Filozofija istraživanja Higgsova bozona

Svi ljudi, bez obzira na to bili znanstvenici u formalnom smislu te riječi ili ne, imaju trajnu potrebu stvarati slike (odnosno, znanstvenim rječnikom kazano, modele i teorije) o svijetu u kojem živimo i koji nas okružuje, uključujući cijeli svemir pa čak i špekulacije o drugim svjetovima. Mnoštvo činjenica, koje iskustveno nosimo u sebi, svjesno i nesvjesno pretvaramo u različite slike o svijetu. U životu takve slike često iskazujemo, pamtimo i prenosimo drugima kroz različite poslovice, glazbu ili druga umjetnička djela te znanstvenim modelima i teorijama. Priroda nam postaje jednostavnija u svojoj pojavnosti onoliko koliko smo uspješni u izgradnji odgovarajućeg modela, odnosno teorije.

Pitanja o temeljnim gradivim elementima svega što postoji u prirodi, njihovim svojstvima i zakonitostima povezivanja u veće sustave – pokazuju se pitanjima od posebnog značenja za čovjeka. Još i prije antičkih vremena pa sve do danas iz različitih se zapisa lako uočava kako su mnogi pojedinci i grupe tragali za odgovorima o temeljnim gradivim elementima, njihovim mjerljivim svojstvima, zakonitostima njihova međudjelovanja i povezivanja u složenije sustave materije, uključujući njihova skupna ponašanja u različitim uvjetima unutar složenih sustava. Takva su istraživanja i razmišljanja redovito vodila do temeljnih pitanja o početku stvaranja svemira, razvoju, kao i njegovu mogućem završetku. S različitim intenzitetom i oblicima, takvim su se pitanjima bavili, literarno kazano, gotovo svi ljudi.

Povijesni pregled razvoja fizike elementarnih čestica

Prije nekoliko tisuća godina, tijekom antičkog doba, sve su do tada poznate mjerljive činjenice upućivale na to da je svijet načinjen od četiriju temeljnih gradivih elemenata: zemlje, vode, zraka i vatre. Za svaki se taj element smatralo da ima svoje određeno prirodno mjesto u svemiru kao i odgovarajuće zakonitosti prirodnog ponašanja. Tadašnja su opažanja upućivala da je Zemlja u središtu svijeta, nakon čega slijede redom: voda, zrak i vatra, te u tom smislu i njihova prirodna gibanja – na primjer, zemlje prema središtu svijeta, a vatre prema Suncu i zvijezdama. Suvremenim bismo rječnikom rekli da su se sve do tada poznate mjerljive činjenice mogle objasniti s pomoću modela četiriju temeljnih gradivih elemenata, koji su povezani odgovarajućim zakonima.

Nekoliko tisuća godina poslije, tijekom 18. i 19. stoljeća, elementarni dijelovi materije postajali su sve brojniji te su dobivali naziv – atomi, sve u skladu s nastojanjima tadašnjih znanstvenika da potvrde ideju antičkih filozofa o postojanju nedjeljivih elemenata materije. U to se vrijeme znalo za postojanje nekoliko desetaka različitih vrsta takvih elemenata (elementarnih čestica), odnosno atoma. S vremenom ih se dalje otkrivalo sve više i više, pa su ih tadašnji znanstvenici, radi boljeg razumijevanja, smještali u brojne i različite periodičke tablice elemenata. Nama je najpoznatija ona tablica elemenata koja je izrasla iz prijedloga D. I. Mendeljejeva. Sve su te tablice toliko dobro prikazivale do tada poznate elemente (atome) da su bile korisne i u predviđanjima otkrića novih elemenata – sve do današnjih dana. Stvaranje tako velikog broja temeljnih elemenata istodobno je vodilo do sve veće sumnje u njihovu istinsku elementarnost. Ta se sumnja pokazala opravdanom nakon što je potkraj 19. stoljeća otkrivena »sićušna« čestica – elektron. U tom su trenutku svi atomi prestali biti nedjeljivi temeljni elementi materije, a tu su ulogu preuzeli elektroni i »ostaci« različitih atoma – jezgre atoma. To bi značilo da bi, kad bismo imali namjeru ispravno se koristiti originalnom idejom antičkih filozofa o pojmu atoma, kemijski elementi trebali izgubiti ukorijenjeni naziv – atom (grč.: nedjeljiv).

