Przeklęta cząstka*

We wtorek wczesnym popołudniem, po kilkakrotnym przesuwaniu godziny ogłoszenia laureatów Nagrody Nobla z dziedziny fizyki, dowiedzieliśmy się wreszcie, że tegorocznymi zwycięzcami zostali Brytyjczyk Peter Higgs oraz Belg Francois Englert za „teoretyczne odkrycie mechanizmu, który pozwala nam zrozumieć, skąd bierze się masa cząstek subatomowych, a który ostatnio został doświadczalnie potwierdzony poprzez odkrycie tej przewidzianej [przez nich] fundamentalnej cząstki w eksperymentach ATLAS i CMS prowadzonych w CERN”. I tak jak wczorajsza nagroda z medycyny lub fizjologii była kompletnym zaskoczeniem, tak dzisiejsza nagroda była rozczarowująco przewidywalna – chociaż w pełni zasłużona.

Media zaś błyskawicznie podchwyciły wieść, bowiem rzadko kiedy nagrody naukowe tego kalibru można reklamować nagłówkami nawiązującymi do boskości. A w przypadku bozonu Higgsa – nazywanego za książką innego Noblisty, Leona Ledermana ”Boską Cząstką” – aż się prosi o takie nagłówki.

Z racji zaś tego, że jest to chyba jedna z najbardziej przedyskutowanych nagród w ostatnich latach, niemal wszystko już na jej temat zostało powiedziane jeszcze przed jej przyznaniem. Spróbujmy jednak rzucić okiem na przynajmniej niektóre ciekawsze aspekty za równo nauki, za którą została przyznana nagroda, jak i otaczających samo wyróżnienie kontrowersji.

Czwarte miejsce

Jeszcze przed ogłoszeniem zeszłorocznych nagród – a po ogłoszeniu przez fizyków z CERNu biorących udział w dwóch eksperymentach ATLAS i CMS, w których wykryto ślady bozonu Higgsa – popełniłem wpis na temat tej cząstki. Już we wstępie tamtej notki zaznaczyłem, że chociaż bozon Higgsa swoje imię zawdzięcza Peterowi Higgsowi, to jednak badaczy, którzy mieli olbrzymi wpływ na rozwój teorii było w sumie sześciu. Poza Higgsem byli to: również nagrodzony Francois Englert, a także Robert Brout, Gerald Guralnik, C.R. Hagen oraz Tom Kibble. Ich przełomowe prace ukazału się w piśmie Physics Review Letters – Englerta i Brouta w sierpniu, Higgsa w październiku, zaś Guralnika, Hagena i Kibble’a w listopadzie.

Niestety nie wiem dokładnie, jak znaczący wkład miały poszczególne prace – ale wyraźniej Akademia Szwedzka uznała, że wkład ostatniej trójki badaczy był jednak mniejszy niż Higgsa, Englerta i Brouta (Brout nie został nagrodzony, ponieważ zmarł dwa lata temu, a Nagroda Nobla nie jest przyznawana pośmiertnie). W każdym razie Akademia w trymiga rozprawiła się z problemem, nad którym głowiono się w zeszłym roku – a mianowicie, jak nagrodzić za teorię bozonu Higgsa tak, aby nie pokrzywdzić któregoś z jej autorów (odpowiedź: nie da się, więc lepiej nie zdziwiać). Guralnik, Hagen i Kibble muszą zadowolić się miejscem tuż za podium, rozumiejąc jednak zapewne, że taka jest natura tego wyróżnienia. Dołączą zresztą tym samym do bardzo szerokiego już grona wybitnych badaczy, których z tych czy innych przyczyn pominięto.

Co to ten Higgs i z czym to się je?

Bozon Higgsa jest ostatnim brakującym fragmentem tak zwanego Modelu Standardowego: fizycznej teorii opisującej elementy, z których zbudowany jest Wszechświat. Model ten przyjmuje taką formę, jak widać na ilustracji poniżej, z jednym wyjątkiem: jego ukoronowaniem jest nieobecny tam bozon Higgsa. (Czytający te wywody fizycy niech mi wybaczą to, co nastąpi w kolejnych akapitach.)

