Higgsa łańcuch skojarzeń

Pod koniec lata 1964 roku prestiżowe fizyczne pismo, Physical Review Letters, opublikowało trzy prace opisujące, w jaki sposób cząstki elementarne nabywają masę. Dziać miało się to przez tzw. pole Higgsa, nazwane tak od imienia jednego z sześciu autorów figurujących na tych publikacjach, Brytyjczyka Petera Higgsa. Cząstka odpowiedzialna za przenoszenie oddziaływań z tym polem została adekwatnie nazwana cząstką Higgsa – zaś lata później przechrzczona przez Leona Ledermana na Boską Cząstkę. Cząstka Higgsa stała się w fizyce indywiduum niemal marketingowym, co powoduje, że łatwo zapominamy o pozostałych pięciu badaczach, których wkład w opracowanie tej teorii jest niemniejszy. A byli to Robert Brout, Francois Englert, Gerald Guralnik, C.R. Hagen oraz Tom Kibble.

Bozon Higgsa, jak wiemy, został prawdopodobnie już doświadczalnie zaobserwowany. Wielką fetą była lipcowa konferencja prasowa w CERNie, w trakcie której zaprezentowano wstępne wyniki potwierdzające istnienie bozonu Higgsa – lub jednego z bozonów, bo możliwe, że nie jest to tylko jedna cząstka, ale cała ich klasa. A czekać na odkrycie i potwierdzenie tego być może ostatniego elementu Modelu Standardowego musieliśmy chwileczkę. Poprzednią bowiem, przedostatnią cząstkę będącą częścią tego modelu, neutrino tau, odkryto w Fermilabie w 2000 roku, tamże też potwierdzono istnienie kwarka górnego w 1995. Wcześniejsze wojaże po Modelu Standardowym i opisywanie kolejnych jego elementów zakończyły się prawie 30 lat temu, odkryciem bozonów W i Z w 1983 roku przez Carlo Rubbię i Simona van der Meera, za który to wyczyn zresztą otrzymali rok później Nagrodę Nobla z fizyki.

Model Standardowy. Ostatnim brakującym elementem jest bozon Higgsa./ źródło: wiki (CC BY 3.0)

van der Meer zresztą w towarzystwie wielu innych fizyków wyróżnionych tą nagrodą (bo na przestrzeni lat za różne przewidywania, teorie i odkrycia związane z Modelem Standardowym Nagród Nobla przyznano znacznie więcej) jest przypadkiem dość szczególnym. Jest bowiem jedną z zaledwie dwóch osób nagrodzonych Noblem, które zajmowały się fizyką akceleratorów (ang. accelerator physics – pojęcie w języku polskim chyba średnio popularne, a oznacza po prostu pogranicze inżynierii i fizyki, dziedzinę skupiającą się na rozwoju akceleratorów per se raczej niż na tym, co można dzięki nim odkryć). Drugą taką osobą był – lata wcześniej – Ernest Lawrence.

Lawrence miał jednak to szczęście, że żył w epoce, w której naukowcom wolno było więcej, w której łatwiej, być może, było być naukowym omnibusem i działać w gałęziach nauki od siebie bardzo odległych. Nagrodę Nobla Lawrence dostał w 1939 roku za wynalezienie cyklotronu. W czasie drugiej wojny światowej – jak większość wybitnych amerykańskich fizyków zajmujących się cząstkami elementarnymi w tamtych czasach – został zaprzęgnięty do Projektu Manhattan, gdzie przyczynił się niebywale do jego sukcesu opracowaniem metody elektromagnetycznego rozdziału, która była stosowana do wzbogacaniu uranu. Za jego zasługi dla nauki dwa ośrodki badawcze w Stanach Zjednoczonych noszą jego imię: Lawrence Livermore oraz Lawrence Berkeley Laboratory, w których prowadzone są obecnie badania mające na celu odkrycie nowych pierwiastków. Odkryty w 1961 roku, dwa lata po śmierci Lawrence’a, pierwiastek 103 nazwano jego imieniem – lorens (ang. lawrencium).

Lorens należy do grupy aktynowców, w której znajduje się 15 pierwiastków. Spośród tych 6 nosi nazwy pochodzące od imion słynnych naukowców w ten sposób upamiętnionych. Są aktynowce pod tym względem grupą znacznie bogatszą niż lantanowce, wśród których jedynie gadolin (który był tematem pierwszego tekstu w tej serii) nazwany został na cześć Johana Gadolina, który odkrył inny nowy (wówczas) pierwiastek, itr. Itr nazwany jest na część szwedzkiego miasteczka Ytterby, które jest chyba najbardziej celebrowanym przez chemików miejscem na Ziemi – od jego nazwy pochodzą też nazwy trzech innych pierwiastków: erbu, terbu i iterbu (nie, nie robię sobie z Was żartów, słowo!).

