Dugi put do Higgsova bozona

Proteklih je stotinu godina čovjek napravio velik napredak u razumijevanju strukture materije. Zahvaljujući pronalasku i razvoju kvantne fizike i teorije relativnosti u prvoj polovici dvadesetog stoljeća protumačena je prvo atomska i molekularna struktura, zatim se prešlo na ispitivanje strukture jezgre, dok je druga polovica dvadesetog stoljeća uglavnom razdoblje otkrivanja i razumijevanja sljedećeg nivoa supstrukture materije, svijeta kvarkova, leptona i njihovih interakcija. Radovi, ispitivanja i napori eksperimentalnih i teorijskih fizičara urodili su kroz proteklih pedesetak godina postupnim razvojem nevjerojatno uspješne teorije mikrosvijeta poznate pod imenom standardni model. Iako ta teorija ne tumači sve prirodne pojave (na primjer »tamnu materiju« ili »tamnu energiju« ili nestanak antimaterije iz svemira), danas nema eksperimentalnog rezultata koji bi bio u neslaganju s njom. Tijekom 2012. godine u CERN-u je ostvareno jedno od najvažnijih znanstvenih otkrića zadnjih trideset godina, pronalazak Higgsova bozona. To je otkriće kruna standardnog modela i o putu do njegova otkrića bit će riječi u ovom članku.

Istraživanja šezdesetih i sedamdesetih godina prošlog stoljeća pokazala su da su protoni i neutroni (sastavni dijelovi atomske jezgre) – koji su do tada smatrani elementarnim česticama, tj. bez strukture – zapravo i sami sastavljeni od još manjih dijelova zvanih kvarkovi. Kvarkovi su elementarne čestice našeg vremena, nemaju mjerive dimenzije, možemo samo reći da su manji od milijuntog dijela milijarditog dijela centimetra (<10-15 cm). Postoji (za sada) šest vrsta kvarkova organiziranih u tri dubleta ili tri familije: (u,d), (c,s), (t,b) (imena dolaze od naziva na engleskom: up, down, charm, strange, top, bottom). Proton i neutron sastavljeni su, na primjer, od tri kvarka, (u,u,d) za proton, (d,d,u) za neutron. Na istom nivou elementarnosti imamo i šest dodatnih čestica, zvanih leptoni. I leptoni su organizirani u tri dubleta (ili familije): (ne,e), (nm,m), (nt,t); čestice oznake n su neutrini koji se javljaju u tri varijante, e je svima dobro poznati elektron atomske strukture, m je tzv muon, neka vrsta teškog elektrona, i o njemu će biti još riječi u daljnjem tekstu, t je tzv. tauon, još teža verzija elektrona. Kvarkovi i leptoni su dakle elementarne čestice materije našeg vremena i nosioci su nekih naboja, električnoga, jakoga, slaboga. Sve te čestice materije, i kvarkovi i leptoni, imaju svoje antičestice, suprotnog električnog naboja, na primjer antičestica elektrona jest pozitron. Čestice i njihove antičestice ispituju se uz pomoć velikih akceleratora i kompleksnih detektorskih sistema.

Sve te čestice mogu međudjelovati putem triju fundamentalnih interakcija ili sila, ovisno o »naboju« koji nose. Imamo »jake sile« kojima su podložni samo kvarkovi, oni su svi nosioci jakog naboja koji se zove »boja« (colour); te su sile odgovorne za strukturu protona i neutrona, dakle indirektno i za nuklearne sile. Zatim »elektromagnetske sile« – odgovorne za atomsku i molekularnu strukturu, njima su podložne sve čestice materije nosioci električnog naboja. Konačno imamo i »slabe sile«, njima podliježu i kvarkovi i leptoni, one su odgovorne, na primjer, za radioaktivne »beta-raspade«, za raspad neutrona u proton+antineutrino+elektron (n → p+`ne+e–), ili za transformaciju (u određenim prilikama) protona u neutron+antielektron+neutrino (p → n+ne+e+). Taj zadnji proces odgovoran je za nuklearno izgaranje Sunca u kojem se četiri protona vezuju u jezgru helija (dva protona + 2 neutrona) uz emisiju 2 antielektrona + 2 neutrina i oslobađanje energije (26 MeV-a po jezgri), proces zahvaljujući kojem Sunce sja već 4.5 milijarde godina... Dakle slabe sile nisu nevažne! S tim je silama povezana – u okviru kvantne teorije sila – jedna dodatna kategorija elementarnih čestica, zvana »kvanti polja« tih sila. Kvanti polja su sljedeći: foton za elektromagnetske sile, 8 gluona su kvanti polja jakih sila i konačno W+, W- i Z0 su tri kvanta slabih sila. Bitna razlika među tim kvantima jest da su foton i gluoni bez mase, dok su W i Z vrlo teški, oko stotinu puta teži negoli jedan proton. To je, krajnje pojednostavnjeno, čestični sastav standardnog modela. Toj slici je donedavna nedostajala još jedna čestica – zadnja da bi teorijska shema bila potpuna, »Higgsov bozon«, i on je pronađen 2012 godine.

Samo još nekoliko riječi o terminologiji: čestice materije, kvarkovi i leptoni, nazvane su »fermioni« zbog interne osobine tih čestica – njihova polucjelobrojnog spina 1/2, dok su svi kvanti sila »bozoni«, tj. čestice cjelobrojnog spina 1, ili 0 u slučaju Higgsova bozona. Isto bi tako trebalo reći da bi, iako je uobičajen naziv »Higgsov bozon«, zapravo trebalo govoriti o »bozonu Brout-Englert-Higgsa«, po imenima trojice teoretičara koji su 1964. godine formulirali mehanizam zahvaljujući kojem W, Z bozoni, kao i svi kvarkovi i leptoni, poprimaju masu. U tome je centralno značenje Higgsova bozona i tog otkrića. U nastavku će biti riječi o dugom putu koji je trebalo prijeći da bi to tog otkrića došlo, opet na krajnje pojednostavnjen način. Prije nego prijeđemo na to, ipak bi zbog potpunosti trebalo spomenuti i četvrtu fundamentalnu interakciju, silu – gravitaciju: ta sila nema utjecaja na nivou elementarnih čestica na energijama koje su do sada bile dostupne i nećemo ju više sresti u nastavku teksta, osim na samom kraju, u vezi s budućim traženjima u fizici.