Početkom 20. stoljeća, kada je otkriven proton, a nakon toga i neutron, svijet se znanstvenicima na trenutak učinio vrlo jednostavnim, s obzirom na broj različitih elementarnih čestica koje ga izgrađuju. To je bilo »zlatno« doba fizike elementarnih čestica. Uz već tada uvedenu česticu svjetlosti – foton, sva se poznata materija, uključujući i onu kratko stvorenu u znanstvenim eksperimentima, mogla prikazati kao kombinacija protona, neutrona i elektrona. Na primjer, zlato i olovo razlikuju se samo u broju protona, neutrona i elektrona, s tim da čak broj elektrona nije ključan u razlikovanju zlata i olova. S druge pak strane, puno je teže bilo s razumijevanjem zakona koji opisuju međudjelovanja tih elementarnih čestica. Jedina dva do tada poznata temeljna međudjelovanja (elektromagnetsko i gravitacijsko) nisu mogla objasniti vezanja tih elementarnih čestica (protona, neutrona i elektrona) u veće sustave, tj. atomske jezgre, atome i molekule, kao i druge makroskopske složene sustave. Dodatni su problemi nastali i zbog potrebe uvođenja hipotetske »nevidljive« čestice (tal. neutrino: nešto maleno i neutralno) kako bi se udovoljilo zakonu očuvanja energije, količine gibanja i kutne količine gibanja.

Vrlo kratko nakon zadovoljstva znanstvene zajednice zbog maloga broja elementarnih čestica, daljnjim se istraživanjima tijekom 20. stoljeća otkrila (bolje reći, u kratkim vremenskim intervalima stvorila u znanstvenim eksperimentima) brojna nakupina novih vrlo egzotičnih (čudnih, stranih, šarmantnih i s drugim egzotičnim nazivima) elementarnih čestica. Brojnost novootkrivenih »elementarnih« čestica još je jednom dovela u sumnju njihovu istinsku elementarnost te je potaknula potrebu daljnjega detaljnog istraživanja u tom smislu (tijekom 1960-ih čak su dobile i popularni naziv – the particle zoo). Filozofski gledano, jednostavno je teško prihvatiti, ili je čak potpuno neprihvatljivo, da elementarnost u temeljnom smislu nose stotine različitih čestica. Sve je to dalje dovelo do stvaranja novog modela elementarnih čestica – standardnog modela, kojim se do tada mnoštvo čestica objasnilo kombinacijom manjeg broja elementarnih čestica (ukupno 61 elementarna čestica unutar standardnog modela).

Suvremena fizika elementarnih čestica

Kao i ostala polja znanosti, i fizika ima svoje metode i postupke istraživanja. Jedine spoznaje u fizici koje se smatraju istinom jesu spoznaje koje dolaze od eksperimentalnih istraživanja, što vrijedi i za nove spoznaje o Higgsovu bozonu i, eventualno, buduća otkrića supersimetričnih čestica. Poznato nam je da se tijekom povijesti vrlo često događalo da se, očekujući određeni rezultat u eksperimentalnim istraživanjima, događalo nešto potpuno neočekivano. To je dalje redovito dovodilo do razvoja novih modela i teorija. Svaki model ili teorija jest naša slika stvarnosti koja se potvrđuje u nekim svojim dijelovima izvođenjem različitih eksperimenata. Jedina svojstva koja se fizikalnim eksperimentima mogu istraživati jesu mjerljiva svojstva. Ostali dio ukupne spoznaje u fizici nadopunjava se prihvatljivim teorijama.

Fizika elementarnih čestica bavi se proučavanjem elementarnih dijelova materije, odnosno tvari i zračenja. Kao širi pojam rabi se i naziv visokoenergijska fizika, jer su potrebne visoke energije čestica koje u međusobnim sudarima stvaraju potrebne uvjete za takva istraživanja. Visokoenergijska fizika uz spomenutu brigu o otkrićima novih čestica i određivanja njihovih osnovnih svojstava dodatno uključuje istraživanja skupnih svojstava i ponašanja složenijih sustava, kao što su, na primjer, hadronska tvar i kvark-gluonska plazma.

