Tagi


Archiwa


Zaprzyjaźnione


/ 11

Artykuły

Trzy argumenty za Noblem dla Higgsa

12th Paź '13

Nadszedł moment, na który Peter Higgs i François Englert czekali od pół wieku. Ich spekulacje doczekały się nie tylko weryfikacji (o której w latach 60. nie mogli nawet marzyć) ale również uhonorowania najważniejszym z pośród wyróżnień – Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki.

Nie da się ukryć, że zwy­cię­żyli nie­kwe­stio­no­wani faworyci. Mimo to, wygrana fizyków cząstek ele­men­tar­nych dla części osób pozo­staje mocno kon­tro­wer­syjna. Pytają o to, dlaczego Nobla nie wręczono badaczom fuzji jądrowej, być może znaj­du­jącym się o krok od zaini­cjo­wania rewo­lucji ener­ge­tycznej. Tamto odkrycie, już na pierwszy rzut oka wydaje się bardziej spek­ta­ku­larne, a przede wszystkim uży­teczne. Przy­znaję, że uty­li­ta­ryzm stanowi tu dość dobry argument, tyle tylko, że w fizyce rzadko kiedy mamy moż­li­wość prze­wi­dzenia prak­tycz­nych skutków danego odkrycia. Czy Einstein domyślał się, że teoria względ­ności umożliwi poprawne dzia­łanie systemu GPS? Czy Max Planck mógł prze­wi­dzieć kon­se­kwencje wpro­wa­dzenia do nauki kwantów? Czy Heisen­berg marzył o tym, że za sto lat roz­poczną się prace nad budową kom­pu­tera kwan­to­wego? 

Oczy­wi­ście nie. Fizyka teo­re­tyczna jest jak dobrze upra­wiana gleba, bez której nie wykieł­ko­wa­łyby najam­bit­niejsze cuda inży­nierii a ludzkość stałaby w miejscu. Nie potrafię powie­dzieć jakich, bez­po­śred­nich i prak­tycz­nych, plonów powin­niśmy się spo­dziewać na hig­g­sowej ziemi, ale spróbuję w krótki sposób nakre­ślić znacznie boskiej cząstki, z punktu widzenia fizyki i rozwoju czystej nauki.

Bo złapaliśmy nową cząstkę

Na początek przejdźmy krótki kurs naj­now­szej historii fizyki. W 1925 roku Nobla otrzymał James Franck za opis zderzeń elek­tronów z jądrami ato­mo­wymi. Louis de Broglie został nagro­dzony za ukazanie falowej natury tejże cząstki. James Chadwick w 1935 uzyskał wyróż­nienie za odkrycie neutronu. Zaraz po tym, Carla Ander­sona doce­niono za zare­je­stro­wanie pozytonu. Niedługo po wojnie, nagrodę dostał Hideki Yukawa za to, że prze­wi­dział ist­nienie całej rodziny mezonów. W 1976 Nobel trafił do rąk Burtona Richtera za odkrycie cząstki J/ψ. W 1988 za zare­je­stro­wanie neutrina mio­no­wego doce­niono Leona Leder­mana. W połowie lat ’90 chwili chwały doczekał się odkrywca taonu, Martin Perl.

W sposób szcze­gólny należy przy­po­mnieć sukces Carlo Rubbii i Simona van der Meera z roku 1984. Dwójka euro­pej­skich fizyków, prze­wi­działa funk­cjo­no­wanie cząstek mających prze­nosić jedną z sił pod­sta­wo­wych oddzia­ły­wanie słabe. Po kilku latach i miliar­dach euro zain­we­sto­wa­nych w apa­ra­turę, osią­gnięto cel: uchwy­cono bozony W+, W- i Z, a obaj teo­re­tycy podzie­lili się nagrodą Nobla. Brzmi znajomo?

