Uhvaćen Higgsov bozon

Od Newtona smo saznali da je sila proporcionalna masi, a od Einsteina da je energija proporcionalna masi. Ono što su nam dvojica gospode zaboravila reći jest: Što je masa? Odgovor na to pitanje, koji je početkom srpnja 2012. potvrđen u CERN-u, ponudio je Peter Higgs

Odavna neki znanstveni događaj nije izazvao toliko pozornosti kao objava otkrića Higgsova bozona dvije nezavisne skupine istraživača (CMS i ATLAS) europskoga laboratorija za nuklearna i čestična istraživanja, CERN-a. Dugotrajan rad desetak tisuća znanstvenika iz cijeloga svijeta dao je prve plodove, a očekuje se još mnogo uzbuđenja i mogućih otkrića na Velikom hadronskom sudaraču (Large Hadron Collider – LHC) smještenu na CERN-u na granici između Švicarske i Francuske. U čemu je značenje otkrića čija je objava izmamila suzu gospodina Higgsa (jedan od terijskih fizičara koji su predvidjeli postojanje te čestice) i dugotrajan pljesak i oduševljenje maloga broja znanstvenika koji su uspjeli ući u dvoranu CERN-ova auditorija?

Peter Higgs

Temeljna istraživanja kao što je ovo potiče ljudska znatiželja. Od Newtona smo saznali da je sila proporcionalna masi, a od Einsteina da je energija proporcionalna masi. Ono što su nam dvojica gospode zaboravila reći jest: Što je masa? Odgovor na pitanje odakle česticama masa nudi tzv. Higgsov mehanizam, koji je dio teorije nazvane standardni model. Pronalazak Higgsova bozona dokaz je da Higgsov mehanizam radi i da je standardni model dobar. Šezdesetih godina prošloga stoljeća Higgs je postulirao postojanje Higgsova polja koje ispunjava cijeli vakuum. Čestice dobivaju masu interakcijom s tim poljem.

Hadronski sudarač, veći od Zagreba, smješten je u labaratoriju CERN-a na granici Švicarske i Francuske

Higgsovo polje može se predočiti analogijom u kojoj je ono slično ljudima na koktel-zabavi, pri čemu oni ispunjavaju dvije dvorane ugodno čavrljajući. U jednom trenutku u jednu od dvorana uđe neka poznata osoba (npr. Einstein). Oko njega počinju se okupljati ljudi želeći ga pozdraviti, pa je njegovo gibanje kroz dvoranu otežano, što je ekvivalentno dobivanju mase. Za to vrijeme vijest o dolasku poznatog fizičara proširila se i u drugu dvoranu, pa se ljudi i tamo počinju grupirati (E, jesi čuo, u susjednoj je sobi Einstein?) što je ekvivalentno interakciji Higgsova polja sa samim sobom. To je grupiranje ljudi analogno Higgsovoj čestici. Druga je analogija ona u kojoj se Higgsovo polje može usporediti sa snijegom koji je napadao na neku skijašku stazu. Čestica male mase (npr. elektron) može se usporediti sa skijašem koji lagano klizi niz padinu bez mnogo interakcije sa snijegom. Čestica velike mase (npr. proton) u toj je usporedbi kao čovjek u gojzericama koji pri svakom koraku propada u snijeg i teško se kreće zbog velikog međudjelovanja sa snijegom, odnosno Higgsovim poljem. U toj je analogiji Higgsov bozon pahulja snijega.

Raspad Higgsa u CMS detektoru

Tipična snimka pljuska čestica s dvjema istaknutim visoko-energijskim gama zrakama (zeleno). Velik broj ovakvih događaja jasno ukazuje na postojanje nove čestice koja se, kao i Higgsov bozon, raspada i na taj način

Credit: CERN/CMS.

