Higgsov bozón alebo Higgsova častica (v médiách ľudovo božská častica či Božská častica) je hmotná skalárna elementárna častica vystupujúca zásadným spôsobom v opise Higgsovho mechanizmu, ktorý je integrálnou súčasťou štandardného modelu častíc.
Higgsov mechanizmus teoreticky opisuje spôsob, akým elementárne častice nadobúdajú hmotnosť. Jeho hlavnou prednosťou je teoretické vysvetlenie rozdielu v hmotností medzi nehmotným fotónom a veľmi hmotnými bozónmi W a Z. Štandardný model častíc predpovedá nulový spin Higgsovho bozónu. Naopak hmotnosť Higgsovho bozónu predstavuje v štandardnom modeli voľný parameter, ktorý musí byť určený experimentálne.
Higgsov bozón je experimentálne objavená častica štandardného modelu. Objavili ho dňa 4. júla 2012 nezávisle tímy CMS a ATLAS. Vlastnosti tohto bozónu boli doposiaľ (december 2012) konzistentné s vlastnosťami predpovedanými pre Higgsov bozón spadajúci do štandardného modelu.
Vlastnosti Higgsov bozón podľa štandardného modelu časticovej fyziky nesie nulový elektrický náboj. V štandardnom modeli sa mu pripisuje nulová hodnota spinu. Štandardný model opisuje už iba bozóny (častice majúce celočíselný spin) s vyšším spinom. V prípade fotónu, W a Z bozónov a gluónov je experimentálne potvrdený spin 1, čo tieto bozóny zaraďuje medzi vektorové bozóny.
Štandardný model časticovej fyziky nepredpovedá presnú hodnotu hmotnosti Higgsovho bozónu. Ako voľný parameter teórie musí byť preto určená experimentálne. Súčasné experimenty CMS a ATLAS zúžili pravdepodobný interval na 125 až 127 GeV/c2 s konfidenčnou úrovňou 5 sigma.
Higgsov bozón je asociovaný s Higgsovým poľom (Higgsovo pole tvorí viac Higgsových bozónov pri sebe), pričom zodpovedá určitej kvantovo-mechanickej excitácii tohto poľa. Teória predpokladá nenulovú hodnotu Higgsovho poľa vo vákuu, čím by dochádzalo k spontánnemu narušeniu rotačnej symetrie vákua. Elementárne častice následne môžu interagovať s nenulovým Higgsovým poľom. Sila väzby danej elementárnej častice na Higgsovo pole je veľmi špecifická a závisí od druhu elementárnej častice. To sa následne prejavuje v rozdielnych hodnotách hmotností týchto častíc. Napríklad nehmotný fotón, ktorý sprostredkúva elektromagnetizmus neinteraguje s Higgsovým poľom priamo, naopak hmotné W a Z bozóny sprostredkujúce slabú interakciu sa na Higgsovo pole viažu priamo. Tento efekt sa nazýva taktiež Higgsov mechanizmus.Hmotnosti kompozitných častíc, ako sú protón a neutrón by boli len sčasti v dôsledku Higgsovho mechanizmu a a už dnes sa chápu ako dôsledok silnej interakcie.
Existujú tiež teórie vysvetľujúce vznik hmotnosti bez postulovania Higgsovho bozónu. Bývajú označované ako Bezhiggsové modely. Relatívne argumenty nezaložené na modeloch hovoria, že akýkoľvek mechanizmus, ktorý generuje elementárne častice musí byť viditeľný pod škálou 1.4 TeV. Pokračujú taktiež experimenty vo Fermilabe, hoci jeho Tevatron akcelerátor má menší výkon; teoreticky však má nevyhnutnú energiu na produkciu Higgsovho bozónu.
Teória Higgsov bozón predstavuje časticu asociovanú s Higgsovým poľom. Aj v prázdnom priestore nadobúda Higgsovo pole nenulovú hodnotu, čím spontánne narušuje rotačnú symetriu vákua. Existencia nenulovej vákuovej hodnoty zároveň zohráva kľúčovú úlohu pri pohybe elementárnych častíc vo vákuu. Ak uvažovaná elementárna častica interaguje s Higgsovým poľom, potom budú nastávať takéto interakcie aj vo vákuu (vďaka nenulovej vákuovej hodnote Higgsovho poľa), čím častica efektívne nadobudne hmotnosť. Takýto mechanizmus je aplikovateľný aj na hmotnosť samotného Higgsovho bozónu. Táto teória je však v priamom rozpore s tým, ako hmotnosť častíc vysvetľuje Lennard Susskind, ktorý hovorí, že Higgs - ak sa vytvára - ovplyvňuje vákuum len podobne ako zvukové či kompresné vlny, tj.že vytvára lokálne jeho dynamické zmeny, ktoré sa však hneď vyrovnávajú, v zásade Higgs podľa Susskinda nemá na hmotnosť častíc žiaden vplyv. Tá je daná výlučne vzájomným posobením femiónov - kvarkov - prostredníctvom gluónov. Ako príklad hmotnosti ktorá s Higgsom nijako nesúvisí uvádza ďalej napríklad čierne diery.
