Napomena urednika: 8. listopada 2013., Peter Higgs i Francois Englert osvojili su Nobelovu nagradu za fiziku za svoj rad na Higgsovom bozonu. Ispod, naš kolumnist znanosti Brian Greene objašnjava znanost koja stoji iza otkrića.
Iz ove priče
[×] ZATVORI
Detektor ATLAS, jedan od dva pokusa pronalaženja neuhvatljivog Higgsova bozona u razbijanju čestica na CERN-ovom Velikom hadronskom sudaraču, teži čak stotinu 747 mlaznica i nalazi više od 1800 milja kabela. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Kompaktni muonski magnet na velikom hadronskom sudaraču hvata čestice u djelu. (Michael Hoch / CERN) 
Povratak na ploču za crtanje: Fizičar Peter Higgs izrezuje svoju poznatu jednadžbu opisujući izvor mase čestica. Bilo bi potrebno pola stoljeća da se to dokaže. (Stuart Wallace / Splash News / Newscom) 
Tim radi s ATLAS detektorom, jednim od dva eksperimenta za otkrivanje neuhvatljivog Higgsovog bozona u razbijanju čestica. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Prije ugradnje, dijelovi CMS detektora boravili su u prostoriji za čišćenje u CERN-u. (Maximilien Brice, Michael Hoch, Joseph Gobin / CERN) 
Magnet u CMS detektoru stvara magnetsko polje 100.000 puta jače od zemljinog. (Gobin / CERN) 
Izbliza CMS detektora - jedan od dva pokusa za otkrivanje potpisa Higgsovog bozona. (Gobin / CERN) 
Iako se Higgsov bozon čini prekratko da bi se mogao izravno otkriti, fizičari na CMS-u mogu zaključiti njegovo postojanje proučavanjem tuševa čestica koje su zaostale nakon sudara protona-protona. (T. McCauley, L. Taylor / CERN) 
FOTOGALERIJA
Povezani sadržaj
- Umjetnost i znanost sudaraju se u otkriću Higsonovog Bozona
Poznata priča iz fizike analesa govori o 5-godišnjem Albertu Einsteinu, bolesnom u krevetu, koji je od oca primio igrački kompas. Dječaka su zbunjivale i očarale nevidljive sile na poslu, preusmjeravajući iglu kompasa da usmjeri prema sjeveru kad god je njegov položaj odmaranja bio poremećen. Einstein će ga kasnije reći da ga je priroda duboko skrivala i natjerala je da provede svoj život pokušavajući je otkriti.
Iako je priča stara više od jednog stoljeća, mladi zagonetni Einstein naišao je na odjeke s ključnom temom suvremene fizike, onom koja je presudna za najvažnija eksperimentalna dostignuća u području posljednjih 50 godina: otkriće, prije godinu dana, srpnja ove godine, Higgsovog bozona.
Dopustite mi da objasnim.
Znanost općenito, a fizika posebno, traže obrasce. Ispružite oprugu dvostruko i osjetite dvostruki otpor. Uzorak. Povećajte volumen koji predmet zauzima, pritom zadržavajući njegovu masu, i što veći on lebdi u vodi. Uzorak. Pažljivim promatranjem obrazaca, istraživači otkrivaju fizičke zakone koji se mogu izraziti jezikom matematičkih jednadžbi.
Jasan uzorak je također vidljiv u slučaju kompasa: pomaknite ga i iglom ponovo usmjerite prema sjeveru. Mogu zamisliti mladog Einsteina koji misli kako mora postojati opći zakon koji predviđa da se viseće metalne igle guraju prema sjeveru. Ali ne postoji takav zakon. Kada u nekom području postoji magnetsko polje, određeni metalni predmeti doživljavaju silu koja ih poravnava prema smjeru polja, bez obzira na to u kojem se smjeru događa. A Zemljino magnetsko polje se događa prema sjeveru.