Od otkrića W i Z bozona do LHC-a

Godine 1989. novoizabrani generalni direktor CERN-a, prof. Carlo Rubbia (siječanj 1989–prosinac 1993), pita se treba li i kako spasiti mogući akcelerator – sudarač LHC (Large Hadron Collider) o kojem se govori već nekoliko godina, s kojim bi se eventualno moglo dosegnuti i do ~15 TeV-a energije u sudarima proton-proton, a koji bi se mogao smjestiti u već postojećem 27 km dugom tunelu u kojem je upravo proradio elektron-pozitron sudarač LEP (Large Electron-Positron Collider) od ~90 GeV-a. U čemu je problem? O mogućnosti gradnje jednoga hadronskog akceleratora u tunelu LEP-a, kad taj iscrpi/istroši svoj potencijal istraživanja oko godine 2000., nakon desetak godina rada – o tome se govori već više godina, preciznije od 1984. i konferencije (workshopa) u Lausannei, gdje se prvi put spominje mogućnost jednog LHC-a. Ali je u međuvremenu ideja praktički napuštena jer su Amerikanci lansirali 1987. svoj vlastiti projekt SSC – Superconducting Super Collider, accelerator-sudarač opsega 80 km, koji bi dosegnuo energije od ~40 TeV-a, triput veće negoli eventualni LHC.

Vratimo se prvo malo unazad, na genezu i CERN-a, i LHC-a, i projekta SSC. U cijelom poslijeratnom razdoblju, od početka fizike elementarnih čestica (često zvane fizika visokih energija), od kraja 1940-ih godina pa do 1980-ih, gotovo sva značajna otkrića i Nobelove nagrade iz fizike odlaze u SAD. CERN (Centre européen pour la recherche nucléaire) osnovan je 1953. godine s namjerom da se na jednome mjestu koncentriraju profesionalna, tehnička, intelektualna i financijska sredstva europskih zemalja, jer fizika elementarnih čestica zahtijeva velika ulaganja, izgradnju složenih i skupih akceleratora, detektora, elektroničkih sustava i informatike. Europske zemlje, koje su dominirale znanstvenom scenom prije rata, izišle su iz II. svjetskog rata znanstveno upropaštene i izgubile su najveći broj svojih stručnjaka i znanstvenika, znanost se bila preselila u SAD i nijedna europska zemlja pojedinačno nije bila više u mogućnosti obavljati takva istraživanja koja zahtijevaju ulaganja na skali zemalja-kontinenta kao što su bili SAD i SSSR. Osnutkom CERN-a namjera je bila vratiti barem djelomično znanstvenu premoć i spriječiti odljev mozgova (brain drain) prema SAD-u, veliku brigu europskih političara onog vremena. Tadašnja Jugoslavija bila je među dvanaest zemalja osnivača CERN-a (potpisnik konvencije 1953. bio je P. Savić, uz prisutnost I. Supeka), pa su fizičari i inženjeri iz Hrvatske (Institut »Ruđer Bošković« /IRB/ i Prirodoslovno-matematički fakultet /PMF/, Zagreb) počeli odlaziti u CERN, neki na kraće boravke, a neki i trajno. Profesor V. Glaser iz Zagreba/PMF otišao je potkraj 1950-ih u CERN i bio ondje jedan od ključnih teorijskih fizičara, baveći se aksiomatskom teorijom polja; ali će i niz drugih fizičara, eksperimentalaca i teoretičara dolaziti sljedećih godina i desetljeća na kraća ili duža razdoblja u CERN. Kao članovi teorijske grupe 1960-ih godina došli su teoretičari kao G. Alaga, D. Tadić (nuklearna fizika i slabe interakcije), B. Jakšić (koji je tada radio na modelu Regge), V. Paar (nuklearni modeli), kasnijih godina S. Pallua (čestičar i kozmolog), I. Picek (teorija čestica), B. Guberina (teorija i fenomenologija raspada šarmiranih bariona), J. Trampetić (fenomenologija/teorija B hadrona), B. Melić (B-fizika i narušavanje CP simetrije) itd. Neki su došli radeći na eksperimentima, M. Furić (nuklearna fizika), D. Vranić, G. Paić, D. Ferenc, K. Kadija, T. Antičić itd. (uglavnom na fizici teških iona), i nova generacija – V. Brigljević i njegovi studenti i suradnici, koji rade na analizi podataka s CMS detektora. Od devedesetih godina dolaze i fizičari i sa Sveučilišta u Splitu, I. Puljak, Z. Antunović, N. Godinović, D. Lelas, M. Dželalija, R. Pleština, M. Kovač itd., koji rade na CMS detektoru i analizi podataka. U CERN-u djeluje i više stručnjaka hrvatskog podrijetla, ali vezanih za druge institucije, ili direktno za CERN (inženjeri Boltezar, Mario Weiss, Fred Asner – eksperti za akceleratorske ili magnetske tehnike) ili za zapadnoeuropske institucije kao I. Derado (MPI–München), G. Senjanović (ICTP–Trst), D. Denegri (CEN–Saclay) itd., koji su ili povremeno ili trajno aktivni u CERN-u.

