Skazany na Nobla

Na początku wielkiego odkrycia był jeden człowiek, potem kilku; na końcu wielka armia ludzi i największa machina, jaką ludzkość zbudowała kiedykolwiek.

Jeden z najwybitniejszych fizyków przełomu XX i XXI wieku Peter Higgs ze Szkocji czekał na uhonorowanie Nagrodą Nobla 48 lat. Co do tego, że mu się należy, panowała powszechna zgoda. W chwili ogłoszenia werdyktu miał 84 lata i zażywał tzw. pogodnej starości jako emerytowany profesor Uniwersytetu w Edynburgu. Jego pracę z 1964 roku, wtedy zlekceważoną, dziś uznaje się za kluczową i otwierającą nowe perspektywy w dziedzinie fizyki.

Fizyka w tle

Niewiele brakowało, by Higgs w ogóle fizykiem nie został, bo w szkole fizyka mało go pociągała. Owszem, lubił uczyć się języków obcych, interesowała go matematyka i chemia, ale fizyka nie. Być może wynikało to stąd, że młodzi nauczyciele poszli do wojska – trwała wszak druga wojna światowa – ich miejsce zajęła starsza generacja belfrów, mniej dbających o atrakcyjność lekcji. Na egzaminach państwowych Higgs dostał więc nagrody za wyniki z angielskiego, francuskiego, łaciny, matematyki i chemii, ale z fizyki się bynajmniej nie wyróżnił.

Na zmianę tego stanu rzeczy wpłynęło nazwisko Paula Diraca, jedynego noblisty w gronie wybitnych absolwentów Cotham Grammar School w Bristolu. Dirac, autor przełomowych prac z mechaniki kwantowej, którego nazwisko widniało na ścianie w szkole, stał się obiektem fascynacji Higgsa. W tym samym czasie nauczyciel angielskiego zalecił mu, by więcej czytał  i polecił dzieła Arthura Eddingtona, fizyka, Jamesa Jeansa, kosmologa, i Alberta Einsteina. Na szczęście przyszły odkrywca cząstki i pola swego imienia potrafił skorzystać z dobrej rady: zaczął pożerać te książki i wnet fizyka objawiła mu swe fascynujące oblicze. „W szkolnych podręcznikach pominięto wszystko, co najlepsze" – taką myśl przypisuje młodemu Higgsowi autor jego biografii Ian Sample.

Zbombardowanie Hiroszimy i Nagasaki przez Amerykanów było dla świata szokiem nie tylko ze względu na liczbę ofiar nowej broni masowej zagłady. W tle stała fizyka, dzięki której otrzymano to straszliwe narzędzie, jakim człowiek nigdy wcześniej nie dysponował. Pokaz użycia go oznaczał dla fizyki rozgłos, a także wzrost jej znaczenia – dyscyplinę, która daje takie rezultaty, trudno lekceważyć. W Bristolu wykorzystano tę okazję do wygłoszenia serii wykładów na temat rozszczepienia jądra atomowego. Higgs był ich pilnym słuchaczem, ale wykorzystanie osiągnięć fizyków do zabijania ludzi wzbudzało jego odrazę. Postanowił w przyszłości unikać zagadnień, które by miały coś wspólnego z bronią.

W 1946 roku 17-letni Higgs wylądował w City of London School,  specjalizując się w matematyce; rok później jest już w King's College London i tu już zajął się fizyką. Dlaczego nie w Oksfordzie albo w Cambridge? W rodzinie Higgsa panowała opinia, że są to uczelnie dla „bogatych próżniaków", mających do zmarnowania kilka lat; gdy kto chce studiować na serio, powinien wybrać się gdzie indziej. W tym też mniej więcej czasie zrozumiał, że nie ma predyspozycji na fizyka doświadczalnego: zajęcia laboratoryjne były dlań udręką, godzinami zmagał się z opornymi przyrządami, nie potrafił powtórzyć klasycznych eksperymentów. Stało się jasne, że jego przeznaczeniem musi być teoria – na szczęście dla nauki, a dla fizyki w szczególności.