U današnje vrijeme, u okviru fizike elementarnih čestica, sve poznate eksperimentalne činjenice upućuju na to da se sva poznata tvar može prikazati kao složen sustav izgrađen od dviju skupina elementarnih gradivih čestica: od nekoliko vrsta kvarkova i leptona. Tu se još trebaju dodati skupine antikvarkova i antileptona (koji se u današnje vrijeme u svemiru pojavljuju vjerojatno tek nakratko, i to u posebnim uvjetima). Međudjelovanja između navedenih elementarnih gradivih čestica ostvaruju se uz pomoć drugih vrsta elementarnih čestica, tzv. elementarnih bozona, tj. čestica međudjelovanja koje se dalje svrstavaju u dvije skupine gauge-bozona, gluona, te graviton (koji još nije dobio eksperimentalnu potvrdu). Navedene skupine elementarnih gradivih čestica (kvarkovi i leptoni) zajednički pripadaju u skupinu elementarnih fermiona, koji za razliku od elementarnih bozona imaju određena ograničenja u zauzimanju prostora s obzirom na ostale fermione. Zato ih se često u popularnim tekstovima prikazuje u modelu građevnog materijala – kao građevni blokovi, odnosno opeke (dva građevna bloka ili više njih u istom vremenu ne mogu zauzimati jedno te isto mjesto u prostoru). Takva ograničenja ne postoje za elementarne bozone – u istom vremenu može ih biti po volji puno u po volji malom prostoru, odnosno mogu stvarati po volji veliku gustoću energije (na primjer, čestice svjetlosti, fotoni, mogu stvarati po volji veliku gustoću energije). Navedeni elementarni bozoni, odnosno čestice temeljnih međudjelovanja, nositelji su četiriju temeljnih sila u prirodi: a) elektromagnetske, b) slabe nuklearne, c) jake nuklearne i d) gravitacijske sile, s tim da gravitacijska sila još uvijek ima otvoreno pitanje povezano s općom teorijom gravitacije.

U okviru suvremene fizike elementarnih čestica postoji više slika, odnosno modela i teorija, kojima se većina poznatih eksperimentalnih činjenica može objasniti, a »najjednostavnija« među tim slikama jest tzv. standardni model, koji je nastao i razvijao se od sredine pa sve do kraja 20. stoljeća. Naglašava se termin »većina poznatih činjenica«, jer se neke od eksperimentalnih činjenica pažljivo izdvajaju iz pokušaja objašnjavanja standardnim modelom. Tu, na primjer, pripadaju pitanja gravitacije, tamne tvari, tamne energije i određena pitanja neutrina. Naime, već je duže vrijeme poznato da standardni model ne može dati sliku o svemu što se događa u Svemiru, ni u prostornoj ni u vremenskoj dimenziji (čime već od začetka ostaje model, a nikad teorija). No, standardni je model bio i ostao vrlo zanimljiv i teorijskim i eksperimentalnim fizičarima elementarnih čestica jer su neka temeljna pitanja unutar tog modela ostala još uvijek neodgovorena, a ona se u prvom dijelu odnose na ideju o postojanju još jedne čestice – tzv. Higgsova bozona. Higgsov bozon je osobito zanimljiv zbog svoje specifične uloge unutar tog modela. Za teorijske fizičare standardni je model vrlo zanimljiv i kao oblik kvantne teorije polja i kao osnova za kreiranje novih bitno egzotičnijih modela i teorija. Takvi modeli i teorije uključuju sve dosadašnje eksperimentalne potvrde standardnog modela uz dodatna predviđanja postojanja novih hipotetskih čestica, novih dimenzija i simetrija. Primjeri takvih modela i teorija jesu: minimalno supersimetrično proširenje standardnog modela, supersimetrični model, teorija struna i M-teorija.

Ideja o Higgsovu bozonu

Prof. Peter Higgs još je početkom 1960-ih godina predložio model koji je uključivao čestice za prenošenje temeljnih sila i mehanizme za stvaranje mase elementarnim česticama, što se dalje pažljivo razvijalo do današnjega standardnog modela.

Kao što smo naveli, standardni model ukupno uključuje 61 elementarnu česticu, a one su organizirane u tri skupine: a) elementarne fermione (kao gradive elemente) – kvarkove i leptone; b) elementarne bozone (kao prenositelje temeljnih međudjelovanja) – foton, W±, Z0 i osam gluona; te c) Higgsov bozon (električki neutralna elementarna čestica spina nula, s posebnom ulogom u standardnom modelu). Sve su čestice standardnog modela do danas dobile eksperimentalnu potvrdu, osim jedne – Higgsova bozona, koji to upravo prolazi.