Primjer je jednostavan, ali lekcija duboka. Prirodni obrasci ponekad odražavaju dvije isprepletene značajke: temeljni fizički zakoni i utjecaji okoliša. To je inačica prirode od prirodne njege. U slučaju kompasa, rastavljanje dvaju nije teško. Manipulirajući s magnetom, lako zaključujete da orijentacija magneta određuje smjer igle. Ali mogu postojati i druge situacije u kojima je utjecaj okoline toliko proširen, a tako da prevazilazimo našu sposobnost manipuliranja, bilo bi daleko izazovnije prepoznati njihov utjecaj.
Fizičari pripovijedaju usporedbu o ribama koje istražuju zakone fizike, ali toliko naviknute u njihov vodenast svijet da ne razmatraju njegov utjecaj. Ribe se snažno bore da objasne nježno ljuljanje biljaka, kao i svoju vlastitu lokomotaciju. Zakoni koje u konačnici pronalaze su složeni i neugledni. Zatim, jedna sjajna riba ima proboj. Možda složenost odražava jednostavne temeljne zakone koji djeluju u složenom okruženju - onaj koji je ispunjen viskoznom, nekompresivnom i prožimajućom tekućinom: ocean. U početku se pronicljiva riba zanemaruje, čak ismijava. No polako i drugi shvaćaju da njihovo okruženje, bez obzira na njihovo poznavanje, ima značajan utjecaj na sve što promatraju.
Je li se prispodoba presekla bliže kući nego što smo možda mislili? Mogu li postojati druge, suptilne, ali prožimajuće osobine okoline koje dosad nismo uspjeli pravilno shvatiti? Otkrivanje Higgsove čestice velikim hadronskim sudarom u Ženevi uvjerilo je fizičare da je odgovor snažno da.
Prije gotovo pola stoljeća, Peter Higgs i nekolicina drugih fizičara pokušavali su razumjeti porijeklo osnovne fizičke osobine: mase. Možete misliti na masu kao na krađu objekta ili, još malo preciznije, kao na otpor koji pruža promjeni njegovog kretanja. Pritisnite na teretni vlak (ili pero) da biste povećali brzinu, a otpor koji osjećate odražava njegovu masu. Na mikroskopskoj razini masa teretnog vlaka dolazi iz njegovih sastavnih molekula i atoma koji su sami izgrađeni od osnovnih čestica, elektrona i kvarkova. Ali odakle dolaze mase ovih i drugih temeljnih čestica?
Kada su fizičari 1960-ih modelirali ponašanje tih čestica koristeći jednadžbe ukorijenjene u kvantnoj fizici, naišli su na zagonetku. Ako su zamislili da su čestice sve mase, tada bi svaki izraz u jednadžbama kliknuo na savršeno simetričan uzorak, poput vrhova savršene snježne pahulje. A ta simetrija nije bila samo matematički elegantna. Objasnio je obrasce vidljive u eksperimentalnim podacima. Ali - a evo i zagonetke - fizičari su znali da čestice imaju masu, a kad su modificirali jednadžbe da bi računali na tu činjenicu, matematički sklad bio je pokvaren. Jednadžbe su postale složene i nespretne i, što je još gore, nedosljedne.
Što učiniti? Evo ideje koju je iznio Higgs. Ne gurajte mase čestica niz grlo lijepih jednadžbi. Umjesto toga, zadržite jednadžbe netaknutim i simetričnim, ali smatrajte da one djeluju u posebnom okruženju. Zamislite da je sav prostor jednoliko ispunjen nevidljivom tvari - koja se sada naziva Higgsovo polje - koja djeluje na silu vučenja na čestice kada one ubrzavaju kroz nju. Gurnite na temeljnu česticu u nastojanju da povećate njenu brzinu i prema Higgsovom osjećaju, ovu bi vučnu silu osjećali kao otpor. Obrazložljivo, otpor biste protumačili kao masu čestica. Za mentalni kraj, razmislite o ping-pong kugli potopljenoj u vodu. Kada pritisnete kuglu za ping-pong, ona će se osjećati mnogo masivnije nego što to čini izvan vode. Njegova interakcija s vodenim okolišem ima za posljedicu davanje mase. Dakle, s česticama potopljenim u Higgsovo polje.
