Boska cząstka prawie odkryta

Bozon Higgsa to Graal fizyków cząstek elementarnych: mamy go??

Publikacja: 14.07.2012 01:01

Kolizja protonów:? sto miliardów cząstek na sekundę

Foto: AFP

Sukces ogłoszono jako największe odkrycie ostatniego 30-lecia w fizyce, a sędziwy Peter Higgs, emerytowany profesor Uniwersytetu w Edynburgu, stał się murowanym kandydatem do Nagrody Nobla. Najpierw jednak odkrycie musi zostać definitywnie potwierdzone. Nie jest to tylko czcza formalność. Po pierwsze, cząstek elementarnych, otrzymywanych w wyniku zderzeń w akceleratorach, nie widzimy bezpośrednio, ale identyfikujemy je po śladach, jakie zostawiają w aparaturze. Niektóre cząstki – tak jest właśnie z bozonem Higgsa – natychmiast rozpadają się i aparatura nie widzi nawet ich torów, tylko tzw. dżety, czyli roje cząstek rozpadowych. Ponieważ z grubsza wiadomo, na co powinien rozpaść się higgs (już się używa tej nazwy), szukano konkretnych cząstek potomnych. Jest to sytuacja jak z meczu futbolowego, w którym ktoś zaczarował piłkę i uczynił ją niewidzialną dla obserwatorów: zawodnicy za czymś gonią, coś kopią i wrzucają z autu, bramkarze rzucają się jak szaleni, zagradzając temu drogę do bramki, a gdy im się nie uda, siatki wyginają się pod wpływem nagłego uderzenia. Naukowiec na tej podstawie wysnułby wniosek, że istnieje obiekt, o który idzie gra, i być może nazwałby go piłką. W przypadku bozonu Higgsa jest jeszcze gorzej, bo futbolówka po mocnym kopnięciu albo trafieniu w słupek rozpada się na roje piłek tenisowych, do palanta, do ping-ponga i innych.

Po drugie, bozon Higgsa, a tym bardziej dżety, w które się zamienia, nie ma napisane na czole: to ja, wasz higgs. Wiadomo, że prawdopodobnie odkryto cząstkę, której cechy pasowałyby do mitycznego bozonu postulowanego przez fizyka ze Szkocji w 1964 roku. Jest to przede wszystkim masa wynosząca około 125 GeV (gigaelektronowoltów; GeV to miara energii, ale fizycy dla uproszczenia uznają ją za równoważną masie na mocy słynnego równania Einsteina). Trzeba się więc przekonać, co właściwie zostało odkryte, jakie ma własności, czy jest to jedyna taka cząstka, czy też może jedna z kilku. Tzw. teoria supersymetrii zakłada na przykład, że bozonów Higgsa może być cztery, przy czym dwa podobne do tego, co opisał szkocki fizyk, a dwa całkiem odmienne, bo posiadające ładunek elektryczny.

Świat swoje waży

Dlaczego z powodu jednej małej cząstki podnosi się tak wielkie larum? Ano dlatego, że w tzw. modelu standardowym cząstek elementarnych bozon Higgsa odgrywa kluczową rolę. Ów model standardowy zawiera całą naszą wiedzę o najmniejszych cegiełkach, z jakich składa się wszechświat. Praca wielu uczonych złożyła się na tę konstrukcję, co nie znaczy, że ów model był czy jest tworem kompletnym. Miał jednak zasadniczą wadę: działał poprawnie wtedy, gdy przyjmowało się, że cząstki pozbawione są masy, a próby uwzględnienia jej prowadziły do komplikacji, a nawet absurdów matematycznych. Sytuację tę rozwiązał właśnie Peter Higgs (ale nie on jeden), postulując istnienie wszechobecnego pola, które w reakcji z cząstkami niejako wyposaża je w masę. Z istnieniem tego pola wiąże się postulat dodatkowej cząstki, należącej do grupy bozonów, czyli przenoszących oddziaływanie. Wygląda to tak, jakby opory ruchu w polu Higgsa powodowały, że cząstki stają się automatycznie masywne. A że mają masę, wiemy doskonale z pomiarów. Mówiąc krótko, cząstka Higgsa generuje dotychczas nieznany typ pola kwantowego, które nadaje masę innym cząstkom.