Ken Currie, portret Petera Higgsa, 2009.

Higgsov bozon ima posebnu ulogu u standardnom modelu, kojim se objašnjavaju mase drugih elementarnih čestica. Ta je uloga posebno istaknuta kroz objašnjenje zašto je masa fotona nula, dok su mase W (80,385 GeV/c2) i Z (91,188 GeV/c2) bozona vrlo velike. Razlika u tim masama između fotona te W i Z bozona jest temeljni razlog zašto je elektromagnetska sila makroskopskih (literarno kazano – beskonačnih) dosega, a slaba nuklearna sila kratka dosega.

Kad se danas govori o Higgsovu bozonu, najčešće se misli na jednu česticu. No, može uključivati više elementarnih čestica, ovisno o modelu unutar kojeg se raspravlja, odnosno unutar kojeg se nastoje objasniti eksperimentalne činjenice. Kako što je ovdje već navedeno, standardni model predviđa postojanje jednoga Higgsova bozona, dok, na primjer, minimalno supersimetrično proširenje standardnog modela predviđa postojanje pet elementarnih Higgsovih bozona. U skladu s kvantnom fizikom, u svim se modelima Higgsov bozon opisuju poljem – Higgsovim poljem, čija se čestična manifestacija može prepoznati u eksperimentima, tj. Higgsovim bozonom. Proces međudjelovanja Higgsova bozona s drugim česticama, unutar odgovarajućeg modela, rezultira masom tih čestica, a taj se proces naziva Higgsov mehanizam (taj se naziv rabi posebno kad se Higgsov mehanizam odnosi na rezultiranje masa W i Z bozonima, uključujući masu nula za fotone).

Istraživanje svojstava
Higgsova bozona

Jedno od osnovnih svojstava svih čestica jest masa, pa to vrijedi i za Higgsov bozon. Time se u današnje vrijeme i fizici elementarnih čestica postavlja temeljno pitanje – ako postoji, kolika je masa Higgsova bozona. Kako su mase svih elementarnih čestica bitno manje od osnovne mjerne jedinice za masu (kilogram, kg), fizičari elementarnih čestica koriste drugu mjernu jedinicu za masu – elektron-volt (/c2, po brzini svjetlosti na kvadrat), gdje se koristi poznati Einsteinov relativistički izraz ekvivalentnosti energije i mase E = mc2.

Kako je Higgsov bozon predviđen kao masivna čestica i kao čestica koja se nakon stvaranja vrlo brzo (gotovo trenutačno) raspada u različite skupove reakcijskih čestica (tzv. kanale raspada), to ga je moguće prepoznati samo u pažljivo pripremljenim uvjetima – uvjetima velike energije akceleratora upadnih čestica (protona na LHC-u) te preciznih detektora za što veći broj čestica koje nastaju u takvim događajima. Takve uvjete nalazimo na LHC-u (Large Hadron Collider) u CERN-u (Ženeva, Švicarska), danas najsloženijem i najskupljem akceleratorskom i detektorskom sustavu na svijetu.

Kako se, nakon što nastane u sudarima brzih čestica, gotovo trenutačno raspadne, Higgsov se bozon, ako postoji, može prepoznati jedino kroz svoje kanale raspada, tj. mjerenjem svojstva konačnih čestica koje nastaju njegovim raspadom (npr. kroz dva fotona, četiri elektrona ili druge, točno određene, kanale raspada). Za određivanje osnovnog svojstva, mase čestice, primjenjuju se jednostavni principi mjerenja energija svih nastalih reakcijskih čestica i njihovih količina gibanja, za koje se detaljnom analizom prepozna da su nastali u istom događaju. To je dovoljno za određivanje mase eventualne čestice iz koje su nastale takve detektirane čestice. Poteškoće stvara činjenica što je puno (milijarde) puta više onih događaja u kojima odabrani kanal raspada nastaje i bez postojanja Higgsova bozona. Dakle, otkriće nove čestice, Higgsova bozona, podrazumijeva otkriće povećanog broja određenih događaja (na primjer, dvaju visokoenergijskih fotona s odgovarajućom količinom gibanja), nego što se takvi događaji predviđaju teorijom koja ne uključuje tu česticu koja se nastoji otkriti – u ovom slučaju, Higgsov bozon. Detaljnom analizom i pažljivom selekcijom svih događaja, može se proračunati masa te nove čestice.