Godine 1964. Higgs je predao članak uglednom časopisu za fiziku u kojem je matematički formulirao tu ideju. Rad je odbijen. Ne zato što je sadržavala tehničku grešku, već zato što je pretpostavka nevidljivog nečega prožimala prostor, u interakciji s česticama kako bi se osigurala njihova masa, dobro, sve je to izgledalo kao gomila pretjeranih nagađanja. Urednici časopisa ocijenili su je da "nema očigledan značaj za fiziku."
Ali Higgs je ustrajao (a njegov revidirani rad pojavio se kasnije te godine u drugom časopisu), a fizičari koji su odvojili vrijeme da prouče prijedlog su postupno shvatili da je njegova ideja bila genijalni udar, onaj koji im je omogućio da imaju svoj kolač i pojedu ga također, U Higgsovoj shemi, temeljne jednadžbe mogu zadržati svoj netaknuti oblik jer je prljav posao davanja mase čestica prebačen u okoliš.
Premda nisam bio svjedok početnog odbijanja Higgsovog prijedloga 1964. godine (dobro, bio sam tu, ali tek jedva), mogu ustvrditi da se do sredine 1980-ih procjena promijenila. Zajednica fizike većim dijelom u potpunosti je shvatila ideju da postoji Higgsovo polje koje prožima prostor. Zapravo, u diplomskom studiju uzeo sam ono što je poznato pod nazivom Standardni model fizike čestica (fizičari kvantne jednadžbe su se okupili da opišu čestice materije i dominantne sile pomoću kojih one utječu jedna na drugu), profesor je predstavio Higgsa polje s takvom sigurnošću da dugo nisam imao pojma da se to tek treba eksperimentalno uspostaviti. To se ponekad događa u fizici. Matematičke jednadžbe ponekad mogu ispričati tako uvjerljivu priču, naizgled mogu zračiti stvarnošću tako snažno da se ukorijenile u govoru fizičara koji rade, čak i prije nego što postoje podaci koji ih potvrđuju.
Ali samo s podacima može se krivotvoriti veza s stvarnošću. Kako možemo testirati Higgsovo polje? Ovo je mjesto gdje dolazi veliki hadronski sudarač (LHC). Omotavajući stotine metara ispod Ženeve u Švicarskoj, prelazeći francusku granicu i natrag, LHC je kružni tunel dugačak gotovo 17 kilometara koji služi kao staza za trčanje razbijajući zajedno čestice materije. LHC je okružen s oko 9000 superprevodnih magneta, i dom je strujanja hordi protona, koji se vrte oko tunela u oba smjera, što magneti ubrzavaju da se samo stide brzine svjetlosti. Pri takvim brzinama, protoni se vrte oko tunela oko 11.000 puta svake sekunde, a kad ih usmjere magneti, uključe se u milijunske sudare u tren oka. Sudari, zauzvrat, proizvode vatromet nalik raspršivanju čestica koje mamuti detektori bilježe i bilježe.
Jedna od glavnih motivacija za LHC, koji je koštao 10 milijardi dolara i uključuje tisuće znanstvenika iz desetaka zemalja, bilo je traženje dokaza za Higgsovo polje. Matematika je pokazala da ako je ideja ispravna, ako smo stvarno uronjeni u ocean Higgsova polja, onda bi nasilni sudari čestica trebali biti u stanju da se pomaknu po polju, koliko bi dvije podmornice sudarale u vodu oko njih. I svaki toliko često trzaj bi trebao biti pravičan da baci mrlju s polja - sićušnu kapljicu Higgsovog oceana - koji bi izgledao kao dugotrajna Higgsova čestica.
Proračuni su također pokazali da bi Higgsova čestica bila nestabilna i raspadala se na ostale čestice u malom djeliću sekunde. U vrtlogu sudarajućih čestica i oblaka čestica, znanstvenici naoružani moćnim računalima pretraživali bi Higgsov otisak prsta - obrazac proizvoda raspadanja diktiran jednadžbama.