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

Większość cząstek podstawowych jakąś masę (spoczynkową) posiada, ale zakres mas jest dość szeroki: od bliskiej zeru masy neutrin (czy też po prostu zerowej masy fotonów i gluonów), do opasłych bozonów Z oraz W. Skąd jednak bierze się masa? Za to właśnie odpowiedzialny jest bozon Higgsa. Bardzo pięknie wyjaśnia to następująca (nieco oklepana przez media) analogia:

Wyobraźcie sobie, że na przyjęciu pełnych rozgorączkowanych małolatów pojawia się Justin Bieber. Gdy próbuje przejść przez pomieszczenie, zaczyna go otaczać coraz większa liczba fanek, które spowalniają jego ruchy, czyniąc go niejako coraz cięższym. Jednocześnie zaś, gdybym ja wszedł do tego samego pomieszczenia, to prawdopodobnie dałbym radę przemknąć niezauważony i bez żadnych problemów. Fanki Biebera to bozony Higgsa, które oddziałując w różnym stopniu z różnymi innymi cząstkami elementarnymi (Bieber i ja), nadają im różną masę.

Dodam tutaj tylko, że takie wyjaśnienie jest pewną oznaką naszych czasów: podmiotem oryginalnej wersji tej metafory była bowiem premier Thatcher. Niemniej jednak tak wygląda skrócona odpowiedź na pytanie, co robi Higgs i jak: bozon Higgsa nadaje innym cząstkom masę poprzez interakcję z nimi.

Masa masie nierówna

Znacznie jednak ciekawszym pytaniem niż to, jak bozon Higgsa nadaje cząstkom masę, wydaje się być to, dlaczego w ogóle cząstki muszą ją mieć. Zacznijmy jednak od wyjaśnienia, że działanie bozonu Higgsa nie wyjaśnia całej masy Wszechświata. Wręcz przeciwnie, większość obserwowanej masy ma doskonale zrozumiane przez nas korzenie i wynika z istnienia tzw. silnych oddziaływań jądrowych. Ten rodzaj oddziaływań to siły, które działają na przykład pomiędzy budującymi protony i neutrony kwarkami, prowadząc do ich agregacji w podobny sposób, w jaki bozony Higgsa agregują wokół innych cząsteczek nadając im masę.

Za jaką masę odpowiada zatem bozon Higgsa? Musimy cofnąć się do lat 60. ubiegłego stulecia, kiedy Sheldon Glashow, Abdus Salam oraz Steven Weinberg usiłowali stworzyć teorię unifikującą oddziaływania elektromagnetyczne i oddziaływania słabe w tzw. teorię oddziaływań elektrosłabych. Teorii tej dokuczał jeden tylko szkopuł: różnica pomiędzy nośnikami tych sił, fotonami oraz bozonami W i Z. Aby móc dokonać unifikacji teorii, musiała być zachowana symetria tych nośników. Aby zaś zachować symetrię, żaden z nośników sił nie mógł mieć masy.

Problem polega na tym, że bozony W i Z masę posiadają. Co więcej, te spaślakowate cząstki elementarne są jednymi z najcięższych elementów Modelu Standardowego – podczas gdy masa spoczynkowa fotonu jest dokładnie żadna. Rozwiązaniem tego dylematu stał się właśnie bozon Higgsa: poprzez oddziaływanie z tą cząstką bozony W i Z nabywają masę, której nie posiadają fotony, prowadząc do spontanicznego łamania symetrii: w ten sposób cząstka Higgsa niejako maskuje fakt, że w istocie bozony W i Z nie posiadają masy.

Gdyby zatem bozon Higgsa okazał się tylko piękną mrzonką kilku teoretyków, gdyby nie udało się go znaleźć, w gruzach ległaby teoria oddziaływań elektrosłabych, a za nią blisko 50 lat fizyki cząstek elementarnych.

Słowo ciałem się stało

Prace teoretyczne opisujące bozon Higgsa, a także mechanizm, według którego miał on działać, opublikowane zostały w 1964 roku. Od początku było jednak wiadomo, że znalezienie bezpośrednich dowodów na istnienie tej cząstki nie będzie łatwe, chociaż nie od razu zdano sobie sprawę z rozmiaru trudności. W skrócie: początkowo nie wiedziano, jak ciężki jest bozon Higgsa, a więc jakie energie akceleratorów są niezbędne do jego odkrycia. We wczesnych latach 70. podejrzewano, że jest to ok. 18 MeV. Rozważania teoretyczne przeprowadzone w połowie tamtej dekady zwiększyły tę wartość (jak i ogólny zakres) do gdzieś pomiędzy 10 a 1000 GeV. Na początku lat 80. zaobserwowano bozon Z – ponieważ Higgs nie był produktem rozkładu tej cząsteczki, wywnioskowano, że musi być cięższy niż ponad 90 GeV bozonu Z. Szacunki z końca poprzedniego millenium określały energię Higgsa na ok. 115 GeV.