Najskuplji pokus u povijesti znanosti

Prema standardnom modelu, sve što smo dosad izravno opazili u prirodi izgrađeno je od 12 elementarnih čestica, 6 leptona (elektron, neutrino i njima srodne čestice) i 6 kvarkova (koji izgrađuju protone i neutrone i srodne čestice). Pokus proveden u CERN-u smatra se najskupljim, najspektakularnijim i najambicioznijim u povijesti znanosti. Trebalo je prvo izgraditi Veliki hadronski sudarač (LHC) u kojem se ubrzavaju protoni (i druge čestice) u kružnom tunelu s opsegom od čak 27 km na najvećim energijama dosad. Za gledanje najmanjih čestica trebaju nam najveće energije iz dva razloga. Prvi je da ako želimo razlučiti vrlo male udaljenosti, prema tzv. relacijama neodređenosti, trebamo imati snop čestica velike energije. Drugi je razlog što zbog Einsteinove relacije koja povezuje energiju i masu pri sudarima čestica velikih energija nastaju nove čestice. To se može ilustrirati slikom u kojoj ubrzavamo dvije jagode do velikih energija i sudarimo ih, a u sudaru nastaju lubenice, kruške i banane.

Čestice velikih energija nalazimo i u atmosferi (kozmičke zrake), ali njima se zbog nepredvidivosti i male učestalosti pojavljivanja ne možemo koristiti za proučavanje sudara. Zbog toga su znanstvenici počeli razvijati tehnike ubrzavanja čestica. Princip je ubrzavanja nabijenih čestica njihov prolazak kroz razliku potencijala (baterija). Promjena polariteta mora se dogoditi u pravom trenutku da bi čestice bile ubrzane, a ne usporene. To je ujedno razlog što čestice ubrzavamo u nakupinama. Kao što automobili na zelenom valu mogu ubrzavati samo ako dođu u pravom trenutku na semafor, tako će se ubrzavati samo one čestice koje u pravom trenutku dođu na pravi pol baterije. Čestice nije dovoljno samo ubrzavati, nego ih treba držati na kružnoj putanji tako da se mogu ubrzavati na dužem putu. Za održavanje kružne putanje služe tzv. dipolni magneti, koji stvaraju magnetsko polje od 8,3 T, što zahtijeva supravodljive magnete i hlađenje tekućim helijem na temperaturi od 1,9 K. Ukupno su u svakom trenutku magneti hlađeni sa čak 120 tona helija!

Nevidljivi svijet čestica

Osim sudarača izgrađena su dva velika detektora (CMS i ATLAS) specijalizirana za lov na Higgsov bozon. Detektori su smješteni na mjestima gdje se snopovi čestica ukrštavaju, pri čemu se događaju sudari u kojima nastaje mnoštvo čestica, među kojima su znanstvenici morali pronaći Higgsov bozon. Za ilustraciju detekcije čestica u velikim detektorima dobra je analogija koju je primijenio nobelovac Leon Lederman u knjizi Božja čestica. Eksperimentalni fizičari čestica u sličnoj su poziciji kao neka zamišljena delegacija s planeta Sutonije koja je došla u posjet Zemljanima. Zemljani kao dobri domaćini odvedu drage goste na nogometnu utakmicu. No postoji poteškoća sa Sutoncima. Oni ne vide crno-bijele predmete. Ne vide zebre, ali ni nogometne lopte. Tako delegacija Sutonaca sa zanimanjem počne pratiti utakmicu, ali im nije jasno zbog čega se Zemljani uzbuđuju i oko čega se igrači grupiraju na terenu. U jednom trenutku navijači na stadionu polude, a jedan mladi Sutonac zapazi da se mreža na golu napela. To je bilo ključno da Sutonci zaključe kako mora biti da postoji neki predmet koji oni ne vide, a koji je jako važan u pravilima te čudne igre. Slično tomu i eksperimentalni fizičari čestica razapinju svoje „mreže“ (detektore) da bi zaključili nešto o pravilima igre koja vrijede u nevidljivom svijetu čestica.