Jak jednak powiedziałem, aktynowcami raczej upamiętnialiśmy ludzi, a nie miejsca. I obok Lawrence’a, zapisali się w annałach historii w ten sposób także Alfred Nobel (nobel), Dmitrij Mendelejew (mendelew), Enrico Fermi (ferm), Albert Einstein (einstein) oraz – bo przecież w żadnym Łańcuchu Skojarzeń o chemii nie może zabraknąć wzmianki o naszej ulubionej naukowej rodzinie – Pierre Curie i Maria Skłodowska Curie (kiur). Większość z tych nazwisk nie wymaga przypominania, dlatego poświęćmy tylko chwilę uwagi najmniej kojarzonej osobie z tego towarzystwa, Enrico Fermiemu.

Fermi to kolejny laureat Nobla z fizyki za badania atomowe – fizyka atomowa, jądrowa, kwantowa, to taka dziedzina bowiem, w której nagród tych przyznano na pęczki; można nawet odnieść wrażenie, że przez pewien okres w pierwszej połowie XX wieku wystarczyło się w laboratorium fizycznym znaleźć przypadkiem i kichnąć, i od razu zza węgła wyskakiwał członek Akademii z medalem w ręku. Fermi był jednakże wybitnym fizykiem, którego Ameryka upamiętniła później nazywając na jego cześć Fermilab, drugi co do wielkości akcelerator cząstek (po Wielkim Zderzaczu Hadronów). Klasę cząstek z połówkowych spinem, pasujących do rozkładu Fermiego-Diraca, nazywa się fermionami (nie pytajcie, czemu równie wybitnego Diraca tutaj pominięto). No i oczywiście wspomniany już pierwiastek o liczbie atomowej 100, ferm, także jak widać nosi jego imię.

Fermi Nagrodę Nobla otrzymał w roku 1938 za badania nad wzbudzoną promieniotwórczością i odkrycie nowych pierwiastków promieniotwórczych. A zaczęło się przypadkiem w 1934 roku od wetknięcia pomiędzy działo neutronowe a bombardowany neutronami związek kawałka parafiny. Spowodowało to spowolnienie neutronów i zwiększenie prawdopodobieństwa wchłonięcia ich przez jądro bombardowanego materiału. Jednym z tak testowanych materiałów był uran – a bombardowanie go neutronami doprowadziło do jego rozszczepienia. Fermi wierzył , że uzyskał w ten sposób dwa nowe pierwiastki o liczbie atomowej 93 i 94, które nazwał Hesperium i Ausonium (uran ma liczbę atomową 92, więc nowe pierwiastki miały powstać poprzez wchłonięcie przez jądro uranu odpowiednio jednego i dwóch neutronów). I za odkrycie tych pierwiastków otrzymał nagrodę.

Zatraca to trochę małym krętactwem, ale trzeba tu jednak zrozumieć dwa aspekty. Po pierwsze, koniec XIX i początek XX wieku to okres, kiedy jeszcze dało się odkryć w miarę łatwo nowe pierwiastki. Dzisiaj nowe pierwiastki odkrywane są raz na kilka albo i więcej lat, a na całym świecie jest tylko kilka ośrodków, w których w ogóle można prowadzić takie badania (wspomniane już Laboratoria Lawrence’a oraz rosyjski Zjednoczony Instytut Badań Jądrowych w Dubnej). Jednak w czasach Fermiego istniała jeszcze szansa na zapisanie się w historii chemii odkryciem nowego pierwiastka. I niewątpliwie Fermi chciał upamiętnić w ten sposób swoją ojczyznę (Ausonia to ponoć poetycka nazwa Włoch, Esperio to Włochy po grecku), tak jak upamiętnione zostały Ameryka (ameryk), Niemcy (german), Francja (frans) i Polska (polon). Duże znaczenie miała więc ambicja. Po drugie jednak, i jest to powód prawdopodobnie nawet istotniejszy, proces rozszczepienia jądra atomowego został odkryty dopiero w 1938 roku! Więc Fermi miał pełne prawo nie zdawać sobie sprawy z tego, że widzi to, co w istocie widział. Prawda jest jednak taka, że gdyby nie otrzymał on tej nagrody w 1938, to z pewnością otrzymałby ją później za którąkolwiek z jego wcześniejszych lub późniejszych prac.

