin?

Heikon voiman kantama on lyhyt, n $10^{-15}$ cm.

Kenttä

Gravitaatiokenttä

Sähkömagneettinen kenttä

Kvarkkikenttä

Kvanttikenttä

 

 

Higgsin kenttä

Kaiken avaruuden täyttävä kenttä. Jollei se olisi, elektronit ja kvarkit olisivat massattomia, kuten fotonit. Silloin mitään ei olisi olemassa, koska valonnopeudella liikkuvien hiukkasten. . .

 

Kentät yleensä heikkenevät, ja niiden energiaminimi on nollassa. Mutta ei Higgsin kentällä. Sen energiaminimi ei ole nolla, vaan aina on Higgsin kenttä.

 

Hiukkaset, jotka eivät vuorovaikuta Higgsin kentän kanssa ovat massattomia (esim. fotonit, jotka painavat valonnopeudella). Ne, mitkä vuorovaikuttavat heikosti, ovat keveitä ja vahvan vuorovaikutuksen omaavat hiukkaset ovat raskaita.

Higgsin kenttä on kuten meksikolaishattu, joka vie energiaminimin kauas symmetrisestä alkutilanteesta. Spontaani symmetriarikko tai Higgsin kentän vaihetransitio (kuten veden jäätyminen).

Higgsin kenttä liittyy heikkoon voimaan; heikon voiman bosoninien $W$ ja $Z$ vuorovaikutuksen elektronien, neutriinojen, kvarkkien ja muiden kanssa. Fotonilla ole massaa, mutta $W$ ja $Z$ ovat painavimpia tunnettuja hiukkasia, massa on 80 kertaa protonin massa.

 

Higgsin bosoni

Higgsin kentän välittäjähiukkanen. Varaukseton ja nollaspininen.

Cernissä, kaksi gluonia vuorovaikuttavat ja luovat Higgsin bosonin, vrt. kaksi fotonia ja elektroni ja positroni.

Sähköheikon teorian mukaan $W$- ja $Z$-bosonit ja kvarkit ja leptonit saavat massan vuorovaikuttamalla Higgsin bosonin kanssa. Sähköheikkoteoria ei ennusta Higgsin bosonin massaa.

Higgsin bosoni hajonnee $b$ kvarkiksi ja $b$-antikvarkiksi?

Neutriinon massa/ pimeä aine

Onko sitä?