LHC tunel sa zakretnim dipolnim magnetima; prikazana je shema silnica i orijentacija magnetskog polja; u LHC-u 40.000 tona (!) materijala držano je na temperaturi od –271°C

Prvi veliki akcelerator u CERN-u, sinkro-ciklotron od ~600 MeV-a, proradio je 1956. godine, a 1959. i prvi veliki proton-sinkrotron, PS od 29 GeV-a; taj je akcelerator ravan tadašnjem najjačem američkom proton-sinkrotronu AGS-u u Brookhavenu. Ali ipak se sva značajnija otkrića tih godina ostvaruju u SAD-u, na primjer novih hiperona kao S, X, W, i mnoštva hadronskih rezonancija, uglavnom u detektorima tipa komora na mjehuriće, prvo na Cosmotronu (3 GeV) pa na AGS-u u Brookhavenu ili na Bevatronu (6 GeV) u Berkeleyu, gdje su otkriveni i antiproton i antineutron. Europljani u CERN-u imaju odlične akceleratore i detektore te potvrđuju i produbljuju prve pronalaske, ali nikako da budu prvi! Isto je s otkrićima narušavanja fundamentalnih simetrija P-parnosti, CP-parnosti, otkrića J/psi čestice i c-quarka (Brookhaven, Berkeley, 1974), Y čestice i b-quarka u Fermilabu 1976. godine... Sjećam se dobro razočaranja mog profesora kvantne mehanike na PMF-u u Zagrebu, prof. Borivoja Jakšića, a koji me inače zainteresirao i uputio u fiziku elementarnih čestica, kad su 1963. godine pronađena dva neutrina ne i nm – opet u Brookhavenu na AGS-u, iako je CERN-ov proton-sinkrotron tada bio potpuno u mogućnosti napraviti taj pronalazak! Ali u fizici čestica treba imati njuha ili intuicije – gdje se može načiniti jedno epohalno otkriće, te imati iskustva – gdje i što tražiti, a to CERN očito tada nije još imao. Ali stvari će se ubrzo temeljito promijeniti.

Već oko 1975. godine eksperimenti koji se obavljaju u CERN-u često su kvalitetniji nego slični eksperimenti u SAD-u. Na primjer eksperimenti CDHS (CERN–Dortmund–Heidelberg–Saclay kolaboracija) ili BCDMS (Bologna–CERN–Dortmund–München–Saclay), koji ispituju duboko inelastično raspršenje neutrina ili muona na nukleonima. Ti eksperimenti daju uvid u kvark/gluonsku strukturu nukleona i testiraju kvantnu kromo-dinamiku (QCD – quantum chromo-dynamics) kao teoriju jakih interakcija, koja je formulirana 1971. godine (Appelquist, Gross, Politzer itd).

A onda se 1977/78. godine pojavio jedan čovjek, Carlo Rubbia, s idejom transformacije sasvim novoga CERN-ova SPS-a (Super Proton Synhcrotron), akceleratora od 400 GeV-a, što je energija snopa protona u akceleratoru, u proton-antiproton sudaraču. To bi omogućilo sudare na energijama ~500–600 GeV-a u centru mase antiproton-proton, što je ~10 do 20 puta veća energija u centru mase negoli je bilo moguće dobiti s do tada uobičajenom tehnikom sudara protona od 400 GeV-a snopa iz SPS-a s protonima u statičnoj meti (fixed target experiments). Energija od 500–600 GeV-a u antiproton-proton centru mase – ako bi se mogao dobiti i dovoljan intenzitet snopa antiprotona! – omogućila bi otkriće tada još hipotetskih W i Z bozona, kvanata polja slabih sila, čije je postojanje postalo centralno pitanje fizike tih godina. Naime, šezdesetih su godina W+, W- i Z0 (vektorski, tj. spina = 1) bozoni predviđeni u okviru kvantne teorije polja (sa SU2xU1 baždarnom invarijancijom) kojom se nastojalo ujediniti elektromagnetske i slabe interakcije (Glashow, Weinberg, Salam, Ward 1965/66, Veltman, t’Hooft 1971), a uz pomoć Higgsova mehanizma, točnije bi bilo reći Brout-Englert-Higgsova mehanizma (1964), koji dopušta da se uvede masa u teoriju tzv. spontanim narušavanjem simetrije, a da se pritom fundamentalna simetrija teorije ne izgubi. Pojednostavnjeno rečeno, od 4 stupnja slobode (zapravo skalarna bozona spina 0) koja se uvode u teoriju kroz Higgsov mehanizam, 3 će poslužiti da se vektorskim bozonima W, Z poda masa, ali četvrti stupanj slobode preostaje i implicira postojanje jednoga skalarnog (tj. spina 0) bozona, koji danas najčešće skraćeno zovemo Higgsov bozon H.

Traženje W, Z i eventualno Higgsova bozona (H) postalo je glavni cilj fizike čestica tih 1970-ih godina. Masivni W+, W-, Z0 i H usko su povezani u toj teorijskoj shemi, ali dok se za W i Z bozone očekivala masa od ~50–100 GeV-a, teorija nije davala nikakva predviđanja za masu H čestice. Teorija je predviđala da je potrebno oko milijardu proton-antiproton sudara kako bi se proizveo jedan W ili Z bozon. Sažeto rečeno, ujedinjena elektroslaba teorija, upotpunjena Higgsovim mehanizmom generiranja mase, prvi je put dala teorijsko tumačenje i predviđanje mase W bozona – dakle tumačenje vrlo malog dometa od ~10-15cm (nabijenih) slabih sila, a time i razlog njihova prividno slabog intenziteta u usporedbi s elektromagnetskim interakcijama. Usto je ujedinjena teorija predvidjela postojanje jednoga dodatnoga masivnog Z bozona i s njim u vezi postojanja novog tipa (neutralnih) slabih sila, sačuvala je masu nula za foton (kvant elektromagnetizma) i time beskonačan domet elektromagnetskih sila te povezala elementarni električni naboj e s Fermijevim »nabojem« slabih sila (GF iz b-radioaktivnosti), što je direktna manifestacija elektro-slabog ujedinjenja.

