Z wykładu: Cząstka Higgsa – Koniec pewnej historii

Wczoraj, w ramach konwersatoriów organizowanych przez katowicki oddział Polskiego Towarzystwa Fizycznego, odbył się gościnny wykład prof. Stefana Pokorskiego z Instytutu Fizyki Teoretycznej UW. Głównym tematem był bozon Higgsa, toteż z wielką ochotą jak i nadziejami na zdobycie nowej wiedzy, wziąłem udział w spotkaniu.

Prof. Pokorski rozpoczął wystąpienie od ważkiego pytania: jaki jest sens badań podstawowych? Po co ludzkości prace teoretyczne, prowadzone często bez konkretnego zastosowania ich w życiu? A skoro już naukowcy muszą zaspokajać swoją ciekawość, to dlaczego tak wielkim kosztem? Wykładowca odpowiedział w formie kilku cytatów, z których dwa spodobały mi się szczególnie:

W. Gladstone: Jaki jest właściwie pożytek z elektryczności?

M. Faraday: Kiedyś przyjdzie dzień, w którym będzie ją można opodatkować.

E. Rutherford: Tylko fantaści wierzą, że można uzyskać energię z atomu.

Zapominamy o tym, iż badania podstawowe tak naprawdę nie są produktem ostatnich dekad, lecz towarzyszą nam nam od wieków. Podobnie jak dzisiaj, laikom zawsze kojarzyły się z bezcelową zabawą teoretyków, którzy zamiast zająć się czymś “pożytecznym” bajali o michałkach. Ostatecznie, zarówno przemyślenia Faradaya i Maxwella dotyczące elektromagnetyzmu, jak i doświadczenia Rutherforda oraz małżeństwa Curie nad promieniotwórczością; okazały się podwalinami pod najważniejsze rozwiązania techniczne.

No dobrze, ale co w takim układzie dała nam praca CERN-u, poza samą wiedzą o istnieniu boskiej cząstki? Jednym słowem, chodzi o zachowanie symetrii, a dokładniej znalezienie punktu jej naruszenia.

Jeżeli czytaliście Kosmiczną Symfonię, to wiecie doskonale, że już jakiś czas temu naukowcy zunifikowali oddziaływanie elektromagnetyczne z widocznym w skali atomowej oddziaływaniem słabym. Ustalono, że przy pewnych energiach istnieje symetria w przestrzeni ładunków elektrycznych i słabych. To oznacza, że przenoszące oddziaływania słabe – bozony W i Z – zachowują się analogicznie do fotonów przenoszących oddziaływanie elektromagnetyczne. Dlaczego więc cząstka W funkcjonuje tylko w bardzo, bardzo małych odległościach, rzędu 10^-15 metra? Gdzie tkwi różnica? Skąd to naruszenie symetrii? Odpowiedź stanowi jedna z liczb kwantowych. Masa.

Bozon przenoszący oddziaływania słabe to prawdziwy grubas wśród cząstek subatomowych, posiadający w przybliżeniu masę 100 razy większą niż cały proton! Z kolei foton, jak powszechnie wiadomo, jest cząstką całkowicie pozbawioną masy, co pozwala mu poruszać się z prędkością prawie 300 tys. km/s w próżni. To tłumaczy dlaczego elektromagnetyzm można swobodnie obserwować w skali makroskopowej, a cząstki W działają jedynie na krótkich dystansach, wewnątrz atomu. Pojawia się jednak drobny problem. Dlaczego podobne cząstki tak drastycznie różnią się masą? Zresztą, ten problem dotyczy całego Modelu Standardowego. Zauważmy, że wiele cząstek elementarnych rozróżniamy wyłącznie na podstawie masy: przykładowo elektron, mion oraz taon, posiadają jednakowy spin i ujemny ładunek, a jednak taon jest wielokrotnie “cięższy” od mionu, a ten od elektronu. Na szczęście dla twórców Modelu, teoria wyjaśniająca ten problem już istniała. Na podobny pomysł pod koniec lat 60., wpadli niezależnie od siebie François Englert, Robert Brout oraz Peter Higgs. Uważali oni, że próżnia jest “niepusta”, czy jak to określił prof. Pokorski, wypełniona “eterem” wpływającym na cząstki elementarne. Wyobraźmy sobie dwa ośrodki: jeden pusty, drugi wypełniony, np. cieczą. W obu, to samo ciało zachowa się zupełnie inaczej. W pierwszym będzie zdawało się “lżejsze” niż w drugim, gdyż ciecz spowoduje tarcie utrudniające jego ruch. Pole Higgsa jest właśnie tą “cieczą” lub “eterem”, naruszającym symetrię cząstek i powodującym to co nazywamy masą.

Fizycy akceptując podstawową teorię cząstek Stevena Weinberga i spółki, niejako w pakiecie przyjęli pomysł pola Englerta-Brouta-Higgsa. Jeżeli wszechświat wypełnia pole nadające masę, to powinna istnieć również cząstka o ściśle określonych cechach, stanowiąca kwant pola skalarnego. Wszyscy zdawali sobie sprawę z tego, jak krucha to konstrukcja. W chwili nagradzania autorów Modelu Standardowego nagrodą Nobla, nikt nie posiadał nawet cienia dowodu na istnienie pola i bozonu Higgsa.

Higgson stał się obsesją i brakującym ogniwem, bez którego naukowcy musieliby szukać całkowicie odmiennych teorii. Pozostali oni jednak lojalni sformułowanym obliczeniom i dzięki ogromnemu zdeterminowaniu, po niemal pół wieku osiągnęli sukces. Minęło dokładnie 45 lat od postawienia pierwszych równań przez Petera Higgsa, do czasu uchwycenia przez CERN w lecie 2012, cząstki o postulowanych przez niego właściwościach.

Skłamałbym pisząc, że jestem w pełni usatysfakcjonowany poziomem merytorycznym wystąpienia. Szczerze mówiąc, odczułem lekkie zdziwienie kiedy profesor, przemawiając w auli zapełnionej głównie studentami i doktorantami fizyki, przez pół godziny tłumaczył czym jest Model Standardowy i w jaki sposób współczesna nauka dąży do unifikacji czterech sił podstawowych. Skoro nawet dla skromnego amatora jak ja, informacje te stanowiły jedynie powtórkę z rozrywki, to nie dziwię się, iż niektórzy obecni bawili się komórkami lub rozwiązywali krzyżówki. Z drugiej strony odczuwam pewną satysfakcję wiedząc, że serwuję moim czytelnikom materiały na poziomie nie gorszym (oczywiście bez warstwy matematycznej) niż ta, którą raczą się zawodowi fizycy.

Przemyślenia o entropii 5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o komecie C/2019 Y4 (ATLAS) Castle Bravo – bardzo pechowa eksplozja