Vi känner alla och älskar Higgs-boson - som till fysikernas chagrin felaktigt har taggats i media som "Gud-partikeln" - en subatomisk partikel som först upptäcktes i Large Hadron Collider (LHC) tillbaka 2012. Den partikeln är en bit av ett fält som genomsyrar all rymdtid; den interagerar med många partiklar, som elektroner och kvarkar, vilket ger dessa partiklar massa, vilket är ganska coolt.
Men Higgs som vi såg var förvånansvärt lätt. Enligt våra bästa uppskattningar borde det ha varit mycket tyngre. Detta öppnar en intressant fråga: Visst, vi såg en Higgs-boson, men var det den enda Higgs-boson? Är det fler som flyter runt där och gör sina egna saker?
Även om vi ännu inte har några bevis för en tyngre Higgs, gräver ett forskargrupp baserat på LHC, världens största atomkrossare, den frågan när vi talar. Och det är prat om att när protoner krossas ihop i den ringformade collideren, kan heftiga Higgs och till och med Higgs-partiklar som består av olika typer av Higgs komma ur gömningen.
Om den tunga Higgs verkligen existerar, måste vi konfigurera vår förståelse för standardmodellen för partikelfysik med den nyfundna insikten att det finns mycket mer för Higgs än vad som möter ögat. Och inom dessa komplexa interaktioner kan det finnas en ledtråd till allt från massan av den spöklika neutrinopartikeln till universums slutliga öde.
Allt om boson
Utan Higgs-bosonen kraschar ganska mycket hela Standardmodellen. Men för att prata om Higgs boson, måste vi först förstå hur Standardmodellen ser universum.
I vår bästa uppfattning om den subatomära världen med standardmodellen är det vi anser som partiklar faktiskt inte så viktigt. I stället finns det fält. Dessa fält genomsyrar och suger upp allt utrymme och tid. Det finns ett fält för varje typ av partikel. Så det finns ett fält för elektroner, ett fält för fotoner, och så vidare och så vidare. Det du tänker på som partiklar är verkligen lokala små vibrationer i deras specifika fält. Och när partiklar interagerar (genom att säga studsa av varandra), är det verkligen vibrationerna i fälten som gör en mycket komplicerad dans.
Higgs boson har en speciell typ av fält. Liksom de andra fälten, genomsyrar det allt utrymme och tid, och det får också prata och leka med alla andras fält.
Men Higgs-fältet har två mycket viktiga jobb att göra som inte kan nås av något annat område.
Det första jobbet är att prata med W- och Z-bosonerna (via deras respektive fält), bärare av den svaga kärnkraften. Genom att prata med dessa andra bosoner kan Higgs ge dem massa och se till att de hålls åtskilda från fotonerna, bärarna av den elektromagnetiska kraften. Utan Higgs-bosonets störande störning skulle alla dessa bärare slås samman och de två krafterna skulle smälta samman.
Det andra jobbet med Higgs boson är att prata med andra partiklar, som elektroner; genom dessa samtal ger det dem också massa. Allt fungerar bra, eftersom vi inte har något annat sätt att förklara massorna av dessa partiklar.
Lätt och tungt
Allt gjordes ut på 1960-talet genom en serie komplicerad men säkert elegant matematik, men det finns bara ett litet problem med teorin: Det finns inget riktigt sätt att förutsäga den exakta massan av Higgs boson. Med andra ord, när du letar efter partikeln (som är den lilla lokala vibrationen i det mycket större fältet) i en partikelcollider, vet du inte exakt vad och var du ska hitta den.
2012 meddelade forskare vid LHC upptäckten av Higgs-boson efter att ha hittat några av de partiklar som representerar Higgs-fältet hade producerats när protoner krossades i varandra i nära ljushastighet. Dessa partiklar hade en massa av 125 gigaelektronvolter (GeV), eller ungefär motsvarande 125 protoner - så det är lite tungt men inte otroligt stort.
Vid första anblicken, allt som låter bra. Fysiker hade egentligen inte en fast förutsägelse för Higgs-bosonens massa, så det kunde vara vad den ville vara; vi råkade hitta massan inom LHC: s energiområde. Bryt ut bubblan, och låt oss börja fira.
Förutom att det finns några tveksamma, typ av halva förutsägelser om Higgs-bosonens massa baserat på hur det interagerar med ännu en partikel, toppkvarken. Dessa beräkningar förutsäger ett sätt som är högre än 125 GeV. Det kan bara vara så att de förutsägelserna är fel, men då måste vi gå tillbaka till matematiken och ta reda på var saker går i höjdled. Eller misslyckandet mellan breda förutsägelser och verkligheten av vad som hittades i LHC kan betyda att det finns mer i Higgs boson-berättelsen.
Enorm Higgs
Det kan mycket väl finnas en hel mängd Higgs-bosoner där ute som är för tunga för oss att se med vår nuvarande generation av partikelkolliderare. (Massenergisaken går tillbaka till Einsteins berömda E = mc ^ 2-ekvation, som visar att energi är massa och massa är energi. Ju högre en partikelmassa är, desto mer energi har den och desto mer energi tar det för att skapa den rejäla sak.)
Faktum är att vissa spekulativa teorier som driver vår kunskap om fysik bortom standardmodellen förutspår existensen av dessa tunga Higgs-bosoner. Den exakta karaktären hos dessa ytterligare Higgs-karaktärer beror naturligtvis på teorin, allt från helt enkelt ett eller två extra tunga Higgs-fält till till och med sammansatta strukturer gjorda av flera olika typer av Higgs-bosoner som sitter ihop.
Teoretiker arbetar hårt med att hitta något sätt att testa dessa teorier, eftersom de flesta av dem helt enkelt är otillgängliga för aktuella experiment. I ett nyligen publicerat dokument till Journal of High Energy Physics och publicerat online i förtrycktidsskriftet arXiv, har ett team av fysiker framfört ett förslag att söka efter förekomsten av fler Higgs-bosoner, baserat på det speciella sättet på vilket partiklarna kan förfalla till lättare, lättare igenkända partiklar, såsom elektroner, neutrino och fotoner. Dessa förfall är emellertid extremt sällsynta, så även om vi i princip kan hitta dem med LHC, kommer det att ta många fler år att söka för att samla in tillräckligt med data.
När det gäller den tunga Higgs, måste vi bara vara tålmodiga.