Carlo Rubbia, čovjek nevjerojatne energije, razumijevanja fizike i eksperimentalne kreativnosti, uspio je (uz pomoć Simona van der Meera) u tri godine postići da proradi antiproton-proton sudarač u CERN-u 1981. godine, te da sa svojom ekipom izgradi UA1 detektor, najkompliciraniji detektor svog vremena, namijenjen traganju za W i Z vektorskim bozonima. Ja sam bio član te UA1 ekipe, jedan od dvaju voditelja tima iz Saclaya pokraj Pariza; bili smo odgovorni za izgradnju elektromagnetskoga kalorimetra, tj. dijela detektora namijenjenog identificiranju i preciznom mjerenju elektrona i analizu podataka. U prosincu 1982. godine pronalazimo W bozon, u travnju 1983. Z bozon – oba zahvaljujući elektromagnetskom kalorimetru – i s masama od m(W) ~ 80 GeV-a, m(Z) ~ 90 GeV-a, a u listopadu 1984. godine Carlo Rubbia i Simon van der Meer dobivaju Nobelovu nagradu iz fizike! To je bilo kao grom iz vedra neba za američke fizičare; njima koji su potpuno dominirali scenom zadnjih tridesetak godina, da im je izmaknulo najznačajnije otkriće! Podbodeni i ranjeni u svom ponosu, oni tada predlažu SSC, kolosalni akcelerator-sudarač od 40 TeV-a energije, kojega je izgradnja počela 1987. godine, a s kojim će potpuno premašiti sve što bi eventualni LHC mogao otkriti, na primjer H-bozon, i definitivno ostaviti za sobom i Europu i SSSR sa svojim UNK projektom. Početna procjena cijene SSC-a bila je ~6 milijardi US$, ali se 1990. godine već povećala na 8, a 1993. godine, kad je predsjednik B. Clinton prekinuo program SSC, cijena se već bila povećala na 11 milijardi US$, od kojih je više od 2 milijarde bilo već potrošeno u izgradnji tunela te na istraživanja i razvoj na magnetima i detektorima.

Sto se dogodilo u međuvremenu? C. Rubbia 1989. godine traži da se ipak ispita mogućnost kompeticije LHC-a sa SSC-om, ako bi se mogli razviti zakretni (dipolni) supravodljivi magneti od ~ 10 tesla, dakle oko dvaput jači ali tehnički mnogo zahtjevniji negoli oni predviđeni za SSC, a omogućilo bi energije i do 17 TeV-a za LHC. Na osnovi studija i radova koje je oko 300 fizičara uglavnom iz Europe, ali ne samo iz nje, načinilo tijekom 1989. i 1990. godine (voditelji tih studija bili su G. Altarelli, F. Pauss i D. Denegri) i koji su prikazani i rezimirani na konferenciji u Aachenu u listopadu 1990. godine, proizlazi da jedan LHC energije od ~15 TeVa, ali 10 puta većeg intenziteta (luminoziteta) nego SSC, može ipak biti kompetitivan sa SSC-om u traženju Higgsova bozona, a i za mnoga druga istraživanja, na primjer traženje supersimetrije. Rubbia odmah kreće u »napad«, žestoko potiče rad na supravodljivim magnetima u CERN-u (F. Asner je jedan od stručnjaka koji se tada angažirao radeći na razvoju NiSn supravodiča) te predlaže da LHC bude gotov i prije SSC-a, čak 1998–2000. godine; to je element trke za Higgsovim bozonom. Najvažniji Rubbijin argument bio je da bi LHC mogao biti i znatno jeftiniji, tj. koštati ne više od ~2.5 do 3 milijarde US$ (ili CHF), koristeći već postojeći LEP tunel, svu postojeću infrastrukturu CERN-a (akceleratore booster, PS, SPS itd.) i novi tip magneta sheme »dva u jedan« (two-in-one) kojih treba upola manje negoli po shemi projekta SSC. Cjelokupna je ušteda reda veličine od ~3 milijarde US$. Po mom mišljenju nijedan drugi fizičar na svijetu, osim C. Rubbije, ne bi imao hrabrosti upustiti se u takav pothvat i takav izazov! Godine 1991/92. nastupa raspad SSSR-a, dakle pitanje vidljive tehnološke supremacije SAD-a nije više tako akutno, prioriteti sada postaju drugi i SAD ukida projekt SSC, a američki se fizičari odonda postupno pridružuju eksperimentima u fazi izgradnje za LHC, osobito nakon što je 2010. godine prestao funkcionirati antiproton-proton sudarač od 2 TeV-a u Fermilabu pokraj Chicaga, gdje je 1995. pronađen posljednji kvark, top kvark.

Eksperimenti na LHC-u i uloga hrvatskih fizičara u njima

Već prvih godina projekta LHC iskristalizirala se potreba za četirima detektorima i formirale su se kolaboracije: detektori ATLAS i CMS opće namjene, optimizirani za traženje Higgsova bozona, mogućih znakova supersimetričnih čestica itd., eksperiment ALICE, namijenjen studiranju kvark-gluonske plazme (QGP) i eksperiment LHCb, specijalno namijenjen studiju B-čestica i suptilnih razlika između materije i antimaterije. Institucije iz Hrvatske sudjeluju samo u eksperimentima ALICE i CMS, pa će dalje uglavnom o njima biti riječi. Godine 1994/95. eksperimentalni program LHC-a definitivno je prihvaćen i financiranje akceleratora odobreno, ali samo u okviru već postojećega CERN-ova budžeta (tada oko 1000 MCHF godišnje), tj. bez dodatnih sredstava, što će znatno usporiti napredak projekta. Zapravo će biti potrebno deset godina R&D (research and development) u CERN-u da bi se razvili potrebni zakretni dipolni i fokusirajući kvadrupolni magneti te još osam godina da se izradi oko 1250 dipola i 450 kvadrupola u europskim industrijama (Alstom, Siemens/Noell, Ansaldo), svaki magnet vrijedan oko milijun US$. Financiranje detektora samo je manjim dijelom osigurano iz CERN-ova budžeta, najveći dio dolazi od posebnih financijskih kontribucija zemalja, ne nužno članica CERN-a, ali čiji laboratoriji i fizičari sudjeluju u eksperimentima/kolaboracijama, što je slučaj s Hrvatskom. Eksperimenti CMS i ALICE uglavnom su koncipirani u godinama od 1990. do ~95., na inicijativu i po zamisli maloga početnog broja fizičara koji su uglavnom radili u CERN-u, ali su se brzo konstituirali višenacionalni timovi fizičara, i tu su rano ušle i neke institucije iz Hrvatske. Malo i o tome, prvo o ALICE-u, potom o CMS-u.