U ranim jutarnjim satima 4. srpnja 2012. okupio sam se s još dvadesetak drugih staleža u konferencijskoj sali u Centru za fiziku u Aspenu da bih uživo pogledao tiskovnu konferenciju u postrojenjima Velikog hadronskog sudara u Ženevi. Otprilike šest mjeseci ranije, dva neovisna tima istraživača optuženih za prikupljanje i analizu LHC podataka objavila su snažne pokazatelje da je Higgsova čestica pronađena. Glasine koje sada lete oko fizičke zajednice glasile su da timovi napokon imaju dovoljno dokaza da postave konačnu tvrdnju. Zajedno s činjenicom da je i sam Peter Higgs bio zamoljen da putuje u Ženevu, bilo je dovoljno motivacije da ostane gore do 3 sata ujutro kako bi uživo objavio tu objavu.
I kako je svijet brzo počeo učiti, dokazi da je Higgsova čestica otkrivena bili su dovoljno jaki da pređu prag otkrića. S Higgsovom česticom koja je sada službeno pronađena, publika u Ženevi izbila je burnim pljeskom, kao i naša mala skupina u Aspenu i bez sumnje na desetine sličnih okupljanja širom svijeta. Peter Higgs obrisao je suzu.
Uz godinu unazad i dodatne podatke koji su samo poslužili da ojača slučaj Higgsa, evo kako bih sažeo najvažnije implikacije otkrića.
Prvo, već odavno znamo da u svemiru postoje nevidljivi stanovnici. Radio i televizijski valovi. Zemljino magnetsko polje. Gravitacijska polja. Ali ništa od toga nije trajno. Nijedan nije nepromjenjiv. Nijedan nije jednoliko prisutan u cijelom svemiru. U tom je pogledu Higgsovo polje bitno drugačije. Vjerujemo da je njegova vrijednost ista na Zemlji kao i blizu Saturna, u magli Oriona, diljem Andromedine galaksije i bilo gdje drugdje. Koliko znamo, Higgsovo polje neizbrisivo je utisnuto na prostornu tkaninu.
Drugo, Higgsova čestica predstavlja novi oblik materije, koji se očekivao desetljećima, ali nikada nije viđen. Početkom 20. stoljeća fizičari su shvatili da čestice, pored svoje mase i električnog naboja, imaju i treće određujuće svojstvo: njihovo centrifugiranje. Ali za razliku od vrha djeteta, centrifuga čestica je unutarnja značajka koja se ne mijenja; ne ubrzava se ili usporava s vremenom. Svi elektroni i kvarkovi imaju istu vrijednost spina, dok je spin fotona - čestice svjetla - dvostruko veći od elektrona i kvarkova. Jednadžbe koje opisuju Higgsovu česticu pokazale su da - za razliku od bilo koje druge vrste temeljnih čestica - uopće ne bi trebala imati zakretanje. Podaci s Velikog hadronskog sudarača to su sada potvrdili.
Uspostavljanje postojanja novog oblika materije je rijetko postignuće, ali rezultat ima odjeka u jednom drugom polju: kozmologiji, znanstvenom istraživanju kako je čitav svemir počeo i razvijao se u oblik kojem smo danas svjedoci. Dugi niz godina kozmolozi koji su proučavali teoriju Velikog praska bili su zaprepašteni. Sastavili su snažan opis načina na koji se svemir razvijao od djelića sekunde nakon početka, ali nisu uspjeli dati nikakav uvid u to što pokreće prostor da se prvo počne širiti. Koja je sila mogla iskusiti tako snažan vanjski pritisak? Uza sav svoj uspjeh, teorija Velikog praska ostavila je prasak.
U 1980-ima otkriveno je moguće rješenje, ono koje zvoni glasnim Higgsovim zvonom. Ako je područje prostora jednolično objedinjeno poljem čiji su čestiti sastojci bez spirale, tada Einsteinova teorija gravitacije (opća teorija relativnosti) otkriva da se može stvoriti snažna odbojna sila - prasak i velika pri tome. Proračuni su pokazali da je teško realizirati tu ideju sa samim Higgsovim poljem; dvostruka dužnost davanja mase čestica i podmetanja praska predstavlja značajan teret. Ali pronicljivi znanstvenici shvatili su da postavljanjem drugog „Higgsovog“ polja (koji ima isti nestajući spin, ali različite mase i interakcije) mogu podijeliti teret - jedno polje za masu, a drugo za odbojni potisak - i ponuditi uvjerljivo objašnjenje praska. Zbog toga su teorijski fizičari više od 30 godina intenzivno istraživali kozmološke teorije u kojima takva Higgsova polja igraju bitnu ulogu. Tisuće članaka iz časopisa napisane su razvijajući ove ideje, a milijarde dolara utrošeno je na promatranje iz svemira tražeći - i pronalazeći - neizravne dokaze da ove teorije točno opisuju naš svemir. Potvrda LHC-a da barem jedno takvo polje zapravo postoji postavlja generiranje kozmološkog teoretiziranja na daleko čvršće temelje.