Teoria przewidziała dla bozonu Higgsa całkiem konkretne własności, przede wszystkim brak ładunku elektrycznego. Mimo braku rozmiarów także i on miał posiadać masę. Jest cząstką skalarną, pozbawioną spinu, czyli mówiąc po ludzku i w uproszczeniu, nie wiruje. Przypisano mu także brak struktury, co oznacza, że nie jest zbudowany z żadnych mniejszych cząstek. Skąd w takim razie biorą się owe dżety, po których go rozpoznajemy? Otóż bozon Higgsa żyje niezwykle krótko i natychmiast rozpada się na cząstki potomne, ale to nie oznacza, że się z nich składa.

Masę boskiej cząstki przewidywano, wstawiając do wzorów konkretne wartości tej masy; jako wyniki otrzymywano m.in. masy cząstek, które już znamy. Jeżeli występowała niezgodność, masa została określona źle i należało dobrać inną. W ten sposób, metodą prób i błędów, ustalono, że masa bozonu Higgsa musi się mieścić w przedziale między 50 a 175 GeV.

Pewne nadzieje na wykrycie higgsa wiązano z amerykańskim Tevatronem. Teoretycznie był on zdolny do wykrycia cząstki o masie około 120 GeV, a ale tak się nie stało. Został wyłączony 30 września 2011 roku, a jego rolę przejął Large Hadron Collider, Wielki Zderzacz Hadronów (hadrony – grupa silnie reagujących cząstek, zbudowanych z kwarków, mających przeważnie ładunek elektryczny. Należą do nich np. protony i neutrony, wchodzące w skład jąder atomowych). Uruchomiony w 2008 roku LHC jest gigantycznym mikroskopem pozwalającym zajrzeć w głąb kwantowego świata, najbardziej skomplikowaną maszyną, jaka kiedykolwiek wyszła spod ręki człowieka. Położony niedaleko Genewy na granicy francusko-szwajcarskiej, w podziemnym tunelu o średnicy 27 km, składa się z 1232 magnesów głównych, każdy o wadze 35 ton, które rozpędzają naładowane cząstki do prędkości ponad miliarda km/h, czyli 99,999999 procent prędkości światła. Wiązka owych protonów, składająca się z 2808 pęczków, zawiera około 100 mld protonów i krąży po torze kołowym, zderzając się z taką samą wiązką przeciwbieżną. W czterech punktach tory wiązek się przecinają i dochodzi do kolizji około 20 protonów, ale ponieważ odbywa się to z szybkością światła, kolizje produkują sto miliardów cząstek co sekundę. Komputery detektora Atlas przesiewają te przypadki, szukając zderzeń produkujących cząstki wskazujące na obecność higgsa. Muszą pracować z niesamowitą szybkością, aby nadążyć z rejestracją; tak właśnie zostały odnotowane kolizje, które świadczą o wykryciu cząstki podobnej do higgsa.

Sleptony i skwarki

A gdyby boskiej cząstki nie odnaleziono? Prawdopodobnie poszukiwania trwałyby dalej, w coraz wyższych pasmach energii. Równolegle trwają zresztą próby rozszerzenia modelu standardowego w postaci teorii supersymetrycznej, która wyjaśnia pewne zawiłości, ale postuluje zdublowaną liczbę wszystkich cząstek. Aby je odróżnić od cząstek znanych dotychczas, zaproponowano dodanie do ich nazw na początku literki s. W ten sposób leptony stają się sleptonami, a kwarki – smakowicie kojarzącymi się skwarkami. Foton jako cząstka oddziaływania zamienia się w fotino, higgs zaś – w higgsino. Cokolwiek byśmy myśleli o takich zabiegach, jednym z celów LHC jest także poszukiwanie cząstek supersymetrycznych, aby potwierdzić bądź unieważnić teorię supersymetryczną.