Takie energie oczywiście nie są osiągalne w maleńkich akceleratorach uniwersyteckich. W CERN-ie uparcie próbowano znaleźć Higgsa za pomocą Wielkiego Zderzacza Elektronowo-Pozytonowego (ukończonego w 1989 r.), który na początku osiągał energie rzędu 45 GeV, a pod koniec swojego funkcjonowania – 105 GeV. Do gry próbowali włączyć się Amerykanie, którzy w latach 80. rozpoczęli budowę akceleratora SSC. Budowę planowano z rozmachem, obiekt miał liczyć prawie 90 kilometrów obwodu i generować energie rzędu 20 TeV (dla porównania LHC to 27 km i 8 TeV). Niestety cały projekt upadł we wczesnych latach 90., przez wzgląd na cięcia budżetowe.

Zadaniu sprostał wreszcie Wielki Zderzacz Hadronów: nowe dziecko CERN-u o niesamowitej mocy. W ramach prowadzonych w LHC eksperymentów ATLAS oraz CMS przeprowadzono w 2011 roku pomiary, które wskazały na istnienie cząstki o właściwościach takich, jakich oczekiwano od bozonu Higgsa.

Wyniki tych pomiarów opublikowano w lecie zeszłego roku i, jak być może niektórzy czytelnicy pamiętają, prace te dokonały demolki wśród zeszłorocznych badań: ponad jedna piąta z najczęściej cytowanych prac opublikowanych w roku 2012 dotyczyła właśnie odkrycia bozonu Higgsa. Tygodnik Science ogłosił zaś odkrycie przełomem roku 2012.

Najbardziej spodziewany Nobel stulecia

Nagroda Nobla za przewidzenie bozonu Higgsa została już okrzyknięta najbardziej spodziewanym wyróżnieniem ostatnich lat. Jak wspomniałem we wstępie: bardziej interesujące było to, jak Komitet Noblowski poradzi sobie z tym, że na nagrodę zasługuje więcej niż trzech badaczy, niż zastanawianie się, czy tę nagrodę przyzna właśnie za to odkrycie.

Co więcej, chociaż w zeszłym roku wiele osób zastanawiało się, dlaczego nagrody laureatom nie przyznano w 2012, dla większości osób średnio wtajemniczonych nie było zaskoczeniem ani to, że nie przyznano jej w zeszłym roku, ani to, że przyznano ją w tym.

Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla z fizyki: z lewej Francois Englert, z prawej Peter Higgs.
Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla z fizyki: z lewej Francois Englert, z prawej Peter Higgs.

Po prostu: nominacje do nagród są oficjalnie zamykane w lutym, zaś oficjalne potwierdzenie odkrycia nastąpiło dopiero w lecie. Komitet Noblowski nie zawsze jest ultrakonserwatywny, jeśli chodzi o czas, który upłynął od odkrycia, ale w tym przypadku wyraźnie chciano mieć pewność, że istnienie Higgsa jest oficjalnie potwierdzone. Z drugiej strony, w momencie gdy zostało potwierdzone, Komitetowi nie zostawiono już drogi odwrotu: byłoby nie tylko niesprawiedliwością w stosunku do pierwotnych odkrywców, ale także wręcz ośmieszeniem Komitetu, gdyby nie zostało w tym roku nagrodzone odkrycie, które już okrzyknięto największym odkryciem naukowym od czasu opisania struktury DNA.

Kontrowersje

Pomimo tego, że nagroda ta była tyleż spodziewana, co i zasłużona, nie brakuje – jak się często zdarza w przypadku tych wyróżnień – licznych kontrowersji. Po pierwsze zatem, o czym wspomniałem już kilkakrotnie, w oczy kole całkowite pominięcie Guralnika, Hagena i Kibble’a. Chociaż publikacje tych autorów były starsze o kilka miesięcy, do rozwiązanie problemu dotarli niezależnie, a ich wkład w dalszy rozwój teorii jest także nieoceniony.