Łamanie symetrii

Był to idealny moment na tego typu decyzję, gdyż w King's College zorganizowano właśnie zajęcia z fizyki teoretycznej. Na swoim roku Higgs był jedynym słuchaczem, a gdy kurs dobiegł końca, uświadomiono sobie, że trzeba przecież zorganizować egzamin. Nikt nie miał pomysłu, jakie pytanie zadać absolwentowi. Jeden z profesorów znalazł więc artykuł, którego Higgs nie mógł znać, po czym przeformułował jego tezy tak, by otrzymać pytanie egzaminacyjne. Higgs nie tylko znalazł poprawną odpowiedź, ale jeszcze ją ulepszył w stosunku do oryginału.

Niewiele mu to jednak dało w sensie przyspieszenia kariery zawodowej. Po zdobyciu doktoratu z fizyki molekularnej przez parę lat szukał swojego miejsca na świecie i w 1960 roku wylądował na Uniwersytecie w Edynburgu, gdzie pozostał do emerytury. Tam właśnie zainteresował się masą cząstek. Na wiosnę 1961 roku natknął się na artykuł Yoichiro Nambu, fizyka japońskiego pochodzenia, który sugerował, że nadawać cząstkom masę mógłby mechanizm łamania symetrii. Postawmy na biurku ołówek na sztorc: przez krótką chwilę będzie on trwał w tym położeniu, po czym przewróci się i przyjmie pozycję leżącą. To właśnie jest łamaniem symetrii za przyczyną pola grawitacyjnego: ołówek początkowo ma pozycję symetryczną, ale gdy upadnie, straci ją. Oczywiście za nadawanie masy cząstkom byłoby odpowiedzialne innego rodzaju łamanie symetrii, ale zasada pozostaje taka sama.

Według Nambu na samym początku wszechświata znajdującego się w stanie symetrii wszystkie cząstki były bezmasowe. Jakieś nieznane pole złamało tę symetrię i niektóre z cząstek – proton, neutron i kilka innych – uzyskały w ten sposób masę. Pomysł został natychmiast skrytykowany: proces taki musiałby doprowadzić do powstania nowych bezmasowych cząstek. Powinny one szeroko występować w naturze  i być łatwo wykrywalne, nikt jednak nie zdołał ich zarejestrować, z czego płynął oczywisty wniosek, że teoria Nambu jest fałszywa.

Pojawiły się jednak opinie, że Nambu miał dobry pomysł, tylko źle go przedstawił. Dwaj fizycy z Pensylwanii Klein i Lee zaproponowali wkrótce stosowne poprawki, ale Gilbert z Harvardu w krótkim artykule nie pozostawił na ich pracy suchej nitki.

Higgs był przygnębiony krytyką Gilberta, ponieważ kwestionowała ona także jego tok rozumowania. Gdy jednak zastanawiał się nad argumentami Gilberta, wpadł na pomysł, jak ominąć słabości teorii Nambu i jednocześnie zapewnić cząstkom masę.

Rywale

Teraz dla Higgsa zaczyna się okres pisania artykułów. W lipcu 1964 roku skończył zgrubną wersję pracy swojego życia: na 79 linijkach tekstu wykazał błąd w artykule Gilberta i wysłał pracę do „Physics Letters", czasopisma usytuowanego przy CERN. Niebawem ukończył większy artykuł przedstawiający własną teorię i skierował do tego samego adresata. Niestety, recenzent „Physics Letters" uznał, że artykuł nie ma związku z fizyką cząstek. Towarzyszyła temu obraźliwa w gruncie rzeczy sugestia, aby wysłać pracę do pewnego włoskiego czasopisma, które nie zawraca sobie głowy recenzjami.

Higgs postąpił inaczej: dopisał jeszcze kilka akapitów, a w przedostatnim zdaniu postulował istnienie nowej cząstki. W ten właśnie sposób pojawił się po raz pierwszy słynny bozon, ochrzczony potem od nazwiska odkrywcy. Poprawiony artykuł Higgs wyekspediował jednak nie do Włoch, a do USA, do „Physical Review Letters", głównego konkurenta pisma wydawanego w CERN.

Pracę Higgsa przyjęto do druku z zastrzeżeniem: redakcja życzyła sobie, aby autor wspomniał o innym artykule autorstwa dwóch fizyków z Brukseli,Roberta Brouta i François Englerta. Uczeni ci dochodzili do podobnej konkluzji co Higgs. Główną różnicą pomiędzy obydwoma artykułami była owa cząstka, która wkrótce na długie lata miała zajmować uwagę środowiska jako bozon Higgsa. Wskutek zawirowań związanych z publikacją Brout i Englert wyprzedzili Higgsa o siedem tygodni. Zarówno jedni, jak i drugi nie wiedzieli wcześniej o swoich poczynaniach.

