Nie-boski bozon

Autor: Kuba Kapiszewski | 15 lipca, 2012

Koniec najdłuższego polowania w historii fizyki cząstek elementarnych

Kiedy Joe Incandela prezentujący w imieniu kolegów i koleżanek wyniki eksperymentów prowadzonych w Wielkim Zderzaczu Hadronów (Large Hadron Collider, LHC) powiedział: „Zaobserwowaliśmy nowy bozon o masie 125,3 plus minus 0,6 GeV z odchyleniem standardowym 4,9 sigma”, w audytorium Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) rozległy się gromkie brawa. Oto w dumie europejskiej nauki ogłoszono jedno z największych odkryć naukowych pierwszej połowy XXI w., a prawdopodobnie jedno z największych odkryć wszech czasów.
Polowanie na bozon Higgsa zajęło prawie pół wieku, bo tyle minęło od ukazania się pierwszych artykułów domniemywających istnienie tej cząstki. W dość krótkiej historii fizyki cząstek elementarnych było to najdłuższe polowanie, które nie mogłoby mieć szczęśliwego finału, gdybyśmy nie konstruowali takich urządzeń jak LHC.
.
Boskość nie powala

– Kiedy zaczynałem swoje życie naukowe w latach 70. jako asystent, odkrywaliśmy tysiące cząstek elementarnych – wspomina prof. Ernest Bartnik z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. – To była rozpacz, nikt nie wiedział, co jest grane. Potem to wszystko udało się zunifikować w teorii zwanej Modelem Standardowym. Bozon Higgsa jest ostatnim elementem tej układanki.
Model Standardowy to obecnie najlepsza i najdokładniej potwierdzona doświadczalnie teoria służąca do opisu mikroświata. Do 2000 r. zostały zaobserwowane prawie wszystkie cząstki elementarne. Od tej pory fizycy cały wysiłek skierowali na odnalezienie brakującego elementu, który w międzyczasie nazwano boską cząstką. Tego nielubianego przez naukowców miana cząstka dorobiła się po wydaniu książki o polowaniu na nią autorstwa Leona Ledermana, noblisty z 1988 r.
Cząstka zrodziła się jako matematyczny wybieg, mający uchronić inną teorię przed śmietnikiem historii. – Do wytłumaczenia oddziaływania słabego potrzebne były cząstki zwane bozonami pośredniczącymi. Jeśli jednak okazałoby się, że miałyby dużą masę, teoria traciła sens. I nagle Higgs wymyślił coś takiego, że one same w sobie masy nie mają – i nie poruszają się w próżni, tylko w polu, które im tę masę nadaje – mówi prof. Bartnik.
Był rok 1962 i nauka nie znała jeszcze ani kwarków, ani bozonów oddziaływania słabego (odpowiedzialnego m.in. za rozpad promieniotwórczy), ani tym bardziej jakiejś egzotycznej cząstki, do której kompetencji należałoby nadawanie innym masy. Świat naukowy nie padł na kolana przed Peterem Higgsem, młodym fizykiem z Wielkiej Brytanii.

Śmieci

Higgs wspomina, że gdy wpadł na pomysł, który ostatecznie przerodził się w słynny dziś tekst naukowy, wykrzyknął: „Jasna cholera!” (lub coś mniej wzniosłego, zależy, jak przetłumaczymy angielskie Oh shit!). Przez dwa dni krążył samotnie po wzgórzach okalających Edynburg i rozmyślał. Kiedy wrócił, napisał artykuł, który środowisko naukowe solidarnie zignorowało.
Cechą nauki jest to, że czasami genialne pomysły nie są dostrzegane. Wymowa artykułu była następująca: przypuśćmy, że istnieje coś, czego jeszcze nie widzimy, i uznajmy, że to załatwia nasz problem. Matematycznie się zgadzało. Ale zaproponowanie nowej cząstki to nie takie hop-siup: 30 lat wcześniej Wolfgang Pauli stoczył walkę wewnętrzną, zanim zaproponował neutrino.
Nad podobną koncepcją pracowało wtedy pięciu innych fizyków. Dwóch z nich, Gerald Guralnik i Carl Hagen, otrzymało zaproszenie na kameralną konferencję naukową organizowaną w Niemczech przez Wernera Heisenberga. Ten z racji dorobku zajmował poczesne miejsce w panteonie naukowych bożyszcz. Młodzi autorzy mieli nadzieję, że zrobią wrażenie na największych z największych. Zamiast tego zostali zmiażdżeni, a ich pomysły Heisenberg nazwał „śmieciami”.
Podobnego losu spodziewał się Higgs, kiedy zaproszono go do Princeton na odczyt, który miał się odbyć w dawnym domu Einsteina. Wiedział, że panuje tam miła tradycja mieszania pomysłów prelegentów z błotem. Ze starcia wyszedł jednak obronną ręką, podobnie jak z następnego, które odbyło się na Harvardzie (gdzie obowiązywała podobna tradycja). Od tej chwili zyskał międzynarodową sławę.
Sławę, która nigdy nie uderzyła mu do głowy, bo od zawsze interesowała go tylko nauka. Jego małżeństwo się rozpadło, ponieważ nie znalazł równowagi między pracą naukową a życiem osobistym. Ze skromności do dzisiaj uważa, że opisany przez niego mechanizm nie powinien nazywać się mechanizmem Higgsa tylko mechanizmem ABEGHHK’tH od nazwisk ośmiu ludzi, którym Higgs przypisuje zasługi w wynalezieniu go. Zgodnie z życzeniem naukowca oddajmy im sprawiedliwość: Philip Warren Anderson, Robert Brout, François Englert, Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen, Peter Higgs, Thomas Kibble i Gerardus ‘t Hooft.