Po drugie, powrócił przy okazji tej nagrody temat nienagradzania organizacji. Wielu badaczy jest zdania, że należy docenić niesamowitą rolę, jaką odegrały tutaj nie jednostki, ale wielkie zespoły badawcze. Bez eksperymentów ATLAS i CMS, bez blisko trzech tysięcy pracowników CERN-u nie rozmawialibyśmy dzisiaj o nagrodzie dla Higgsa i Englerta. Stąd też już od zeszłego lata pojawiały się nieśmiałe sugestie, aby za odkrycie nagrodzić właśnie CERN oraz zespoły badawcze ATLAS-u i CMS-u.

Komitet jednak nie ugiął się i trzymał się swojej zasady, że nagrody nie są przyznawane organizacjom ani zespołom badawczym (wyjątkiem są nagrody pokojowe). Jest to jednak zmiana oczekiwana; sugestia takiej modyfikacji powracać będzie zaś coraz częściej, ponieważ coraz więcej badań w wielu dziedzinach, nie tylko w fizyce cząstek elementarnych, dokonywana jest przez konsorcja liczące setki badaczy, z których często co najmniej kilkunastu, w porywach do kilkudziesięciu, ma rzeczywisty wkład w dokonywane odkrycia.

Trzecia kontrowersja dotyczy nie tyle samego Nobla, co po prostu smutnej rzeczywistości, historii nauki i sposobu jej komunikowania. Historia jest z jednej strony frustrująca, z drugiej jednak – niezwykle inspirująca. W 1966 roku dwóch radzieckich studentów opublikowało pracę opisującą to, za co Higgs i Englert zostali we wtorek nagrodzeni. Zanim zakrzykniecie „zaraz, zaraz, przecież prace Higgsa i Englerta pojawiły się dwa lata wcześniej!” spieszę dodać, że praca tych dwóch utalentowanych młodych ludzi, Aleksandra Migdala oraz Aleksandra Polyakova, gotowa była już 1964 roku, gdy obaj autorzy mieli po zaledwie 19 lat!

Niestety przez rok próbowali oni bezskutecznie zgłosić swoją pracę do publikacji; była jednak wciąż odrzucana, gdyż inni radzieccy badacze po prostu nie wierzyli w zaprezentowane w niej rozważania. Praca została przyjęta do recenzji dopiero w listopadzie 1965 roku – czyli rok po publikacji prac pozostałych higgsowskich badaczy. Wiemy jednak na pewno, że rozważania młodych autorów były niezależne od badań naukowców zachodnich, ponieważ zastosowany przez nich aparat matematyczny był całkiem inny (czyli: doszli do tego samego celu, ale zupełnie inną drogą).

Obaj młodzi teoretycy dopracowali się słusznych karier naukowych, a chociaż nie wspomina się o nich przy okazji opowieści o Higgsie jedynym tchem z Higgsem i spółką, warto dodać, że ich wkład w rozwój fizyki nie zakończył się na tym etapie. Bardziej zasłużonego z tej dwójki Polyakova fascynaci dziwacznych fizycznych teorii mogą rozpoznać przez wzgląd na jego wkład w rozwój teorii superstrun.

Przewidywania i nadzieje

Tak więc sprawdziło się przewidywanie Thomsona Reutersa dotyczące fizycznych Nagród Nobla. Z drugiej jednak strony, jak już podkreślałem wcześniej, była to nagroda tak spodziewana, tak oczekiwana, że trudno mówić tutaj o prawidłowych przewidywaniach – było to trochę, jak przewidywanie wyniku wyborów prezydenckich na Białorusi.

Niestety nie doczekaliśmy się nagród z żadnej kategorii dla naszych dyżurnych kandydatów, Matyjaszewskiego lub Wolszczana. Ani dla żadnego z innych typowanych Polaków (Dietla, Minora czy Otwinowskiego). To powiedziawszy, biorąc pod uwagę fakt, że nagrodę w dziedzinie chemii przyznano za modelowanie komputerowe, doceniając wielki wkład badaczy zajmujących się właśnie tą dziedziną, powiedziałbym, że być może zwiększyły się nieco szanse Minora i Otwinowskiego. Chociaż o całe swoje oszczędności jeszcze bym się nie zakładał.

Przypisy:

*Leon Lederman nazwał swoją popularnonaukową książkę o historii fizyki cząstek elementarnych oraz o poszukiwaniu bozonu Higgsa – „Boska Cząstka”. Wieść gminna jednak niesie, że początkowo planował nazwać ją „Przeklęta Cząstka” wykorzystując grę słów (z ang. boska cz. = God Particle; przeklęta cz. = Goddamn Particle). Wyjaśniał to tym, że nikt nie mógł tego cholernego Higgsa znaleźć. Do zmiany tytułu został jednak przekonany przez redakcję swojego wydawnictwa. Ponoć zapewniono go, że „Boska Cząstka” ma szansę sprzedać znacznie więcej egzemplarzy.

