Nauka
Sada čitate
Naučni prodor godine – otkriće Higsovog bozona

Magazin Scinece proglasio je, nimalo iznenađujuće, za ovogodišnji naučni prodor godine (iliti Breakthrough of the Year) otkriće Higsovog bozona. Kako se navodi u pratećem članku „nijedan skorašnji naučni napredak nije generisao veći urnebes od ovoga.“ 4. jula, naučnici koji su radili na najvećem svetskom razbijaču atoma – Velikom hadronskom sudaraču (Large Hadron Colider – LHC) u Švajcarskoj – objavili su da su uočili česticu koja odgovara opisu dugo-traženog Higsovog bozona, poslednjeg nedostajućeg delića standardnog modela osnovnih čestica i sila u fizici. Seminar na kojem su rezultati predstavljeni pretvorio se u medijski cirkus i vest je zaokupila maštu ljudi širom sveta. „Srećan vam dan dobre čestice“ ([H]appy ‘god particle’ day) tvitovao je will.i.am, pevač grupe The Black Eyed Peas svojim brojnim (4 miliona) pratiocima na Twitter-u.

Već zbog svog tog „hajpa“ otkriće Higsovog bozona je lako zaslužilo titulu naučnog prodora godine. Hipoteza postavljena još pre 40 godina postavila je Higsovom bozonu ključnu ulogu u naučnom objašnjenju otkuda druge fundamentalne čestice dobijaju masu. Njegovo eksperimentalno uočavanje kompletira standardni model koji danas predstavlja verovatno najbolje razrađenu i najprecizniju naučnu teoriju. U stvari, jedino veliko pitanje koje se sada postavlja je da li ovo otkriće otvara novo doba u proučavanju fizike elementarnih čestica ili je poslednje „ura“ u oblasti koja je došla do svog cilja.

Higs rešava osnovni problem standardnog modela. Teorija opisuje čestice koje sačinjavaju običnu materiju: elektrone koji se „vrte“ po atomu, gornje i donje kvarkove koji sačinjavaju protone i neutrone u atomskom jezgru, neutrine koji se emituju u obliku radioaktivnosti, i dva seta težih rođaka ovih čestica, koji se pojavljuju u sudarima čestica. Ove poslednje interaguju kroz razmenu drugih čestica koje prenose tri sile: elekromagnetnu, slabu nuklearnu – koja razvejava neutrine, i jaku nuklearnu – koja vezuje kvarkove.

Ali tu je kvaka. Na prvi pogled standardni model deluje kao teorija čestica bez mase. Razlog je što jednostavno dodeljivanje mase česticama kreira matematički nered u teoriji. Tako masa mora da se pojavi iz interakcije čestica koje same po sebi nemaju masu.

I tu se pojavljuje Higs. Fizičari pretpostavljaju da je prazan prostor ispunjen takozvanim Higsovim poljem koje pomalo liči na električno polje. Čestice interaguju sa Higsovim poljem kako bi stekle energiju i otuda masu, što objašnjava čuvena jednačina Alberta Ajnštajna, E = mc2, koja opisuje njuhovu ekvivalentnost. Kao što se i električno polje sastoji od čestica koje se nazivaju fotoni, tako se i Higsovo polje sastoji od Higsovih bozona koji su utkani u vakuum. Fizičari su sada uspeli da ih izbace iz vakuuma u kratkotrajno postojanje zabeleženo u CERN-ovom detektoru.

Taj podvig je krunisao intelektualni, tehnološki i organizacioni trijumf. Za proizvodnju Higsovog bozona naučnici iz Evropske laboratorije za fiziku elementarnih čestica, CERN, blizu Ženeve su sagradili 5,5 milijardi vredan i 27 kilometara dug LHC. Kako bi uočili Higsa sagradili su i ogroman detektor čestica ATLAS, koji je visok 25 i dugačak 45 metara, kao i CMS koji teži 12.500 tona. Timovi na ATLAS-u i CMS-u broje 3000 članova svaki. Više od 100 nacija je uzelo učešće u LHC-u.

Možda je najimpresivnija činjenica da su teoretičari predvideli postojanje nove čestice i izložili njene osobine sve do brzina kojima će se raspadati u različite kombinacije drugih čestica (da bi testirali da li je čestica zaista Higsov bozon istraživači mere upravo te brzine). Fizičari su takve pretpostavke iznosili i ranije. 1970. godine, u vreme kada se znalo samo za tri tipa kvarkova, teoretičari su predvideli postojanje četvrtog, koji je otkriven 4 godine kasnije. 1967. predvideli su postojanje čestica koja prenose slabu silu, W i Z bozona, koji su otkriveni 1983.

Teoretičari elementarnih čestica nude različita objašnjenja za svoje prognostičarske veštine. Sudari čestica se mogu suštinski reprodukovati i oslobođeni su slučaja, kažu teoretičari. I dok ne postoje dve iste galaksije, dotle su svi protoni identični. Tako, kada ih razbiju, fizičari ne moraju da brinu o osobenostima ovog ili onog protona, pošto takve osobenosti ne postoje. Čak šta više, teoretičari ističu da je uprkos svojoj matematičkoj složenosti, standardni model koncepcijski jednostavan – što je tvrdnja koju ne-fizičari teško prihvataju.

Standardni model na kraju duguje svoju predviđačku snagu činjenici da je teorija bazirana na predstavi matematičke simetrije, kažu teoretičari. Svaka od tri sile u standardnom modelu je povezana i, u nekom smislu, zavisna od drugačije simetrije. Higsov mehanizam je i izmišljen kako bi bila očuvana takva simetrija dok se masa pruža česticama nosiocima sila, kao što su W i Z. Jednostavno rečeno, argumenti simetrije su snažan predviđački alat.

Bez obzira na razloge predviđačkih moći fizičara koji se bave elementarnim česticama, sa Higsovim bozonom koji je izgleda ulovljen, sada više nemaju nikakvo slično predviđanje koje bi sledeće testirali. Imaju oni puno razloga da razmišljaju o tome da standardni model nije poslednja reč fundamentalne fizike. Sama teorija je očigledno nekompletna jer ne uzima u obzir silu gravitacije. Uz to teorija sugeriše i da su interakcije između Higsa i drugih čestica takve da bi Higs morao da bude veoma težak. Tako fizičari sumjaju da u vakuumu vreba nova čestica koja bi neutralisala taj efekat. Ali svi ti argumenti nisu ni blizu toliko precizni kao onaj koji je zahtevao postojanje Higsovog bozona.

U stvari, naučnici nemaju garancija da bilo koje novo fizičko otkriće leži u domašaju LHC-a ili bilo kojeg drugog dostižnog kolajdera. Standardni model bi mogao da predstavlja samo unutrašnje radove univerzuma koje priroda spremna da nam otkrije. Otkriće Higsa je prodor. Da li će fizičari elementarnih čestica ikada ponovo zabeležiti takav pogodak?

Priredio: Bojan Živojinović