Tek u posljednje dvije godine, na LHC-sudarivaču, znanstvenici su uspjeli rekonstruirati uvjete u kojima je Higgsov bozon mogao nastati, pretvorbom iz energije superbrzih protona. Ni sada tu česticu nije moguće izravno vidjeti. Ona sama raspada se odmah po nastajanju i tek čestice nastale njezinim raspadom fizičari vide u svojim detektorima. Bilo je potrebno dvije godine promatranja takvih raspada da bi se znanstvenici potpuno uvjerili da u tim raspadima vide potpis čestice koja po svojstvima odgovara Higgsovu bozonu.

Sudjelovanje hrvatskih znanstvenika

U izgradnji detektora CMS i analizi podataka sudjelovale su dvije skupine hrvatskih znanstvenika iz Splita i Zagreba. Splitsku grupu vodi prof. Ivica Puljak s Fakulteta elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje, a zagrebačku dr. Vuko Brigljević s Instituta Ruđer Bošković. Osim navedenih skupina u inozemstvu djeluju i naši znanstvenici zaposleni na svjetski poznatim institutima i sveučilištima kao što su prof. Danijel Denegri, prof. Ivan Furić i dr. Sandra Horvat. Osim navedenih detektora na LHC-u su smještena još dva detektora, ALICE i LHCb, specijalizirana za traženje odgovora na neka druga temeljna pitanja iz fizike čestica. U projektu ALICE sudjeluje skupina s Prirodoslovno-matematičkog fakulteta u Zagrebu koju vodi autor ovog članka u suradnji s kolegama s IRB-a i našim istaknutim znanstvenicima na CERN-u dr. Guyem Pajićem i dr. Danilom Vranićem. Prinos je hrvatskih znanstvenika dvojak. Sudjelovali su u dizajnu i izgradnji detektora, u posljednje vrijeme u analizi podataka i pisanju znanstvenih članaka u kojima izvještavaju o rezultatima kao što je otkriće Higgsova bozona. Ako gradnju detektora usporedimo s gradnjom katedrale, onda svaki hrvatski znanstvenik može navesti neki kip ili toranj koji je izgradio. Eksperimenti na CERN-u važni su i zbog udruživanja velikoga broja znanstvenika iz cijeloga svijeta koji međusobno izmjenjuju ideje i iskustva. Jako je važno da Hrvatska tu bude i dalje prisutna.

Porezni obveznici svih zemalja koje u tome sudjeluju financiraju takve znanstvene pothvate najviše zbog razvoja tehnologija koji nužno prati takva temeljna istraživanja. Kad se takva istraživanja planiraju, nije moguće u početku predvidjeti koje će sve to koristi donijeti ljudima. Proizvodi koji se pojavljuju kao nusprodukt takvih istraživanja najčešće daleko nadmašuju korist koju imamo od sama usavršavanja već poznatih proizvoda zasnovanih na nekim davnim otkrićima i tehnologijama. Na CERN-u je tako otkriven world wide web poznatiji kao www, koji je u početku služio znanstvenicima za izmjenu informacija, a danas ne možemo zamisliti svakodnevicu bez tog otkrića. Nažalost, Hrvatska još nije članica CERN-a (ne plaća članarinu) pa kao takva ne može sudjelovati u natječajima koji bi našoj industriji mogli donijeti poslove gdje se traži visoka tehnologija. U takvu natjecanju tvrtke razvijaju proizvode koji mogu donijeti veliku dodanu vrijednost i postaju jako kompetitivne na globalnom tržištu, što u konačnici donosi radna mjesta. Isto tako članice CERN-a imaju pravo koristiti se svim patentima i tehnologijama razvijenima tamo bez dodatnoga plaćanja, što također potencijalno donosi radna mjesta. Nadamo se da će naša vlada prepoznati važnost naše veće prisutnosti na CERN-u kao što su to prepoznale i ostale zemlje članice (ili na putu da to postanu) u našoj okolini (Češka, Slovačka, Mađarska, Austrija, Grčka, Italija, Rumunjska i Srbija).