Detektor ALICE, namijenjen proučavanju sudara teških iona u LHC-u; eksperiment-kolaboracija ALICE broji oko 1200 znanstvenika iz tridesetak zemalja

Grupa zagrebačkih fizičara (Vranić, Paić, Ferenc, Kadija, Antičić), koja je već uspješno djelovala 1980-ih godina na eksperimentima s teškim ionima na SPS-u (Super-Proton-Synchrotron) eksperimentalnom programu (dijelom zaslugom Ive Derade), rano se zainteresirala za detektor ALICE i već u prvim godinama tog projekta ima značajnu ulogu u definiranju i optimizaciji koncepcije detektora i budućih istraživanja. Daniel Ferenc bio je nekoliko godina i »technical coordinator« eksperimenta ALICE, a G. Paić »physics coordinator«; D. Vranić, kao član tima iz GSI–Darmstadt, i danas je jedan od glavnih odgovornih za konstrukciju i funkcioniranje detektora tragova (tipa time projection chamber) u ALICE-u. Grupa je uspostavljena na IRB-u u Zagrebu i na FESB-u u Splitu (dijelom zaslugom G. Paića) i zadnjih godina na PMF-u u Zagrebu pod vodstvom M. Planinića. Kolaboracija ALICE danas, 2013. godine, broji oko 1200 fizičara iz ~100 laboratorija i ~30 zemalja. Pomoću eksperimenta ALICE obavljaju se vrlo interesantna istraživanja na sudarima Pb-Pb registriranim na LHC-u 2010. i 2011. godine i proton-Pb sudarima prikupljenim početkom 2013 godine. Ispituju se uspostavljanje i svojstva novog stanja materije zvanog kvark-gluonska plazma (QGP), studiraju se osobine materije u tom stanju, viskoznost, ponašanje/rastapanje vezanih stanja c-cbar i b-bbar kvarkova/mezona u tom mediju, prozirnost (radije netransparentnost – opacity) QGP na prolaz jako-interagirajućih čestica poput kvarkova i gluona u prolazu kroz taj medij itd. U okviru Big Bang-modela evolucije materijalnog Svemira, kvark-gluonska plazma je stanje u kojem se nalazila cjelokupna materija u Svemiru u prvoj mikrosekundi nakon »velikog praska«, sve dok temperatura materije u Svemiru koji se širi nije pala na ~200–300 MeV-a. Tada se događa prijelaz s QGP na hadronsku fazu materije, tj formiraju se nukleoni, protoni i neutroni, vezana stanja triju kvarkova, dakle prve organizirane strukture u svemiru, i svi ti tada formirani nukleoni još su uvijek tu nakon ~14 milijardi godina! Sljedeća će etapa u organizaciji materije nastupiti s daljnjim širenjem i hlađenjem Svemira, kad temperatura padne u prvih nekoliko minuta nakon Big Banga na nekoliko MeV-a; tada dolazi do trajnog stvaranja prvih nuklearnih jezgara (primarna nukleosinteza) i ~ 25 % barionske materije naći će se u obliku 4He (od neutrona koji su još tada živi i nisu se već beta-raspali u proton plus elektron+neutrino), 75% ostaje u obliku protona, tj. kao 1H, uz vrlo male količine učestalosti od 10-4 do 10-7 jezgara 7Li, 3He, 2H... Svemir se naime prebrzo hladi, daljnje nukleosinteze nema, trebat će čekati stvaranje, nuklearni život i smrt prvih zvijezda oko milijardu godina poslije, jer su sve ostale atomske jezgre (do Fe) sintetizirane u nuklearnom izgaranju unutar zvijezda i u njihovim smrtnim i posmrtnim hropcima za jezgre teže od Fe. To nije predmet fizike elementarnih čestica, nego nuklearne fizike, a ispituje se na raznim mjestima u svijetu i u CERN-u u programu ISOLDE.

Primjer sudara u LHC-u jezgara Pb-Pb (olovo-olovo) registriranom u ALICE-ovu detektoru tragova (TPC); više je tisuća čestica proizvedeno u jednom takvom sudaru.