Brout z Englertem trafili na siebie za pomocą zabiegów bez mała matrymonialnych: Brout poszukiwał asystenta i zwrócił się do przyjaciela, by wystąpił w roli swatki i kogoś mu polecił. Obaj panowie tak przypadli sobie do gustu, że gdy Englert postanowił wrócić do Belgii, Brout wkrótce ruszył jego śladem. Pracując na uniwersytecie w Brukseli, zajęli się szczegółowo teorią Nambu.

Okazało się, że nad tym samym zagadnieniem trudzi się jeszcze trójka fizyków z Imperium College w Londynie: Gerry Guralnik, Dick Hagen i Tom Kibble. Tuż przed wysłaniem swojego artykułu dowiedzieli się o rywalach, ale mimo to postanowili zabiegać o druk własnej pracy, uznając ją za pełniejszą. W lecie 1965 roku Guralnik i Hagen wystąpili na konferencji organizowanej przez słynnego Wernera Heisenberga w Feldafing koło Monachium. Już wcześniej opowieści o tej teorii środowisko fizyków przyjmowało z niedowierzaniem, ale to, co stało się w Feldafing, przeszło wszelkie oczekiwania. Sam Heisenberg zdezawuował teorię, nazywając ją chłamem. Guralnik bardzo to przeżył i chyba przez zbytnią podatność na sugestie ze strony autorytetów zwątpił w jej słuszność. Gdy wrócił do Ameryki i osiadł na uniwersytecie w Rochester, jego szef Robert Marshak powiedział mu bez ogródek, że powinien dać sobie spokój z tą kwestią, jeśli chce coś osiągnąć w fizyce. Był to drugi tak wyraźny sygnał, który spowodował, że Guralnik ostatecznie porzucił teorię masy cząstek. Wiele lat później, w 1983 roku, Marshak publicznie przeprosił Guralnika – obaj wiedzieli, że ta rada odcięła mu drogę do Nagrody Nobla.

W normalnym przypadku po pracy wykonanej przez teoretyków do galopu idą fizycy doświadczalni, weryfikując ich koncepcje za pomocą eksperymentu. W tym wypadku kłopot polegał na tym, że ani Higgs, ani Brout z Englertem nie podawali konkretów: jaka jest wartość pola Higgsa i jaką masę przyjmuje bozon jego imienia. Nie bardzo więc było wiadomo, co mierzyć i gdzie się spodziewać obecności fenomenów potwierdzających teorię. Zarówno Higgs, jak i Brout z Englertem próbowali coś w tej mierze wskórać, ale bezskutecznie.

Bozon Higgsa

Higgs był wtedy na dorobku, jego nazwiska nikt nie znał. Aby nieco rozreklamować swą teorię, w listopadzie 1965 roku napisał artykuł i rozesłał go fizykom, których by to mogło zainteresować. Z artykułu wynikało, że na samym początku wszechświata, tuż po Wielkim Wybuchu, wszystkie cząstki były nieważkie. Jednak w ułamku sekundy włączyło się pole zwane dziś polem Higgsa i błyskawicznie nadało cząstkom masę. Pole to, rozciągające się w całej przestrzeni, ma taką samą wartość w każdym punkcie, jest natomiast pozbawione kierunku. Częścią pola Higgsa jest bozon, który powstaje, gdy już cząstki zdążą stać się masywne. Żeby stwierdzić, czy pole i zarysowany w artykule mechanizm Higgsa istnieją, najlepiej byłoby odkryć ów bozon.

Kiedy nazwano go bozonem Higgsa? Odkrywca uważa, że na konferencji w Fermilabie w 1972 roku. Fizyk, z którym Higgs okazyjnie rozmawiał wcześniej, znalazł się w komitecie organizacyjnym owej konferencji i postanowił ściągnąć na nią twórcę nowej fascynującej teorii. Nie znał jednak szczegółów i aby ją zaanonsować skrótowo, napisał: teoria Higgsa.