Napokon, i možda najvažnije, otkriće Higgsove čestice zadivljujući je trijumf matematičke moći otkrivanja djelovanja svemira. To je priča koja je u fizici rekapitulirana više puta, ali svaki novi primjer oduševljava isto. Mogućnost crnih rupa pojavila se iz matematičkih analiza njemačkog fizičara Karla Schwarzchilda; naknadna zapažanja dokazala su da su crne rupe stvarne. Kozmologija Big Bang-a proizašla je iz matematičkih analiza Aleksandra Friedmanna i Georgesa Lemaître; kasnija zapažanja pokazala su i ovaj uvid točnim. Koncept anti-materije prvi je put nastao iz matematičkih analiza kvantnog fizičara Paul Dirac; kasniji eksperimenti pokazali su da je i ta ideja ispravna. Ovi primjeri daju dojam za ono što je veliki matematički fizičar Eugene Wigner mislio kad je govorio o "nerazumnoj učinkovitosti matematike u opisivanju fizičkog svemira." Higgsovo polje pojavilo se iz matematičkih studija tražeći mehanizam za davanje čestica mase. I još jednom je matematika prošla letećim bojama.
Kao teorijski fizičar, jedan od mnogih posvećen pronalasku onoga što je Ajnštajn nazvao "objedinjenom teorijom" - duboko skrivenih veza između svih prirodnih sila i materije o kojima je Einstein sanjao, dugo nakon što ih je misteriozno djelovanje kompasa zakačilo za fiziku - Otkrivanje Higgsa posebno je zahvalno. Naš rad je vođen matematikom i do sada nije ostvario kontakt s eksperimentalnim podacima. Nestrpljivo očekujemo 2015. godinu kada će se ponovo uključiti nadograđeni, a opet snažniji LHC, jer postoji vjerojatnost da će novi podaci pružiti dokaz da naše teorije idu u pravom smjeru. Glavne prekretnice uključivale bi otkriće klase dosad nevidljivih čestica (nazvanih „supersimetrične“ čestice) koje naše jednadžbe predviđaju ili nagovještavaju divlju mogućnost prostornih dimenzija izvan tri koje svi doživljavamo. Još uzbudljivije bilo bi otkriće nečeg potpuno nepredviđenog, što bi nas sve vratilo u svoje tablice.
Mnogi od nas pokušavaju skalirati te matematičke planine već 30 godina, neki čak i duže. Ponekad smo osjećali da je ujedinjena teorija tek nadohvat ruke, dok u drugim trenucima doista žmirimo u mraku. Veliko je pojačanje za našu generaciju da svjedočimo Higgsovoj potvrdi, da svjedočimo matematičkim uvidima starim četiri desetljeća realiziranim kao iskakanje i pucketanje u LHC detektorima. Podsjeća nas da uzmemo k srcu riječi nobelovca Stevena Weinberga: "Naša greška nije u tome što naše teorije shvaćamo previše ozbiljno, ali ih ne shvaćamo dovoljno ozbiljno. Uvijek je teško shvatiti da ovi brojevi i jednadžbe s kojima igramo na našim stolovima imaju neke veze sa stvarnim svijetom. "Ponekad ti brojevi i jednadžbe imaju neku čudesnu, gotovo jezivu sposobnost osvjetljavanja inače mračnih kutova stvarnosti. Kad to učine, mi se toliko približavamo shvaćanju našeg mjesta u kozmosu.