Geneza CMS eksperimenta bila je paralelna ALICE-u. Od 1990. do oko 1995. definirali smo i optimizirali nacrt eksperimenta, od ~1995. do ~2000. testirali smo prototipove raznih tipova detektora i elemenata, a konstrukcija cjelokupnoga detektora trajala je od ~1998. do 2008. godine, kad je CMS bio spreman za uzimanje podataka. CMS kolaboracija danas broji oko 3000 fizičara i inženjera iz ~150 institucija diljem svijeta iz oko 45 zemalja. Cjelokupna cijena CMS detektora iznosi oko 630 MCHF. Hrvatska je bila među prvim zemljama koje su pristupile CMS kolaboraciji, što joj je dalo mjesto/ulogu znatno veću nego što odgovara njezinu financijskom udjelu. Pri lansiranju CMS projekta bilo je važno izgraditi kolaboraciju s dovoljno profesionalnih tehničkih i financijskih kompetencija i sredstava da eksperiment CMS bude kredibilan u očima CERN-ovih stručnih tijela (LHC committee u prvom redu) koja odlučuju o prihvaćanju ili neprihvaćanju nekog projekta, jer je prvih godina bilo ne četiri, nego sedam raznih projekata: četiri za detektore opće namjene, tri prijedloga za B/CP fiziku i jedan za teškoionsku fiziku. Začetnici CMS projekta, uglavnom M. Della Negra, D. Denegri, T. Virdee, rastrčali su se po planetu – od europskih zemalja do Indije, Irana, Japana, Kine, Koreje, Rusije, SAD-a, Meksika... i do Armenije, Gruzije, Hrvatske – prikazujući mogućim budućim suradnicima kako bi CMS morao izgledati, što sve namjeravamo s tim detektorom istraživati (Higgsov bozon, top kvark, supersimetriju itd.), i kakvo bi mjesto svaki pojedini laboratorij na osnovi svojih poznatih kompetencija u izgradnji tipova detektora ili razvoja softvera i raspoloživih sredstava mogao imati. Tako smo od početnih desetak ljudi 1990. godine već imali oko 400 potkraj 1992., oko 900 potkraj 1995., a danas nas ima ~3000, i CMS još uvijek raste, upravo nam se pridružila Malezija!

Shema detektora CMS (Compact Muon Solenoid) pri LHC-u; CMS je detektor opće namjene, snopovi iz LHC-a (protoni ili jezgre Pb) dolaze s lijeve i s desne strane i sudaraju se u centru detektora. Cijena ovog detektora je 630 milijuna CHF.

Od početka sam preuzeo ulogu »physics coordinator« CMS-a i ostao na toj funkciji 13 godina. Godine 1992. među ostalim išao sam u Zagreb i pokušao zainteresirati svoje bivše poznanike i kolege s PMF-a i IRB-a da se pridruže CMS-u, ali to nije išlo lako, osjećali su se sigurnijim u fizici teških iona, gdje su već imali iskustva i niz poznanstava u laboratorijima koji su se tada uključivali u eksperiment ALICE. Stoga sam godine 1993. išao u Split i gotovo slučajno razgovarao na Rivi s prof. Tudorićem-Ghemom o poteškoćama sa Zagrebom. On mi je rekao da ima četiri-pet sasvim mladih fizičara u Splitu, bez velikih mogućnosti za rad, bez iskustva s fizikom čestica, ali punih radne volje i elana, te da bi bilo sjajno kad bi se oni mogli uključiti u CERN-ov projekt. Trebalo je sada naći financiranje kako bi ti mladi ljudi došli u CERN i počeli se uključivati u program rada te se profesionalno postupno izgraditi. CERN je znatno financijski pomogao u početku, dobiveno je nekoliko stipendija i od Francuske ambasade u Zagrebu kako bi se mladi mogli doškolovati, a neki i doktorirati na francuskim univerzama, ali je odlučujuća bila pomoć Ministarstva znanosti u Zagrebu (ono je više puta mijenjalo ime) i, naravno, odgovornog ministra. Ministarstvo je od samog početka 1993., počevši od prof. Jerena, zatim dr. Flege, prof. Kraljevića, dr. Primorca, dr. Fuchsa, dr. Jovanovića, svesrdno potpomoglo stvaranje grupe u Splitu i sve do danas financijski podupiralo hrvatske timove iz Zagreba i Splita na CMS-u i na ALICE-u u pokrivanju svojih obveza prema CERN-u. Gledajući na te prve godine, treba reći da je prof. D. Tadić, okosnica zagrebačke škole teorijske fizike, vrlo povoljno gledao na stvaranje grupe fizičara u Splitu, a naravno i svi splitski gradonačelnici i rektori od početka pa do prof. Pavića danas. Među ostalim, oni pomažu financijski i organizacijski tim fizičara u Splitu, koji već petnaest godina redovito organizira svake druge godine jednu priznatu međunarodnu konferenciju »LHC Days in Split« uz pomoć i HAZU i IRB-a i PMF-a iz Zagreba. Znatnu zaslugu imaju i dvojica francuskih fizičara, dr. L. Dobrzynski i Y. Sirois s Ecole Polytechnique pokraj Pariza; oni su puno pomogli osiguravajući stručni okvir u svojim laboratorijima za nekoliko doktoranada iz Splita, a ta plodna suradnja i dalje traje. Danas grupa u Splitu na eksperimentima CMS i ALICE broji oko 15 fizičara i doktoranada, a u međuvremenu je stvorena i CMS grupa na IRB-u, tako da i u Zagrebu (IRB i PMF) oko 15 fizičara i doktoranada sudjeluje u eksperimentima CMS i ALICE. Fizičari iz Zagreba sudjeluju u još dva eksperimenta u CERN-u ili u vezi s njim. Eksperiment OPERA, koji je smješten u podzemnom laboratoriju ispod Gran Sasso d’Italia pokraj Rima, koristi snop neutrina proizveden u CERN-u pomoću akceleratora, koji nesmetano i praktički brzinom svjetlosti prolazi kroz ~730km zemaljske kore na putu do Gran Sassa, gdje se detektiraju (rijetke) interakcije neutrina u detektoru OPERA. Eksperiment CAST u CERN-u posvećen je traženju aksiona, hipotetske čestice kozmološke tamne materije. U svakom od tih eksperimenata sudjeluje oko 5 eksperimentalnih fizičara iz Hrvatske.

Fotografija detektora CMS prilikom završnih radova i sklapanja 2008.