Dick Hagen, niedoszły konkurent do Nobla, uważa jednak, że o bozonie Higgsa mówiono już w 1966 roku, ponieważ sam założył protest w tej sprawie. Podczas jednego z wykładów na temat mechanizmu Higgsa protestował współtwórca teorii Peter Brout, twierdząc, że jego nazwisko ma również pięć liter. Sam Higgs czuł się z tego powodu mocno niezręcznie, a jako człowiek skromny próbował zamiast „mechanizmu Higgsa" lansować „mechanizm ABEGHHKH", aby uwzględnić wszystkich, którzy przyczynili się do rozwoju teorii. Rzecz jasna nie miało to żadnych szans na przyjęcie się i wszystko zostało po staremu. W latach 90. słynna książka Leona Ledermana lansowała tytułem nazwę „boska cząstka", ale większość fizyków uznała ją za idiotyczną i bozon Higgsa pozostał bozonem Higgsa, podobnie jak pole Higgsa.

Wróćmy jednak do roku 1965. W odpowiedzi na swój artykuł Higgs otrzymał list od Freemana Dysona z Instytutu Badań Zaawansowanych w Princeton z zaproszeniem do wygłoszenia wykładu na wiosnę 1966 roku. Choć Dyson wydawał się entuzjastyczny, w Princeton pracowali najwybitniejsi fizycy, którzy mieli nadzieję wziąć Higgsa w obroty. Ten jednak ze wszystkiego się wybronił i w ten sposób jego teoria przeszła pomyślnie najcięższy jak dotąd sprawdzian. Nie przesądzało to o jej prawdziwości: niesprzeczność matematyczna to tylko warunek konieczny, natura mogła zorganizować się zupełnie inaczej. Dzień później Higgs poddał swą teorię jeszcze jednej konfrontacji, tym razem na uniwersytecie Stanforda. Miano go tam rozszarpać, jednak do egzekucji nie doszło, bo odbiór wystąpienia był entuzjastyczny. Te dwa wykłady sprawiły, że Higgs niemal z tygodnia na tydzień utracił anonimowość i stał się fizykiem z pierwszego rzędu.

Przy okazji poszukiwania bozonu doszło do konfliktu ze słynnym astrofizykiem Stephenem Hawkingiem. Hawking, opierając się na własnej pracy, wykluczył możliwość zaobserwowania boskiego bozonu, ponieważ uniemożliwią to wirtualne czarne dziury, powstające wskutek fluktuacji czasoprzestrzeni. Hawking swoim zwyczajem postawił na to 100 dolarów, ale zdaniem Higgsa autor „Krótkiej historii czasu" połączył fizykę cząstek z grawitacją w sposób, w którego „poprawność nie wierzy chyba żaden teoretyk". Dodał, że ma poważne wątpliwości, czy te obliczenia są poprawne. Przy innej okazji Higgs miał się wyrazić, że z Hawkingiem trudno jest dyskutować, ponieważ uchodzą mu na sucho wypowiedzi, których by nie darowano komu innemu. Wymianę uszczypliwości kontynuowano, jednak dla kwestii znalezienia newralgicznego bozonu nie miały one znaczenia: każdy z adwersarzy pozostał przy swoim.

Pod koniec XX wieku stało się jasne, że wykrycie bozonu Higgsa nie będzie sprawą prostą. Wiedziano już, że bezpośrednia obserwacja jest wykluczona, jako że bozon rozpada się niezwykle szybko. Fizycy orientowali się jednak z grubsza, jakie cząstki powstaną w wyniku tego rozpadu, wystarczyło więc przeszukiwać reakcje, w których wyniku powstawały np. wuony i zetony. Był tylko jeden szkopuł: wydolność energetyczna największych akceleratorów do tego nie wystarczała, zarówno europejski LEP, jak i amerykański Tevatron okazały się za słabe. Udało się natomiast określić z grubsza przedział masy, w którym może występować słynna cząstka.

W tym samym mniej więcej czasie podniosły się głosy, że wielkie energie użyte do rozbijania cząstek mogą doprowadzić ubocznie do tragedii na skalę kosmiczną.  Gdyby podczas takiego zderzenia wbrew intencji naukowców doszło do powstania miniaturowej czarnej dziury, podryfowałaby ona do centrum ziemskiego jądra i tam, dzięki absorbowanej z otoczenia materii rozrastałaby się, aż pochłonęłaby naszą planetę w całości.