Kosmos z myślą o nas

Boska cząstka stanowi ukoronowanie pewnej epoki, ale błędem byłoby mniemanie, że 4 lipca skończyła się fizyka. Teraz przed naukowcami stoi żmudne zadanie opisania wszystkich właściwości nowo odkrytej cząstki. Poza tym wyobraźnię naukowców już od jakiegoś czasu zaprząta pytanie, co po Modelu Standardowym, który Michio Kaku (fizyk i popularyzator nauki) nazwał „raczej brzydkim” i teorią, „którą pokochałaby tylko matka”.
– Dalej robi się bardzo ciekawie, bo po raz pierwszy fizycy wiedzą, czego nie wiedzą. Materia, z której składają się kwiaty, golonka i piękne kobiety, to tylko 4% wszechświata. Ok. 20% to ciemna materia, a my nie wiemy, z czego się składa. Reszta to ciemna energia. Osobiście uważam, że te 20% prawdopodobnie jest stworzone z cząstek supersymetrycznych – mówi prof. Bartnik.
Teoria supersymetrii, zwana przez fizyków pieszczotliwie SUSY, to ciesząca się największym powodzeniem kandydatka do objęcia schedy po Modelu Standardowym. Każdej poznanej przez nas cząstce przyporządkowuje ona inną cząstkę, tzw. superpartnera, którego nazwę tworzy się zazwyczaj przez dodanie „s” przed nazwą oryginalnej cząstki. Toteż superpartnera kwarka nazywamy skwarkiem, elektronu selektronem, a antyneutrina antysneutrinem. Ciemna materia, którą niby tworzą, dotychczas się nam wymyka. Ale wiemy, że tam jest: nie umknął nam jej wpływ na galaktyki.
Na mocy przewidywań SUSY fizycy uważają, że superpartnerzy są ciężsi od swoich odpowiedników, więc do ich wytworzenia potrzeba znacznie więcej energii. Dlatego z takim utęsknieniem wypatrywali Wielkiego Zderzacza – maszyny, co do której wierzą, że ma wystarczającą energię do wytworzenia cząstek. W danych zbieranych od roku ich śladów jednak nie widać.
– Zastanowiło mnie, dlaczego na konferencji prasowej po ogłoszeniu wyniku nikt nie zadał pytania o to, co znaczy Higgs dla przeciętnego Kowalskiego – zastanawia się prof. Stanley Brodsky z Uniwersytetu Stanforda. – A znaczy bardzo wiele, nadaje bowiem cząstkom masę, bez której Kowalskiego by nie było. To każe nam pochylić się na nowo nad zasadą antropiczną, zgodnie z którą wszechświat skonstruowano tak, abyśmy mogli się w nim pojawić.

Zderzacz dla mas

Życie po Higgsie zapowiada się więc przynajmniej tak samo barwnie jak przed Higgsem. A centralnym elementem tego życia przez jakiś czas pozostanie Wielki Zderzacz Hadronów.
Kiedy świat obiegały informacje o problemach z zabawką za 10 mld euro, środowisko naukowe oskarżano o rozrzutność. Tymczasem wiele z rzeczy wymyślanych przy konstruowaniu urządzeń badawczych trafia potem pod strzechy. Gdy naukowcy w CERN stanęli przed problemem współdzielenia danych, wymyślili WWW. A kiedy zastanawiali się, jak utrzymać pędzące cząstki wewnątrz długiej rury w środku akceleratora, użyli nadprzewodzącego elektromagnesu chłodzonego ciekłym helem. Takiego samego jak w szpitalnych urządzeniach do rezonansu magnetycznego.
Jako Polacy możemy być dumni, że uczestniczymy w tym projekcie. Kilkanaście osób w całym kraju było zaangażowanych w budowę różnych elementów do dwóch detektorów zderzacza – ATLAS i CMS. Dalszych kilkanaście jest zaangażowanych w bieżącą analizę danych produkowanych w LHC. Których już teraz jest więcej, niż przewidują możliwości infrastruktury komputerowej zaprojektowanej dla urządzenia.
Urządzenie okazało się tak wydajne, że superkomputery pracujące na usługach fizyków nie nadążają z obróbką danych. Dlatego prof. Bartnik apeluje: każdy, kto ma w domu komputer podłączony do internetu, może ściągnąć program, który, wykorzystując wolną moc obliczeniową, będzie w tle pobierał i obrabiał dane z CERN. W ten sposób wszyscy mogą przyczynić się do nowych odkryć.