V predchádzajúcom odseku opísaný mechanizmus spontánneho narušenia elektroslabej kalibračnej symetrie pomocou nenulovej vákuovej hodnoty Higgsovho poľa sa nazýva Higgsov mechanizmus. Predstavuje zároveň najjednoduchší známy teoretický opis nadobúdania hmotnosti kalibračných bozónov, pri ktorom zostáva zachovaná kompatibilita s kalibračnými teóriami. Ako populárno-náučná analógia Higgsovho mechanizmu býva často používaný príklad pohybu drobných čiastočiek v hustých látkach, ako napríklad v melase. Na povrchu pôvodne takmer nehmotných čiastočiek sa navrstvuje táto hustá látka, čím tieto získavajú efektívne hmotnosť. Lennard Sussind naproti tomu označuje toto vysvetlenie za "lenivé" a nesprávne a hovorí, že je v zásade nezmyslom, pretože polia častice nijako nespomaľujú (pozrieť jeho prednášku uvedenú v časti blog).
V Štandardnom modeli Higgsovo pole pozostáva z dvoch neutrálnych a dvoch nabitých komponentov polí. Ako nabité komponenty tak aj neutrálne polia sú Goldstoneovými bozónmi, ktoré sú zároveň komponentami hmotných W+, W–, a Z bozónov. Kvantum zostávajúceho neutrálneho komponentu korešponduje s hmotným Higgsovým bozónom. Keďže Higgsovo pole je skalárne pole, Higgsov bozón má nulový spin a preto aj nulovú vnútornú uhlovú hybnosť. Higgsov bozón je rovnako svojou vlastnou antičasticou a jeho CP-parita je párna.
Štandardný model nepredpovedá presnú hmotnosť Higgsovho bozónu. Ak táto hmotnosť je medzi 115 a 180 GeV/c2, potom štandardný model môže byť platný pri energetickej škále až po Planckovu konštantu (1016 TeV). Mnoho teoretikov očakáva, že sa objaví nová fyzika prekonávajúca štandardný model a to na škále TeV, pretože štandardný model nemá dostatočný aparát-vlastnosti. Najvyššia dovolená hmotnostná škála pre Higgsov bozón je 1.4 TeV; za touto hranicou sa štandardný model stáva s takýmto mechanizmom nekonzistentný, pretože jednotnosť je porušená istými procesmi na určitej úrovni rozdelenia. Mnoho modelov supersymetrie predpovedá, že najľahší Higgsov bozón (z niektorých) bude mať hmotnosť len o niečo vyššiu ako sú súčasné experimentálne limity, na úrovni približne 120 GeV alebo menej.
Supersymetrické rozšírenia štandardného modelu (tzv. SUSY) predpovedajú existenciu celých rodín Higgsových bozónov, v protiklade k jedinej Higgsovej častici štandardného modelu. Spomedzi SUSY modelov, v Minimálnom supersymetrickom rozšírení (MSSM) poskytuje Higgsov mechanizmus najmenší počet Higgsových bozónov: existujú dva Higgsove dublety, vedúce k existencii kvintetu skalárnych častíc: dva neutrálne Higgsove bozóny h a H s párnou CP-paritou , CP-nepárny neutrálny Higgsov bozón A a dve nabité Higgsove častice H±.
Existuje vyše 100 teoretických predpovedí Higgsovej hmotnosti.
Teoretický výskum Higgsov (alebo "Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibbleov")Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibbleov mechanizmus na Scholarpedii mechanizmus popisuje spôsob, akým vektorové bozóny môžu získať hmotnosť. Bol navrhnutý v roku 1964 nezávisle a takmer súčasne troma skupinami fyzikov: François Englert, Robert Brout; Peter Higgs (ktoré boli inšpirované myšlienkami Philipa Andersona); a Gerald Guralnik, C. R. Hagen a T. W. B. Kibble.
Tri výskumné práce napísané pri tomto objave boli uznané ako míľniky počas osláv 50. výročia Physical Review Letters. Kým všetky mali podobný prístup, rozdielne príspevky medzi nimi stoja za zmienku. Týchto šesť fyzikov bolo taktiež ocenených v roku 2010 cenou J. J. Sakuraia za teoretickú časticovú fyziku.
Steven Weinberg a Abdus Salam ako prví aplikovali Higgsov mechanizmus pri popise narušenia elektroslabej symetrie. Tento mechanizmus nielen vysvetľuje ako vektorové bozóny zodpovedné za zprostredkovanie elektroslabej interakcie získavajú hmotnosť; taktiež predpovedá pomer hmotností W bozónov a Z bozónov, ako aj ich interakcie navzájom a s ďalšími časticami štandardného modelu. Mnoho z týchto predpovedí bolo verifikovaných presnými meraniami na urýchľovačoch LEP a SLC, naznačujúc tak realizáciu určitého druhu Higgsovho mechanizmu v prírode.