Jak widać, badania z zakresu fizyki cząstek ele­men­tar­nych, niemal od początku sta­no­wiły oczko w głowie komisji noblow­skiej. Możemy roz­pra­wiać nad tym, czy sukcesy Richtera lub Perla były rów­no­ważne odkryciu Cha­dwicka. Bo w końcu o neu­tronie, pod­sta­wowym ele­mencie jądra atomu słyszał każdy, a nazwy czar­mo­nium i taonu raczej nie znajdą się w słowniku prze­cięt­nego Kowal­skiego. Nie zmienia to faktu, że każda nowa cząstka mówi nam coś o mecha­ni­zmach rzą­dzą­cych rze­czy­wi­sto­ścią. A zasto­so­wania prak­tyczne? Kiedy Ernest Ruther­ford odbierał Nobla za udo­wod­nienie ist­nienia jądra ato­mo­wego, był święcie prze­ko­nany, że wydo­bycie z niego energii po wsze czasy pozo­stanie motywem science-fiction. Dziś dokładna zna­jo­mość kon­strukcji atomu jest kluczowa. Kto wie, czy jutro nie odkry­jemy poten­cjału drze­mią­cego w taonach, cząst­kach J/ψ i bozonach Higgsa.
Odkrycie bozonu było nie­zwykle ważne dla potwier­dzenia, że nasze wyobra­żenie o struk­turze Wszech­świata jest poprawne. Ale trudno go od razu wyko­rzy­stać, bo jako odrębny byt „bozon Higgsa” trwa bardzo krótko. Zna­le­zienie dla niego zasto­sowań wykracza poza dzi­siejszą wiedzę, opra­co­wanie tech­no­logii opartych na naszych teoriach to praca dla przy­szłych pokoleń.
~ Peter Higgs

Bo odnaleźliśmy brakujące ogniwo Modelu Standardowego

Cała nasza wiedza na temat budowy wszech­świata, zamknięta jest w Modelu Stan­dar­dowym. Teoria wygląda jak wielkie puzzle: poszcze­gólne skrawki ukła­danki to cegiełki budujące materię lub zaprawa wyzna­cza­jąca zasady jej funk­cjo­no­wania. Kiedy brakuje jakiegoś elementu, ana­li­zując sąsiednie frag­menty, możemy domnie­mywać jaki powinien być jego kształt. Jeszcze kilka dekad temu luk znaj­dy­wa­liśmy całkiem sporo: nie mieliśmy kwarków t, taonów, neutrin tao­no­wych, ani wspo­mnia­nych bozonów oddzia­ły­wania słabego. Braki te rzucały się jednak fizykom w oczy i wie­dzieli czego powinni szukać. Ana­lo­gicznie, obecność pola nada­ją­cego masę i jego bozonu, postu­lo­wano już pół wieku temu.

Istniała (wielu twierdzi, że nadal istnieje) realna moż­li­wość, że Model Stan­dar­dowy jest błędny; że pewnym krokiem stąpamy po bardzo kruchym lodzie, naiwnie sądząc, iż mamy pod sobą stały grunt. Od dawna łączymy niemal wszystkie zjawiska przyrody z różnymi cząst­kami i oddzia­ły­wa­niami (prze­no­szo­nymi zresztą przez cząstki). Mieliśmy również podstawy by utoż­sa­miać pod­sta­wową cechę materii – jaką jest masa – z dzia­ła­niem jakiegoś pola i jego bozonu. Ale co byłoby gdybyśmy dowiedli, że tak naprawdę one nie istnieją?

Cała misternie pro­jek­to­wana kon­strukcja dosta­łaby potęż­nego kopniaka i mało praw­do­po­dobne by coś ją ocaliło. W zasadzie nawet gdyby cząstka Higgsa istniała, ale jej wła­ści­wości zbyt odbie­ga­łyby od pier­wot­nych prze­wi­dywań, fizycy również mieliby powody do nie­po­koju. Puzzel nie paso­wałby do reszty, co zmu­si­łoby fizyków do zasta­no­wienia się, czy aby na pewno mamy pojęcie jaki obrazek układamy. Na szczę­ście teo­re­tycy zdali swój spraw­dzian na piątkę z plusem. Dawno temu założyli, że bozon powinien posiadać spin 0 oraz nie ujawnić się przy ener­giach niższych niż 100 GeV i obli­czenia ich nie zawiodły. Nie daje to jeszcze gwa­rancji, że Model Stan­dar­dowy jest dopra­co­wany do per­fekcji, ale jeśli jakaś rewo­lucja nastąpi, to raczej wykaże jego drugie dno aniżeli go obali.