Druga se važna svojstva (npr. električni naboj, spin, paritet, i drugo) takve čestice daljnjom analizom prikupljenih podataka pažljivo određuju.

Kako se u subatomskom svijetu događaji odvijaju uz odgovarajuću vjerojatnost, to se u svim takvim analizama u fizici elementarnih čestica unaprijed dogovorilo kada se određeni događaj smatra znakovitim. Po tom se dogovoru određeni događaj smatra znakovitim, odnosno istinitim, ako upada unutar pet standardnih devijacija, što odgovara vjerojatnosti od oko 99,99994 %.

Rezultati iz 2012. godine, koje su prezentirale CMS (Compact Muon Solenoid) i ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) kolaboracije, upravo s oko pet standardnih devijacija predviđaju najmanje jednu novu česticu, Higgsov bozon ili njemu sličnu česticu, s masom od oko 125 GeV, uz još uvijek postojanje ograde o nezanemarivoj razlici masa gledano kroz različite kanale raspada (dva fotona u odnosu na četiri leptona, dobivena iz prethodna dva Z bozona, od kojih je najmanje jedan virtualan). Za konačnu potvrdu o postojanju Higgsova bozona trebat će daljnje analize, uključujući analizu drugih osnovnih svojstava.

S filozofske strane gledano, iz dvaju je razloga posebno zanimljiv kanal raspada Higgsova bozona u četiri leptona kroz prethodna dva Z bozona. Naime, kao i Higgsov bozon, tako se i Z bozoni gotovo trenutačno raspadaju. To znači da se svi oni raspadnu puno prije nego bi stigli do prvih detektora. Tek leptoni koji nastaju raspadom Z bozona ostavljaju odgovarajući odziv na detektorima.

Drugi filozofski zanimljiv dio u Z kanalu raspada Higgsova bozona jest činjenica da su dva Z bozona (mase ukupno 2·91,188 GeV/c2 = 182,376 GeV/c2) ukupno bitno masivnija od Higgsova bozona (mase oko 125 GeV/c2). U klasičnoj je slici taj proces nemoguć jer narušava zakon očuvanja energije. No, zahvaljujući Heisenbergovim relacijama neodređenosti u kvantnoj fizici, taj je proces moguć. Naime, Heisenbergove relacije neodređenosti dopuštaju narušavanje zakona očuvanja energije za odgovarajuće kratke vremenske intervale. Običnim bismo jezikom mogli reći da priroda dopušta »posudbu« energije »od niotkud«, ali samo za vrlo kratke vremenske intervale. Što se više energije »posuđuje«, to je vremenski interval – za koji se ta energija mora »vratiti« – kraći (a sve je bez kamata).

Osim navedenog cilja tih istraživanja, tj. otkrića Higgsova bozona, eksperimenti na LHC-u odvijaju se i radi istraživanja čestica i izvan standardnog modela, kao što su supersimetrične čestice. Otkriće takvih čestica dovelo bi do potpuno novog razumijevanja materije na temeljnoj razini, kao i građe i strukture cijelog svemira. Također, eksperimenti se odvijaju i radi istraživanja skupnih svojstava hadronske tvari u ekstremnim uvjetima visokih temperatura.

Suvremena istraživanja u fizici visokih energija, posebno današnja istraživanja postojanja Higgsova bozona i kvark-gluonske plazme, uz pogled na povijest fizike, stvaraju dobru osnovu i za preciznije razvijanje filozofskih koncepcija, te time stvaranja zdravog skepticizma tijekom znanstvenih istraživanja. n

Literatura

• F. Englert, R. Brout, Phys. Rev. Lett., 13 (1964), p. 321.
  P.W. Higgs, Phys. Lett., 12 (1964), p. 132.
  P.W. Higgs, Phys. Rev. Lett., 13 (1964), p. 508.
  S. Weinberg, Phys. Rev. Lett., 19 (1967), p. 1264.
  CMS Collaboration, JINST 3 (2008) S08004, 1–361.
  CDF and D0 Collaborations, Phys. Rev. Lett., 104 (2010), p. 061802.
  CMS Collaboration, Phys.Lett. B710 (2012) 26–48.
  ATLAS Collaboration, Phys. Lett. B 716 (2012), 1–29.
  CMS Collaboration, Phys. Lett. B 716 (2012), 31–61.
  CMS Collaboration, Phys.Lett. B716 (2012) 260–284.