CERN kao institucija te LHC i eksperimenti na njemu privlače veliku pozornost. Zahvaljujući dugogodišnjem sistematskom radu, stabilnom financiranju i nizu vrlo uspješnih akceleratora-sudarača: antiproton-proton 1980-ih, LEP 1990-ih i sada LHC, CERN je postao bez sumnje najveći i najbolji centar na svijetu za tu vrstu istraživanja i vjerojatno najbolji primjer onoga što Europa ujedinjenim snagama može postići... Neprestani su posjeti ne samo stručnjaka nego i političara, ministara i predsjednika ili vladara iz svih krajeva svijeta, uključujući i Papu, a iz Hrvatske su dolazili u posjet ministri znanosti Flego i Kraljević te predsjednik S. Mesić s timom suradnika. Od početnih 12 zemalja članica začetnica CERN-a 1953/54. godine broj se povećao na 22, uključenjem svih zemalja istočne Europe 1990-ih godina. Izrael postaje punopravan član ove godine. Cipar i Srbija su pridruženi članovi već dvije godine, s time da je Srbija sada u fazi postajanja punopravnim članom. Turska i Ukrajina su u procesu pridruživanja. Hrvatska je u završnoj fazi odlučivanja u zemlji da li da postavi kandidaturu za pridruženo članstvo CERN-u, a kandidature za pridruženo članstvo nedavno su postavili Indija, Brazil, Rusija i Pakistan.

Primjer sudara u CMS detektoru u kojem je proizveden Higgsov bozon koji se terenutačno raspao u par muona (m+m–) i par elektrona (e+e–), H → ZZ → eemm; prikazani su dijelovi detektora koji su registrirali i izmjerili elektrone (crveno) i muone (žuto)

Otkriće Brout-Englert-Higgsova bozona 2012/13.

Najnoviji veliki uspjeh CERN-a jest pronalazak Higgsova bozona 2012/13. godine. Taj pronalazak zaokružuje i dopunjuje prijašnje pronalaske W i Z bozona – nosilaca slabih interakcija – s kojima je bio definitivno uspostavljen današnji teorijski okvir (baždarne kvantne teorije polja) opisa mikrosvijeta, kvarkova i leptona i njihovih interakcija – teorija zvana standardni model. Otkriće Higgsova bozona kruna je tog eksperimentalnog i teorijskog napora koji zaokuplja fizičare više od pedeset godina!

Detektor CMS, kao i ATLAS, od samog je početka bio zamišljen da se s njime može pronaći Higgsov bozon, ako je postojanje tog bozona teorijski ispravno – što nije bilo mišljenje svih teorijskih fizičara – u cijelom području masa od ~90 GeV-a pa do ~1000 GeV-a gdje se on mogao očekivati početkom 1990-ih godina. Gornja granica mase od ~1000 GeV-a bazirana je na vrlo općim principima i zahtjevima interne koherentnosti teorije polja. Detektor je zamišljen tako da bi se, i kad Higgsova bozona ne bi bilo, alternativni mehanizmi odgovorni za masu čestica mogli ispitati, a dakako i niz drugih fenomena. Nećemo ići u detaljan opis detektora CMS, dosta je reci da su CMS i ATLAS detektori kompleksnosti i performancija bez premca u fizici čestica, na samom vrhu tehnološkog razvoja. CMS eksperiment uključuje niz tehničkih i tehnoloških noviteta, specijalnih razvoja, od kojih su neki zahtijevali mnoge godine traženja i razvoja (R&D). Evo nekoliko primjera. Veliki solenoid, koji je centralni dio CMS detektora, jest najveći supravodljivi solenoid na svijetu s novitetima u konstrukciji zavojnice i sistema hlađenja, dug je 13 metara, dijametra 6 m, radna temperatura je 4 stupnja kelvina, daje uniformno polje od 4 tesla, energija pohranjena u magnetskom polju jest ~3 gigadžula, a napajan je strujom od 20 kiloampera vodovima (na sobnoj temperaturi) proizvedenima u zagrebačkom Končaru. Prof. D. Butković, tadašnji hrvatski doministar znanosti, umnogome je zaslužan što je Hrvatska uspješno izvršila svoju obvezu prilikom konstrukcije i nabavke te komponente projekta. Detektor tragova CMS-a, baziran na silicijskim mikrostazama, sadrži 10 milijuna mikrostaza i 70 milijuna piksela individualno očitanih, ukupne je površine 200 m2, dok do tada nijedan detektor tog tipa na svijetu nije prelazio 2 m2 površine! Elektromagnetski kalorimetar CMS-a, baziran na specijalnoj vrsti brzih scintilirajućih kristala (PbWO4) otpornih na ozračivanje (radiation hard), priča je za sebe. Godine 1995. bili smo upoznati s postojanjem takvih kristala i uvidjeli njihove eventualne mogućnosti, ali tada je na cijeloj Zemlji postojao samo 1 kubni cm toga kristala, sasvim još neadekvatnih svojstava. Bilo je potrebno pet godina razvoja i istraživanja tih kristala u Rusiji i Kini da bi se dobila adekvatna kvaliteta, pa onda još osam godina da se proizvede potrebna količina – 76.000 individualnih kristala sveukupnog volumena 11 kubnih metara! Godine 2008. CMS-ov kristalni kalorimetar bio je gotov, spreman, kolosalan razvojni i tehnički pothvat. Treba još spomenuti da su detektori CMS i ATLAS, njihova elektronika i sistemi prihvaćanja podataka, bez premca: više tisuća procesora zamišljenih i izgrađenih da prate ritam sudara proton-proton u LHC-u od milijardu u sekundi (zapravo grupirani svakih 25 nsec). Analizirajući ih kroz višestupanjski sistem selekcije sudara, »događaja« (events) u terminologiji fizičara, odabire se konačno za detaljnu analizu oko 400 sudara svake sekunde, i to kontinuirano ~10 sati na dan i ~devet mjeseci na godinu! Potrebno je registrirati toliku količinu sudara, jer je vjerojatnost da će se u jednom sudaru pojaviti Higgsov bozon ekstremno malena. Zapravo treba oko 1015,tj. milijun milijardi proton-proton sudara da bio proizveden jedan Higgsov bozon popraćen raspadom u 4 leptona (elektrona ili muona, H – 4e, – 2e+2m, – 4m) koji će najbolje omogućiti da se razluči signal od pozadine. Zato je bilo potrebno prikupljanje podataka na LHC-u kroz cijelu 2011. godinu da bi se dobile prve indicije o postojanju Higgsova bozona, i još cijela 2012. godina s oko četiri puta više prikupljenih podataka da bi se dobio uvjerljiv signal od oko 30 primjeraka Higgsova bozona u tom najjasnijem kanalu (raspad H u 4 leptona). Tada je bila moguća prva ozbiljna analiza svojstava uočene nove čestice, određena je njegova masa od 126 GeV-a s oko 1% preciznosti, provjereno je da je uistinu riječ o skalarnoj čestici, tj. spina 0+ kako se predviđa za Higgsov bozon. Utvrđeno je i da su razni opažani načini njegova raspada u skladu s teorijskim predviđanjima, jer to pripada u ključne elemente da se potvrdi kako je uistinu riječ o Higgsovu bozonu. Nobelova nagrada za fiziku 2013. godine pripala je teoretičarima Belgijancu F. Englertu i Škotu P. Higgsu za njihov izum B-E-H mehanizma, tj. kvantnog polja koje je odgovorno za masu elementarnih čestica, W, Z bozona, i masu kvarkova i leptona, a čiji je kvant polja, Higgsov bozon, pronađen u eksperimentima ATLAS i CMS.

