Prije deset godina, 4. jula 2012. iz CERN-a su došle fantastične vijesti za fizičare, ali i za cijeli svijet: detektovana je čestica koja se zove Higgsov bozon. Fizičar Leon Lederman je Higgsovom bozonu dao nadimak „Božija čestica”, termin koji u svakodnevnom životu volimo rabiti kada se referiramo na ovaj tip čestice. I više od toga – ovaj nadimak je bio sjajan PR maloj čestici i CERN-u kao instituciji jer je otkriće „Božije čestice“ izazvalo nevjerovatno interesovanje medija i javnosti.
Zašto je Higgsov bozon tako bitan? Šta se dogodilo poslije njegovog otkrića? Ima li fizike nakon detekcije ove čestice? Koja su pitanja otvorena, koja zatvorena? Šta je uopšte ova čestica? Da li je čovječanstvo imalo ikakve koristi od otkrića? Šta malom čovjeku znače ovakve stvari?
Ovo su legitimna pitanja. CERN je svjetski poznata, praktično kultna naučna institucija, slike CMS detektora i Velikog hadronskog sudarača (LHC) su praktično svugdje. Od 2012. LHC je proizveo 30 puta više podataka o sudarima čestica s Higgsovim bozonom.
U međuvremenu, CERN kreće u treći od pet predviđenih pokretanja, na još većim energijama.
Nobelove nagrade za teorijsko uporište postojanja Higgsovog bozona
Otkriće je bilo prekretnica u istoriji nauke i zaokupilo je pozornost svijeta. Godinu dana kasnije donijelo je Françoisu Englertu i Peteru Higgsu Nobelovu nagradu za fiziku za njihovo predviđanje dano decenijama ranije, zajedno s pokojnim Robertom Broutom.
Oni su predvidjeli novo fundamentalno polje, poznato kao Higgsovo polje, koje prožima svemir, manifestira se kao Higgsov bozon i daje masu elementarnim česticama.
Šta je Higgsov bozon, šta su elementarne čestice i šta one rade?
Ne treba usvojiti pogrešne i površne interpretacije šta je to Higgsov bozon. Naime, Higgsov bozon nije odgovoran za svu masu u svemiru – nego samo za masu elementarnih čestica. Recimo, elektron je jedna elementarna čestica. On kruži oko atoma, tačnije, elektroni stvaraju „oblak“ oko atoma, ima negativni naboj i odgovoran je za prenos elektriciteta, npr. u metalima.
Neke druge elementarne čestice su kvarkovi, od kojih neki, oni stabilniji, grade druge dijelove atoma: neutrone i protone. Čuveni američki fizičar i nobelovac, Murray Gell-Mann, nazvao je kvarkove upravo takvim imenom „quarks”, prema riječi koju je veliki pisac James Joyce upotrijebio u djelu Finneganovo bdijenje.
Zatim, postoje mioni, pa različiti bozoni, poput W, Z i spomenutog Higgsovog bozona. Tu spada i foton, čestica koja je „nositelj“ svjetlosti, odnosno, elektromagnetnog polja. Sve ove čestice i njihove interakcije stvaraju naposlijetku naš fizički svijet – svijet mase, energije i fundamentalnih sila kosmosa.
Prema teoriji, mase elementarnih čestica rezultat njihove kontinuirane interakcije s nečim što se zove Higgsovo polje (precizniji naziv bi bio Brout–Englert–Higgsovo polje) koje prožima cijeli Svemir. Higgsov bozon je val u tom polju. Očekuje se da će snaga međudjelovanja bilo koje čestice s Higgsovim poljem biti proporcionalna njezinoj masi, što znači da bi teže čestice, kao što je to kvark, trebale djelovati snažnije od lakših čestica.
Drugim riječima, Higgsov bozon proizvodi Higgsovo polje, a elementarne čestice prolaze kroz Higgsovo polje, i neke od njih imaju i interakciju sa njim. One čestice koje imaju interakciju sa Higgsovim poljem, poput kvarkova, kreću se sporije, odnosno, imaju masu, dok čestice koje nemaju interakciju sa Higgsovim poljem, poput fotona, kreću se brže kroz njega i nemaju masu. Uprošteno rečeno – Higgsovo polje, a ne sam Higgsov bozon, nekim elementarnim česticama daje masu.