Bo wiemy czym jest masa

Wszyscy rozu­miemy intu­icyjnie co oznacza pojęcie masy. Jednak aż do odkrycia Higgsonu nie mieliśmy pojęcia co powoduje to pod­sta­wowe zjawisko w kon­tek­ście mikro­świata. Fizycy odkry­wając kolejne cząstki zauwa­żyli, że nie­rzadko mają one iden­tyczne wła­ści­wości. Niemal iden­tyczne. Z nie­wia­do­mych powodów roz­róż­niała je jedynie wartość masy spo­czyn­kowej. Co więcej, masy spo­krew­nio­nych ze sobą cząstek nie przed­sta­wiały żadnej regu­lar­ności ani porządku. Co spo­wo­do­wało ich roz­róż­nienie? Czy bardziej po fizycz­nemu: co złamało symetrię?

Impli­kacje naszej igno­rancji sięgały bardzo daleko. Kiedy Weinberg i Glashow tworzyli teorię oddzia­ływań elek­tro­sła­bych, mającą łączyć w sobie elek­tro­ma­gne­tyzm z oddzia­ły­wa­niem słabym, założyli że w pewnych warun­kach fotony mogą się zacho­wywać podobnie do cząstek W i Z. Tyle tylko, że foton przenosi oddzia­ły­wanie niemal bez ogra­ni­czeń bo nie posiada żadnej masy spo­czyn­kowej a wuony i zetony są wręcz nie­prze­ciętnie ciężkie. Sta­ra­jącym się o Nobla fizykom, wyja­śnienie tego roz­dź­więku było potrzebne „na wczoraj”. Nic dziwnego, że w despe­racji zgodzili się na zaadap­to­wanie nawet dale­kiego od wery­fi­kacji wyja­śnienia, autor­stwa swojego kolegi z Edyn­burga. Dla Petera Higgsa sprawa wyglą­dała nastę­pu­jąco: cały wszech­świat wypełnia pole (Higgsa, a jakże!), a poszcze­gólne cząstki posia­dają prze­różną wraż­li­wość na jego obecność. W uprosz­czeniu pole Higgsa często porów­nuje się do cieczy w zbior­niku. Obiekty opływowe będą bez prze­szkód się w niej poruszać, inne, bardziej kan­ciaste, trafią na opór. Podobnie jest z cząst­kami: taon silnie oddzia­łuje z polem Higgsa, neutrino bardzo słabo, a foton w ogóle.

Uzbro­jeni w taką kon­cepcję naukowcy, mogli dojść do nie­zwy­kłej kon­kluzji. Kiedyś, przed 13 miliar­dami lat, był moment gdy wszystkie cząstki posia­dały iden­tyczną masę spo­czyn­kową. Zero. W takim świecie cząstki należące do jednej rodziny, odzna­cza­jące się jed­na­kowym spinem i ładun­kiem elek­trycznym jak elek­trony, taony i miony mogły być nie­roz­róż­nialne. Istniała piękna symetria. Wreszcie, zgodnie z zamysłem Wein­berga i Glashowa, przy odpo­wiednio wysokiej energii, fotony oraz bozony W i Z stapiały się w jedno. Przed wyod­ręb­nie­niem się w ogniu wiel­kiego wybuchu pola nada­ją­cego masę, elek­tro­ma­gne­tyzm wraz z oddzia­ły­wa­niem słabym tworzyły poje­dynczą siłę, oddzia­ły­wanie elek­tro­słabe.


Zarówno prace nad fuzją jądrową jak i zare­je­stro­wa­niem bozonu Higgsa, zasłu­gują na naj­wyższe wyróż­nienie. Różnica spro­wadza się do tego, że w tym pierw­szym przy­padku dokładnie wiemy do czego dążymy (choć do prze­my­sło­wego wyko­rzy­stania fuzji nam bardzo daleko), nato­miast fizycy cząstek ele­men­tar­nych wykuwają potężne, ale bardzo ogólne i abs­trak­cyjne narzę­dzia. Szlak prze­tarty dzięki Higgsowi, Engler­towi i świętej pamięci Broutowi, pomoże nowemu poko­leniu naukowców w zbli­żeniu się do obrazu wcze­snego wszech­świata, udo­sko­na­leniu teorii inflacji kosmo­lo­gicznej, opisaniu pier­wotnej symetrii, pracach nad teorią wszyst­kiego i wielu innych bada­niach. Na razie wiemy tylko (aż?), że fizyka porusza się po wła­ści­wych torach.

Tego­roczny Nobel trafił w godne ręce.

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.