U perspektivi modela Bing Banga, vektorski bozoni W, Z, skalarni bozon H, top kvark, sve te čestice mase reda veličine 100 GeV-a prisutne su u sastavu materije sve do ~10-12 sec nakon Big Banga kad temperatura Svemira pada na ~100 -10 GeVa. Tada nastupa razdvajanje elektromagnetskih od slabih interakcija, čestice W, Z, H izlaze iz termičke ravnoteže, raspadnu se ekstremno brzo (u ~10-23 sec) i nestaju sa svemirske scene – sve dok ih homo sapiens, sapiens scientificus nije uspio prvi put opet stvoriti u CERN-u zadnjih trideset godina i detaljno proučavati! Izuzev slučajne događaje u bombardiranju Zemlje kozmičkim zrakama, to je situacija barem u ovom lokalnom (~50–100 svjetlosnih godina oko Zemlje) dijelu Svemira što ga mi obitavamo, a gdje, izgleda, nema znanstveno-tehnološki naprednijih civilizacija.

Drugi članci u ovom tematskom bloku detaljnije će prikazati kako je postupno pronađen Higgsov bozon i kako su mjerena njegova svojstva. Ono što je posebno zadovoljavajuće za hrvatsku fiziku elementarnih čestica jest činjenica da su u ovom epohalnom otkriću vidljivu ulogu odigrala dva mlada fizičara, dr. I. Puljak sa Splitskog sveučilišta/FESB-a, koji je dvije godine u CERN-u koordinirao radnu grupu koja je 2011. i 2012. tražila Higgsov bozon, dakle u godinama otkrića, i dr. V. Brigljević iz Zagreba/IRB, koji je koordinirao ispitivanja bazičnih elektroslabih procesa proizvodnje parova ZZ i WW bozona, koji predstavljaju glavnu pozadinu (sum) pri traženju Higgsova bozona, a nema otkrića ako se ne razumije potpuno i pozadina signala!

Da zaključimo, trebat će još desetak godina detaljnih studija Higgsova bozona da se utvrdi je li upravo pronađeni Higgsov bozon onaj koji se očekuje u okviru standardnog modela, jer bi opaženi Higgsov bozon mogao biti i prvi vjesnik supersimetričnih teorija po kojima se očekuje najmanje 5 Higgsovih bozona (dakle ima posla za buduće generacije!), ili je možda ovaj Higgsov bozon »kompozitan«, tj. nije elementaran, nego sastavljen od manjih komponenata, najavljujući dakle jedan dodatni sloj, supstrukturu, u traženju elementarnosti. Na ta će se pitanja moći odgovoriti tek daljnjim detaljnim istraživanjima, koja zahtijevaju ne nekoliko desetaka ili stotina primjeraka Higgsova bozona kao sada, nego više desetaka tisuća primjeraka bozona, te ispitivanje povezanih fenomena kao što je simultana produkcija dvaju Higgsovih bozona itd. U CERN-u se sada pripremaju planovi i obavljaju tehnički radovi na LHC-u za istraživanja idućih dvadesetak godina (HL-LHC – High Luminosity LHC), a na svim detektorima, u prvom redu na CMS-u i ATLAS-u, radi se na potrebnim poboljšanjima i postupnim adaptacijama koje treba provesti idućih godina da bi ti detektori ostali maksimalno znanstveno produktivni još dvadesetak godina. Ako se s godinama ispostavi da je to uistinu Higgsov bozon standardnog modela, dakle zadnja čestica koja je nedostajala u okviru te teorije, to nije kraj fizike! Ima još mnogo dubokih problema koje će trebati riješiti, neke možda ili vjerojatno uz pomoć LHC-a, npr. pitanje postojanja supersimetrije, kozmološke tamne materije, mogućih dodatnih dimenzija prostora, detekcija gravitacijskih valova, problem kozmološke tamne energije, pitanje samog postojanja materije – od koje smo i mi načinjeni – a nestanka antimaterije, iako su u početnim časovima u Big Bangu materija i antimaterija bile podjednako prisutne, itd., itd. Ostaju dakle mnoga zanosna i duboka pitanja za buduće generacije fizičara.

1 MeV =1 Mega evektronvolt = 106 eV
1 GeV = 1 Giga elektronvolt = 109 eV
1TeV = 1Tera elektronvolt = 1012 eV
temperatura T je često izražena jedinicama energije E kroz relaciju E =kT, gdje je k Boltzmanova konstanta