Wskazywano także na możliwość powstania osobliwej formy materii, podobnej w działaniu do słynnego lodu-9 z powieści „Kocia kołyska" Kurta Vonneguta z 1963 roku. Ów lód-9 opracowano do celów wojskowych, aby chronić ludzi i sprzęt przed błotem i grząskim terenem. Porcja takiego lodu wrzucona do bagna powodowała błyskawiczną krystalizację obecnych tam cząsteczek wody do struktury twardej jak beton. Straszono więc, że wytworzone w akceleratorach „dziwadełka" mogłyby odmienić strukturę materii na taką, w której nie dałoby się żyć. Innym formułowanym zagrożeniem było powstawanie monopoli magnetycznych, zdolnych do odparowania zwyczajnej materii i uwalniających przy tym tak ogromną energię, że dochodziłoby do wybuchów na skalę kosmiczną. Sprawę traktowano serio do tego stopnia, że CERN powołał komisję, która miała zbadać realność tych zagrożeń, zwłaszcza w kontekście planowanej budowy Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) na granicy francusko-szwajcarskiej. Komisja wskazała jednak, że zagrożenia nie ma, ponieważ wysokoenergetyczne cząstki z kosmosu bombardują od miliardów lat powierzchnię Księżyca, a żadnych ekscesów z materią tam nie zaobserwowano.

Droga do ukrytych światów?

LHC uruchomiono w 2008 roku i prawie natychmiast doszło do poważnej awarii, która posłużyła fatalistom do stwierdzenia, że nad bozonem Higgsa wisi fatum, bo sam Bóg nie życzy sobie jego odkrycia. Sceptycy po raz kolejny ogłosili, że bozon ów raczej nie istnieje. Jednak po doprowadzeniu do ładu LHC zaczął chodzić jak złoto, osiągając niedosiężną wcześniej energię 8 TeV i 400 bilionów zderzeń na eksperyment. Od tego momentu zdarzenia potoczyły się piorunem: w czerwcu 2012 roku zarejestrowano pierwsze ślady, które wyglądały jak poszukiwana cząstka, a 4 lipca kierownictwo CERN zorganizowało konferencję, na której ogłoszono, że natrafiono na cząstkę o masie 125 GeV (są to jednostki energii, ale fizycy na mocy równania Einsteina określają w ten sposób i masę) i właściwościach wskazujących na bozon Higgsa. Półwieczne bez mała poszukiwania znalazły swój finał.

Sędziwy Peter Higgs, zapytany wcześniej, co by czuł, gdyby odkryto jego cząstkę, rzekł: „Odczułbym ulgę". Podczas ogłaszania odkrycia w przepełnionej auli, w obliczu prominentnych fizyków i dawnych rywali, był wyraźnie wzruszony i płakał. Jego odyseja dobiegła końca.

„Idea, którą Higgs zanotował pobieżnie niemal pół wieku temu, stała się czymś więcej niż tylko kilkoma równaniami zapisanymi w zeszycie. Sama teoria zyskała na wadze, gdy w XX wieku fizycy poznali jej prawdziwe znaczenie, sprawdzili jej matematyczną poprawność i odkryli pośrednie dowody świadczące o tym, że dużo dokładniej opisuje naturę. Teoria, którą kiedyś opisano w praktycznie niezauważonej notatce w czasopiśmie naukowym, z biegiem czasu zyskała takie znaczenie, że dla jej wyjaśnienia przez całe dziesięciolecia prowadzono intensywne poszukiwania i skonstruowano urządzenia warte wiele miliardów dolarów" – podsumowuje Ian Sample w książce „Peter Higgs. Poszukiwania boskiej cząstki". Dodajmy, że uczestniczyła w tych poszukiwaniach armia ludzi, a ich trud złożył się na lepsze rozumienie wszechświata i potwierdził słuszność tzw. modelu standardowego cząstek, w którym bozon Higgsa był ostatnim brakującym elementem. A czy jego odkrycie, nagrodzone Noblem już rok później, doprowadzi do jakiejś nowej fizyki, czy też wskaże drogę do ukrytych światów, jak chcą inni – pokaże przyszłość.