Početak nove ere fizike nastupio s otkrićem „Božije čestice“
„Otkriće Higgsovog bozona bila je monumentalna prekretnica u fizici čestica. To je označilo i kraj decenijama dugog putovanja istraživanja i početak nove ere proučavanja ove vrlo posebne čestice”, kaže Fabiola Gianotti, glavna direktorica CERN-a i voditeljica projekta eksperimenta ATLAS, jednom od CERN-ovih eksperimenata pored CMS, LHCb i ALICE. „S emocijama se sjećam dana objave, dana neizmjerne radosti za svjetsku zajednicu fizike čestica i za sve ljude koji su desetljećima neumorno radili kako bi ovo otkriće bilo moguće.“
Ali, šta je to bila prekretnica? Šta je donio Higgsov bozon, osim potvrde predikcije da stvara polje koje je odgovorno za masu nekih elementarnih čestica?
Naučnici u CERN-u, ali i u drugim velikim institutima i laboratorijama poput američkog Fermilaba, nastoje shvatiti veću sliku i ono što u Standardnom modelu nedostaje. Standardni model je naziv za teoriju koja opisuje čestice i sile u svemiru, ali ima određenih nedostataka i nejasnoća.
Standardni model skup je teorija razvijenih između 1950-ih i 1970-ih. Uprkos svojoj fenomenalnoj tačnosti, ne uključuje gravitaciju ili tamnu tvar i ne objašnjava zašto je više materije u odnosu na antimateriju u Svemiru, niti neke aspekte neutrina.
Fizičari pokušavaju poboljšati ovaj model. Zato pokušavaju sudarati određene čestice na sve višim energijama ili detektovati čestice na neki drugi način. Odgovori na ova pitanja – šta nedostaje Standardnom modelu i druga – zapravo su odgovori na enigmu Velikog praska i sudbine svemira u prvim nanosekundama njegovog postojanja.
U suštini, eksperimenti i otkrića poput ovih nas vode u embrionalni svemir. Ljudi pokušavaju shvatiti kako je svemir nastao, kako je formirana masa i energija, odakle fundamentalne sile poput elektromagnetizma, gravitacije, slabe i jake nuklearne sile te kako se svemir razvijao. To su pitanja odakle smo mi, kako sve sve ovo dogodilo, zašto sve nije jedna velika praznina bez značenja.
U samo deset godina fizičari su napravili ogromne korake naprijed u našem razumijevanju svemira, ne samo rano potvrdivši da je čestica otkrivena 2012. doista Higgsov bozon, već i omogućivši istraživačima da počnu graditi sliku o tome kako je prisutnost Higgsovog polja u cijelom svemiru uspostavljena desetinku milijarditog dijela sekunde nakon Velikog praska.
ATLAS kolaboracija pri CERN je, za godišnjicu otkrića, publikovala rad u Nature koji pokazuje detaljnu mapu interakcija Higgsovog bozona u Feynmanovim dijagramima. Ovo je predivna posveta i američkom fizičaru Richardu Feynmanu i svim ljudima koji su dali doprnos detekciji.
Posmatrajući Higgsove bozone koji nastaju i raspadaju se u parove W ili Z bozona, ATLAS i CMS potvrdili su da oni dobijaju svoju masu kroz interakcije s Higgsovim poljem, kao što je predviđeno Standardnim modelom. Snaga ovih interakcija objašnjava kratki domet slabe sile, koja je odgovorna za oblik radioaktivnosti i pokreće reakciju nuklearne fuzije koja pokreće Sunce. Koje pokreću naš svijet, jer fuzije na Suncu daju energiju, daju onaj dio spektra potreban za fotosintezu i formiranje organske materije i daju toplotu.
Eksperimenti su također pokazali da vršni kvark (top), dubinski kvark (bottom) i tau lepton – koji su najteži fermioni (potporodice elementarnih čestica – postoje fermioni i bozoni) – dobivaju masu iz svojih interakcija s Higgsovim poljem, opet kao što je predviđeno Standardnim modelom. Ova opažanja potvrdila su postojanje interakcije ili sile, nazvane Yukawa interakcija, koja je dio Standardnog modela, ali je različita od svih drugih sila u Standardnom modelu: posredovana je Higgsovim bozonom. ATLAS i CMS izmjerili su masu Higgsovog bozona na 125 milijardi elektronvolti (GeV), s impresivnom preciznošću od gotovo jednog promila. Masa Higgsovog bozona temeljna je konstanta prirode. Štaviše, zajedno s masom najteže poznate elementarne čestice, vršnog kvarka i drugim parametrima, masa Higgsovog bozona može odrediti stabilnost svemirskog vakuuma.