  • Czą­stecz­kowy potwór

    Przyznam że o fuzji dowie­działem się dopiero od ciebie, ale zacząłem szukać. W obliczu tego odkrycia fak­tycznie nobel dla higgsonu wydaje się ciut kon­tro­wer­syjny, ale tylko ciut ciut :).

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/17014371180036661675 Jacek K.

    O co chodzi z ta fuzją jądrową. Próbuje kliknąć na poma­rań­czowy tekst a link nie działa. Czy chodzi o to:
    http://www.geekweek.pl/aktualnosci/17500/wielki-przelom-w-fuzji-jadrowej
    To jest oszustwo. Nawet jeśli nie jest to musi trochę dojrzeć do zdobycia nagrody Nobla.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Skąd infor­macja o oszu­stwie? Przy­znaję się bez bicia, że o tym „prze­łomie” wiem tyle ile widziałem na kilku ser­wi­sach.
      Zgadzam się nato­miast, że nawet jeżeli sukces rze­czy­wi­ście nastąpił, nikt nie powie­dział, że musi zostać nagro­dzony natych­miast. Z kolei odkrywcom Higgsonu się nieco śpie­szyło: jeden nie żyje, a dwóch prze­kro­czyło osiem­dzie­siątkę =).

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Witam. Taka mała uwaga: spora część wymie­nio­nych przez ciebie fizyków nagro­dzo­nych NN to nie teo­re­tycy tylko eks­pe­ry­men­ta­torzy… I tak James Franck (razem z Hertzem) nagrodę otrzy­mali za eks­pe­ry­ment potwier­dza­jący dys­kretną struk­turę poziomów ener­ge­tycz­nych w atomie. Carlo Rubbia i Simona van der Meer NN otrzy­mali za „work leading to the disco­very of the W and Z par­ticles at CERN” więc niczego nie prze­wi­dzieli 😉
    Tutaj mała dygresja na temat Noblów z fizyki cząstek ele­men­tar­nych. Prak­tycznie zawsze po odkryciu nowej cząstki (prze­wi­dzianej przez Model Stan­dar­dowy) nagrodę dosta­wali eks­pe­ry­men­ta­torzy, bardzo często szefowie wie­lo­oso­bo­wych zespołów danego eks­pe­ry­mentu (np. wymie­nieni Rubbia, Richter, Perl).
    Z odkry­ciem bozonu Higgsa niestety jest trochę inaczej. Jego odkrywcy: eks­pe­ry­menty ATLAS i CMS to łącznie ponad 6000 osób – ciężko byłoby znaleźć tą naj­bar­dziej odpo­wiednią osobę (lub nawet dwie) która miałaby naj­większy wkład w odkrycie. Ale nie narze­kajmy: skoro Nobel powę­drował do samego Higgsa – to też promuje odkrycie 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Masz zupełną rację. Nawet w jednym wywiadów sam Higgs przyznał, że ekipa pra­cu­jące w CERN nad zna­le­zie­niem cząstki, również powinna zostać nagro­dzona. No ale jak wiadomo, Nobla dzielimy mak­sy­malnie przez trzy =).

      W całym tekście chciałem pokazać, że nagro­dzeni teo­re­tycy zrobili coś więcej niż wymy­ślenie jakiegoś bozonu. Ich pomysł był tak istotny, że jeszcze przed jego wery­fi­kacją budowano na nim inne teorie, również hono­ro­wane Noblem. Weinberg z kolegami, pośrednio zawdzię­czają swoją sławę obli­cze­niom Higgsa, Brouta i Englerta.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Ano­ny­mous

      Nie­zu­pełnie. Otóż Glashow skon­stru­ował „rdzeń” teorii oddzia­ływań elek­tro­sła­bych już w roku 1961. Nie spre­cy­zował tylko mecha­nizmu pocho­dzenia masy bozonów W i Z. W takim kształcie teoria ta mogła wyja­śniać wszystkie rzeczy później zmie­rzone do ery LEPu włącznie (eks­pe­ry­ment zamknięty w roku 2000!). A było ich na prawdę sporo 🙂
      Problem zaczął się, gdy teo­re­tycy zaczęli obliczać procesy dla naprawdę wysokich energii (>1TeV). Dosta­wali różne roz­bież­ności. A jak wiadomo: gdy teoria pro­du­kuje bzdury, to jest zła 🙂
      Z pomocą przyszli Weinberg i Salam, którzy (nie­za­leżnie) w roku 1967 włożyli mecha­nizm zapro­po­no­wany przez Higgsa (1964) do ory­gi­nalnej teorii Glashowa.
      Za swoje prace Glashow, Weinberg i Salam zostali uho­no­ro­wani NN w 1979 – za „wkład w rozwój teorii oddzia­ływań elek­tro­sła­bych”. Same prądy neu­tralne (bozon Z) odkryto już w 1974.
      A co z Higgsem? Zanim eks­pe­ry­men­talnie osią­gnięto tak wysokie energie (rzędu TeV) i osta­teczne potwier­dzono jego część Modelu Stan­dar­do­wego, minęło sporo czasu (2012). Dlatego też dopiero w tym roku mógł się „zuni­fi­kować” z pozo­sta­łymi Nobli­stami odpo­wie­dzial­nymi za rozwój MS 🙂