Z troch počiatočných prác o Higgsovom mechanizme iba práca Petra Higgsa obsahovala, aj to až v záverečnej vete, zmienku o možnej existencii Higgsovho bozónu. Peter Higgs túto vetu pridal pri revidovaní prace po jej odmietnutí zo strany Physics Letters. Následne poslal túto prácu do Physical Review Letters, kde bola publikovaná v roku 1964. Neskôr, v roku 1966, publikoval detailný popis vlastností Higgsovho bozónu.
Existenca Higgsovho bozónu nie je striktne nevyhnutným dôsledkom Higgsovho mechanizmu: Higgsov bozón existuje v niektorých, ale nie vo všetkých teóriách, ktoré používajú Higgsov mechanizmus. Napríklad, Higgsov bozón existuje v štandardnom modeli a minimálnom supersymetrickom štandardnom modeli. Ale neočakáva sa v Technikolorových modeloch alebo, všeobecnejšie, BezHiggsových modeloch. Všetky z týchto modelov realizujú rôzne formy Higgsovho mechanizmu. Jedným z hlavných cieľov experimentov LHC je rozlíšenie medzi týmito modelmi a zistenie, či Higgsov bozón existuje.
Experimentálny výskum framed|Status k augustu 2010, 95% interval spoľahlivosti thumb|Feynmanov diagram jedného zo spôsobov, ako môže byť Higgsov bozón vyprodukovaný v LHC. Dva gluóny sa rozpadajú na pár top/anti-top kvarkov, ktoré sa potom rozpadajú na vytvorenie neutrálneho Higgsa. thumb|right| Feynmanov diagram iného spôsobu ako môže byť Higgsov bozón vyprodukovaný v LHC. Dva kvarky každý emitujú W alebo Z bozón, ktoré sa kombinujú na vytvorenie neutrálneho Higgsa.
Neexistujúca teoretická predikcia hmotnosti Higgsovho bozónu vyžaduje systematické preskúmanie veľkého množstva experimentálnych dát. Tieto boli postupne zhromažďované experimntami LEP, CDF a DØ, v súčasnosti (december 2012) prebiehaju experimenty na LHC v CERNe. Experimentálny objav Higgsovho bozónu nebol doteraz (december 2012) oficiálne oznámený. Dňa 4. júla 2012 bol ale oznámený objav doteraz neznámeho bozónu o hmotnosti 125 až 127 GeV/c2 s konfidenčným levelom 5 sigma a s vlastnosťami konzistentnými s teoretickými predpoveďami o Higgsovom bozóne podľa štandardného modelu.
Z dôvodu neexistujúcej teoretickej predikcie hmotnosti Higgsovho bozónu bolo zbieranie experimentálnych dát prevádzané tak, aby bola systematicky pokrytá celá experimentálne prístupná škála možných hmotností. Tieto dáta boli postupne zbierané pomocou urýchľovačov na už ukončených experimentoch LEP v CERNe a experimentoch CDF a DØ vo Fermilabe. Systematický výskum Higgsovo bozónu prebieha v súčasnosti už iba na urýchľovači LHC v CERNe.
Systematické skúmanie Higgsovho bozónu sa uskutočnilo prvýkrát na urýchľovači LEP v CERNe. Na základe ním zozbieraných dát bola vylúčená existencia Higgsovho bozónu s hmotnosťou menšou ako 114.4 GeV (stanovený bol 95% interval spoľahlivosti). Na tom istom experimente bol taktiež pozorovaný malý počet udalostí, ktoré mohli byť interpretované ako dôsledok existencie Higgsovho bozónu s hmotnosťou len tesne nad experimentálne dostupnou hmotnosťou približne 115 GeV. Nedostatočný počet týchto udalostí však neumožňoval vyvodenie štatisticky dostatočne spoľahlivých záverov. Experimenty na urýchľovači LEP boli ukončené v r. 2000, kedy začali prípravy na stavbu výkonnejšieho urýchľovača známeho ako Veľký hadrónový urýchľovač.
Skúmaním existencie Higgsovho bozónu sa po nevyhnutných úpravách zaoberal taktiež urýchľovač Tevatron vo Fermilabe. Experimentálne dáta zozbierané experimentmi CDF a DØ umožnili v júli 2010 vylúčiť existenciu Higgsovho bozónu s hmotnosťou v intervale 158 GeV/c2 až 175 GeV/c2 (95%-ný interval spoľahlivosti). Predbežné výsledky z júla 2011 zväčšili zakázaný rozsah na oblasť 156 GeV/c2 až 177 GeV/c2 (90%-ný stupeň spoľahlivosti). Experimenty na Tevatrone boli pozastavené 30. septembra 2011 z dôvodu škrtov v rozpočte.