Trzy argumenty za Noblem dla bozonu Higgsa

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 najwyższe wyróżnienie za odkrycie neutronu. Zaraz po tym doceniono Carla Andersona za zarejestrowanie pozytonu. Niedługo po wojnie nagrodę otrzymał Hideki Yukawa, który bezbłędnie przewidział istnienie całej rodziny mezonów. W 1976 Nobel trafił do rąk Burtona Richtera – odkrywcy cząstki J/ψ. W 1988 za zarejestrowanie neutrina mionowego uhonorowano Leona Ledermana. W połowie lat 90. chwili chwały doczekał się z kolei odkrywca taonu, Martin Perl. Ponadto, w sposób szczególny należy podkreślić 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.

Satyra dot. odkrycia bozonu Higgsa

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, Salama 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.

Wszechświat pozbawiony czasu Nobel za fale grawitacyjne – od Einsteina, przez Trautmana, do LIGO 7 intrygujących galaktyk