Przykład Fermiego i Nagrody Nobla przypomina trochę opisywany przeze mnie kiedyś przykład Nagrody Nobla z medycyny i fizjologii przyznanej Egasowi Monizowi za rozwój lobotomii i jej zastosowanie w leczeniu psychoz. Dzisiaj wiemy już, że lobotomia była jednym z tych magicznych złotych środków, które jednak wyrządzały i wyrządziły znacznie więcej krzywdy niż pożytku. Jedną z ofiar lobotomii była na przykład siostra prezydenta Kennedy’ego. Moniz jednak medycynie przysłużył się niebywale wynajdując i rozwijając angiografię – i to raczej te jego badania na to wyjątkowe wyróżnienie zasłużyły. Tu jednak kłania się to, co w przypadku decyzji Komitetu Noblowskiego nazwałbym problemem perspektywy: nagradzać badaczy można albo wkrótce po ich odkryciach, ale czasem dopiero po kilku dekadach może okazać się, że nagrodzone odkrycie nie jest tym, czym się wydawało. Można też czekać kilka dekad, sprawdzając, czy jakiś koncept czy idea się przyjmie, sprawdzi, potwierdzi. Wtedy jednak ryzykujemy (w niektórych przynajmniej przypadkach), że potencjalny laureat po prostu umrze (jak to się stało w zeszłym roku w tragicznym przypadku Ralpha Steinmana, który jednak nagrodę otrzymał – jako pierwszy, i prawdopodobnie ostatni, człowiek pośmiertnie).

Znacznie częstszą kontrowersją związaną z tymi prestiżowymi nagrodami jest jednak po prostu pominięcie kogoś, komu się ona ewidentnie należy. Tego typu przypadków jest co najmniej kilka tuzinów. Za odkrycie kwazarów w 1974 roku nagrodzono Martina Ryle’a i Antony’ego Hewisha. Jocelyn Bell Burnell, doktorantka Hewisha, która dokonała odkrycia, a następnie musiała niemalże walczyć z Hewishem i Rylem o zaakceptowanie jej interpretacji wyników, nie została wyróżniona. Ona sama powiedziała kiedyś, że studenci uczestniczący w przełomowych badaniach powinni być brani pod uwagę przy nominacjach tylko w szczególnych wypadkach, a jej zdaniem to taki przypadek nie był. Jest to niebywała wprost skromność jeśli uwzględni się to, że olbrzymia większość środowiska astrofizycznego (z wyłączeniem jej samej, Hewisha, Ryle’a, no i oczywiście niestety Komitetu Noblowskiego) uważa, że jej pominięcie było skandaliczne. Innym, bardzo smutnym przypadkiem, było zaledwie kilka lat temu pominięcie Douglasa Prashera przy nagrodzie z chemii za prace nad zielonym białkiem fluorescencyjnym (GFP). Prasher został zignorowany pomimo tego, że był pierwszą osobą, która nie tylko sklonowała GFP, ale także zasugerowała użycie go jako znacznika. Jeden z nagrodzonych laureatów, Martin Chalfie, powiedział później

„Prace Douglasa Prashera były krytyczne i niezbędne dla prac, które [potem] przeprowadzono w naszym laboratorium. [Komitet Noblowski] mógł z łatwością przyznać tę nagrodę Douglasowi i pozostałej dwójce, a mnie pominąć”.

Goryczy dodaje tutaj to, że Prasher, którego badań nie doceniono, stracił pracę, a w chwili przyznawania pozostałej trójce Nagrody Nobla pracował jako kierowca autobusu.

Myszy produkujące białka otagowane GFP – w ciągu dwudziestu lat od sklonowania tego białka przez Douglasa Prashera stało się ono jednym z najbardziej podstawowych narzędzi w biologii molekularnej. /źródło: wiki (CC BY 2.0)

Jeśli zatem w tym roku Szwedzka Akademia nie zdecyduje się nagradzać kwantowej teleportacji, a badania teoretyczne przewidujące istnienie bozonu Higgsa – co w świetle potwierdzenia jego istnienia wydaje się być prawdopodobne (chociaż prawda jest taka, że nieznane i niezrozumiałe są zasady, którymi Komitet kieruje się przyznając nagrody) – to stanie przed twardym orzechem do zgryzienia. Z sześciu bowiem autorów oryginalnych prac w Physics Review Letters, pięciu wciąż jeszcze żyje – jedynie Robert Brout zmarł w zeszłym roku. Nagrodzić zaś można będzie tylko trzech. I jakiej decyzji by nie podjęto, dwie osoby będą tutaj ewidentnie pokrzywdzone. Możliwe zatem, że Szwedzi zdecydują się pójść po linii najmniejszego oporu i przyznają nagrodę badaczom od kwantowej teleportacji, unikając w ten sposób kontrowersji.