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/17063587568842611075 Marek Zajusz

    Oso­bi­ście uważam, że w tym wypadku nagroda Nobla jest przy­znana słusznie. I to nie przez fakt, że odkrywcą się „śpie­szyło”. W historii nieraz zdarzało się, że odkrywca nie dożył do przy­znania mu nagrody, ponieważ po kilku wpadkach przyjęto zasadę, że osią­gnięcie musi być zwe­ry­fi­ko­wane także przez czas. Kto wie, może Rossi nie kłamie i wtedy osią­gnięcie ludzi z NIF’u będzie prak­tycznie bez zna­czenia.
    Przy­dat­ność odkrycia Bozonu Higgsa co prawda nie została jeszcze zwe­ry­fi­ko­wana, ale potwier­dziła ona słusz­ność modelu stan­dar­do­wego.
    Może jako cie­ka­wostkę dodam, że Einstein do nagrody Nobla był zgła­szany 11 razy. W więk­szości przy­padków jako powód nomi­nacji podawano opra­co­wanie teorii względ­ności, która dla komitetu noblow­skiego była zbyt „niepewna”. Dopiero zgło­szenie wyja­śnienie zjawiska foto­elek­trycz­nego pozwo­liło mu na uzy­skanie tej nagrody.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    kom­pro­mi­tu­jące przy­znanie nagrody za oczy­wiste oszustwo.przyklad degrn­go­laDY MORALNEJ . BO TO JUZ NIE TYLKO POKOJOWY NOBe lDLA NIKOGO.Jak i całe LHC co pro­du­kuje coś czego niema i nie będzie,bo nie ma takiej cząstki ktrej tam nie udałoby się odkryć.Wszyscy widzą durnote tego faktu tzn;bozonu i soli­darnie milczą.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Prze­pra­szam Cię bardzo, ale w całym Twoim poście nie ma ani jednego kon­kret­nego zarzutu czy argu­mentu. Prawdę mówiąc w ogóle nie wiem co pró­bu­jesz prze­kazać i myślę, że sam nie bardzo wiesz.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Ano­ny­mous

    Dobry artykuł!

    Ja od siebie mogę dodać: dobrze że się tyle dzieje w dzie­dzinie fizyki, że w mię­dzy­na­ro­dowej orga­ni­zacji jaką jest CERN (tu Polacy mają też swój wkład naukowy i współ­fi­nan­sują jej dzia­łal­ność) dużo się dzieje (nie tylko badania naukowe, wymiana wiedzy i zasobów, współ­praca z innymi jed­nost­kami nauko­wymi ale wyna­lazki tech­no­lo­giczne wpro­wa­dzone do życia codzien­nego) i widać tego efekty! 

    Nobla ofi­cjalnie w dzie­dzinie fizyki dostał Higgs i Englert a współ­two­rzyło tą teorię pięć mądrych głów, a wykryło (w detek­to­rach ATLAS i CMS) znacznie więcej osób. Jednak, że Nagrodę Nobla można przyznać max dla 3 osób więc dobrze, że tak się stało. CERN nato­miast został bardziej roz­re­kla­mo­wany (również na tego­rocz­nych Dniach Otwar­tych), więcej ludzi dowie­działo się co tam się tworzy, a pra­cow­nicy (naukowcy, inży­nie­rowie) mają dalszą misję i moty­wację do dzia­łania! 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Terra

    Ja tak na prawde nie wiem intu­icyjnie co oznacza pojęcie masy. Ale pole Higgsa to tylko czesc masy, nie nadaje calej masy czastom. Wiec jeszcze mniej intu­icyjne.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0