Fizičari predviđaju da bi tamo negdje na visokom energijama moglo biti još nekih čestica koje bi mogle objasniti nedostatke Standardnog modela. Recimo – da li moža postoji samo jedna vrsta Higgsovog bozona ili ih im više? Šta je s tamnom materijom, neutrinima i gravitacijom i kako se one uklapaju u SM, odnosno SM u njih?
Neki se boje šta će s desiti s ovim poljem fizike ako se ne otkriju druge čestice i smatraju da je sada sve pomalo razočaravajuće kao što to kaže Barry Barrish s Kalifornijskoj instituta za tehnologiju. Fizičari očekuju znake supersimetrije, jedne nove hipoteze, koja je zapravo proširenje Standarnog modela i rješavala bi neke njegove probleme. Neki kritikuju izgradnju još većeg hadronskog sudarača koji nam CERN obećava i pozivaju na odlaganje ovog projekta, kao fizičarka Sabine Hossenfelder. Neki misle da, ako se ne otkriju nove čestice, da vlade više neće upumpavati milijarde u CERN.
Ali dobar dio fizičara iz ovog polja kažu da čak i ako LHC ne detektuje nove čestice, fizika čestica, odnosno fizika visokih energija neće umrijeti (za više pročitajte editorial u Nature), to polje se neće zatvoriti. Toliko toga ima za razumjeti, shvatiti, a svaka informacija otvara nova pitanja. Treba znati da fizika čestica nije samo detektovanje novih čestica i lov na njih.
Nove čestice: pentakvarkovi i tetrakvarkovi
CERN je samo dan nakon obilježavanja desetogodišnjice detekcije Higgsovog bozona objavio i detekcije tri nove čestice, doduše ne elementarne, nego kompozitne, izgrađene od više kvarkova i antikvarkova. Radi se o jednom novom pentakvarku i dva nova tipa tetrakvarka. I prije su slične čestice otkrivane, ali ne u „okusima“ kakve imaju ove nove čestice.
„Pronalaženje novih vrsta tetrakvarkova i pentakvarkova i mjerenje njihovih svojstava pomoći će teoretičarima da razviju jedinstveni model egzotičnih hadrona, čija je tačna priroda uglavnom nepoznata“, kaže glasnogovornik LHCb eksperimenta pri CERN-u, Chris Parkes. „Također će pomoći boljem razumijevanju konvencionalnih hadrona.” Hadroni su čestice manje od atoma (subatomske čestice) koje se sastoje od dva ili više kvarkova ili kvarkova i njihovih antimaterijskih parnjaka antikvarkova. Dakle, hadroni nisu elementarne čestice, ali jesu manji od atoma.
Obični čovjek i neobična fizika
A šta ovo znači običnom čovjeku, nekom ko nije fizičar i zapravo ne razumije šta je ovdje sve rečeno?
Ponovimo: fizičari u CERN-u i drugim institutima proučavajući interakcije ovih čestica, koje iako su nevidljive, ipak ostavljaju određeni energetski trag za sobom, pokušavaju shvatiti kako je nastao svemir, a možda i kako će se dalje razvijati.
Pronalaženje odgovora na pitanja ponašanja Higgsovog bozona i druga intrigantna pitanja ne samo da će unaprijediti naše razumijevanje svemira na najmanjim razmjerima, već može pomoći i u otključavanju nekih od najvećih misterija svemira u cjelini, poput toga kako je postao takav kakav jest i kakva bi mogla biti njegova konačna sudbina. Konkretno, samo interakcija Higgsovog bozona mogla bi biti ključ za bolje razumijevanje neravnoteže između materije i antimaterije i stabilnosti vakuuma u svemiru.
Ako ovo nije dovoljno važno, treba reći i to da naučnici neprestano, pokušavajući unaprijediti svoje eksperimente neposredno doprinose i svijetu oko sebe. Kako bi razvili tehnologiju potrebnu za istraživanja, naučnici na CERN-u i drugdje razvijaju u sofisticirane tehnologije koje ponekad postanu i važne za naš svakodnevni život. Recimo, jedna od tih tehnologija je i World Wide Web ili WWW, koji je nastao na CERN, a razvio ga je engleski naučnik Tim Berners-Lee 1990. Ponekada su nam istraživanja ovakvih centara nerazumljiva, ali vrlo često njihova otkrića promijene i živote običnih ljudi.