Advertisements

7 Comments

    1. Owszem, obiło mi się to o uszy. No i warto dodać, że bardzo wielu fizyków nie lubi tego określenia; z wielu zresztą powodów. Bo zawiera niepotrzebne odwołanie do boskości tam, gdzie jest ono zupełnie zbędne. Bo brzmi bardzo ostatecznie, a w obecnej sytuacji taka ostateczność jest nieuprawniona. Bo na dzień dzisiejszy nie wiemy jeszcze, czy bozon Higgsa to jedna cząstka, czy cała ich rodzina. I zapewne jest jeszcze wiele innych powodów…

      Lubię

  1. Przede wszystkim miło przeczytać o mojej dziedzinie na tym blogu, tym bardziej że jestem stałym czytelnikiem:)

    Uzupełnienie historii okiem eksperta, szczególnie od strony fizycznej, można znaleźć na stronie/blogu M. Strasslera:
    http://profmattstrassler.com/2013/10/08/the-twists-and-turns-of-higgstory/

    Proszę mi też wybaczyć drobne czepianie się, ale ponieważ wpis jest naprawdę bardzo rzetelny, szkoda by było zostawić drobne nieścisłości;)

    1. Subtelne, ale *bardzo* ważne rozróżnienie: za mechanizm nadawania masy bozonom W i Z oraz naładowanym fermionom odpowiada *pole* Higgsa, a nie bozon. Cały mechanizm opiera się na tym, że pole Higgsa przyjmuje niezerową wartość w próżni, co spontanicznie łamie symetrię elektrosłabą i w ten sposób „rozdziela” W i Z od fotonu. Cząstka Higgsa jest (jedynie?) świadkiem.
    Swoją drogą to właśnie Peter Higgs jako pierwszy wspomniał o istnieniu cząstki jako konsekwencji tego mechanizmu i między innymi dlatego otrzymała swoją nazwę (dokładniejsza historia w linku powyżej).

    2. Gdyby cząstka Higgsa nie została odkryta, *nie* obaliłoby to teorii elektrosłabej. Jedynie jej konkretny, najprostszy wariant z mechanizmem Higgsa. To co jest istotne dla teorii oddziaływań słabych i elektromagnetycznych, to że symetria elektrosłaba jest złamana. Czy to przez mechanizm Higgsa, czy kondensat kwarkowy (tzw. technikolor) czy dodatkowe wymiary, etc.
    To niewątpliwie prawda, że w fizyce cząstek elementarnych przez wiele lat dużo wysiłku zostało włożone w teorie zakładające słuszność mechanizmu Higgsa. Ten wysiłek zaowocował lepszym zrozumieniem wielu aspektów teoretycznych i byłby, moim zdaniem, warty tego nawet gdyby mechanizm Higgsa nie był realizowany w rzeczywistości. Niemniej jednak, wielu naukowców pracowało też nad innymi pomysłami, więc na pewno 50 lat pracy nie poszłoby na marne:)

    3. Większość masy obserwowanego Wszechświata jest w postaci ciemnej materii (a ogólniej większość energii, w postaci tzw. ciemnej energii). W zasadzie tak naprawdę niewiele wiemy na ich temat. W przypadku ciemnej materii mamy solidne podstawy by sądzić, że zbudowana jest ona z nieznanych jeszcze cząstek elementarnych (jednego typu lub więcej). Ich masa może, ale nie musi pochodzić od mechanizmu a la mechanizm Higgsa.

    4. Najcięższą zaobserwowaną cząstką elementarną jest kwark t, cięższy od W i Z, a nawet bozonu Higgsa (co też widać na ilustracji we wpisie).

    Trochę się rozpisałem:) To tak na koniec tylko, jeszcze raz dzięki za ciekawy wpis.

    Lubię

    1. Bardzo dziękuję za sprostowania. Wpisu jednak poprawiał nie będę (może poza kwarkiem t), żeby nie mieszać – mam nadzieję, że czytelnicy sięgną do Pańskiego i tak bardziej dokładnego komentarza (a fizyków za nieścisłości już na zapas przeprosiłem we wpisie :)).

      Lubię

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s