Kto wie jednak, czy energie osiągane przez LHC, aczkolwiek olbrzymie, nie okażą się do tego celu za niskie. W planach była budowa w Texasie amerykańskiego odpowiednika LHC, ale trzy razy większego, zderzającego cząstki z energią 40 TeV. Spodziewane koszty dochodziły już do 10 mld dolarów i program skasowano. Tyle samo miałby kosztować Międzynarodowy Zderzacz Liniowy ILC, pomimo energii zaledwie 0,5 TeV, ale za to zderzający przeciwbieżne wiązki elektronów i pozytonów. Są to, jak widać, drogie zabawki, także ze względu na taką precyzję wykonania i montażu, że mówienie o zegarkach szwajcarskich wielokilometrowej średnicy nie jest tu żadną przesadą. W LHC poszło to tak daleko, że uwzględniono nawet pływy wody w pobliskim Jeziorze Genewskim, wywołane ruchami Księżyca.

Na odpowiedź o konsekwencje odkrycia bozonu Higgsa jest chyba za wcześnie. Mówi się wprawdzie, że otwiera ono perspektywy na nową fizykę, ale na czym ta fizyka miałaby polegać, nikt nie waży się formułować. Tak samo mgliście rysują się praktyczne korzyści z odkrycia. Bozon i pole Higgsa istnieją dziś i istniały w starożytnym Egipcie, nic sobie nie robiąc z naszych odkryć. W szczególności złudne są nadzieje na to, że higgsy doprowadzą nas do teleportacji (bo skoro zawiadują masą...) czy też zostaną przerobione na broń (skoro odkrycie higgsa ujawniono bez obawy o dalsze finansowanie badań, muszą się za tym kryć fundusze wojskowe). Nie wyobrażam sobie, jak można by higgsa przerobić na bomby, badania takie uważam za wykluczone z prostego powodu: przy projekcie zaangażowana jest zbyt wielka armia uczonych z różnych krajów (w tym z Polski), żeby zachowanie tajemnicy było możliwe.

I ostatnia kwestia: kto dostanie ewentualnego Nobla. Pierwszą pracę na ten temat opublikowali w sierpniu 1964 roku Robert Brout, Amerykanin, i Francis Englert, Belg. W październiku ukazał się artykuł Petera Higgsa; podobno był gotowy w lipcu, ale pismo zwlekało z powodu jego sensacyjnej wymowy. Inne źródła twierdzą, że redakcja uznała go za niekompletny i gdy tylko autor dopisał jedno zdanie – że pole pociąga za sobą istnienie cząstki, którą można będzie wykryć, rzecz opublikowano piorunem. W listopadzie w tej samej sprawie wypowiedział się jeszcze zespół trzech autorów: Tom Kibble, Gerald Guralnik i Richard Hagen. Społeczności fizyków najbardziej spodobało się ujęcie Higgsa; z tego powodu zarówno pole, jak i cząstkę ochrzczono jego imieniem, od czego sam fizyk do dziś się dystansuje.

Z tej plejady Brout już nie żyje, a do lauru wystawić można tylko trzech. Podobno oprócz Higgsa mają to być Englert z pierwszego zespołu i Kibble z trzeciego. Nie ma sprawiedliwości na tym świecie – i nie chodzi o pominiętych. Jeśli te przepowiednie się spełnią, laur dostaną nie ci, którzy naprawdę bozon Higgsa wykryli (byłyby to wielkie zespoły z LHC), lecz ci, co go wiele lat wcześniej wymyślili.

Autor jest pisarzem SF, krytykiem i publicystą specjalizującym się w tematyce naukowej i cywilizacyjnej. Ostatnio wydał powieść „Trzeci najazd Marsjan".