Bozon Higgsa, czyli dawca masy, czasu i nie tylko

Latem 2012 roku miało miejsce bodaj najbardziej medialne odkrycie w historii fizyki cząstek elementarnych. Jednak mimo upływu pełnej dekady od tej wielkiej wrzawy, nadal mało kto zdaje sobie sprawę z roli, jaką odgrywa bozon Higgsa w opisie masy, czasu i… oddziaływania słabego.

Nie nadążam za szczegółami fizyki cząstek.

Murray Gell-Mann

Nie-boska cząstka

Nie ulega wątpliwości, że cząstka, którą za moment spróbuję wam przedstawić jest wyjątkowa. Tak bardzo, że noblista i nieodżałowany popularyzator fizyki, Leon Lederman, posunął się wręcz do określenia jej podniosłym mianem boskiej cząstki. Na pewno nie raz słyszeliście tę nieoficjalną nazwę, ponieważ perfekcyjnie trafiła ona w gusta dziennikarzy i czytelników, co przyniosło dwojaki skutek. Z jednej strony mniej lotna część społeczeństwa wzięła sprawę zbyt dosłownie, upatrując w poszukiwanym bozonie religijnych konotacji lub bluźnierstwa. Z drugiej, nawet osoby nieodróżniające neutronu od neutrina, usłyszały wreszcie o Wielkim Zderzaczu Hadronów i długoletnich polowaniach na arcyważny element modelu standardowego – czymkolwiek by on nie był.

Sam Peter Higgs stwierdził później, pół żartem, pół serio, że postulowany przez niego obiekt powinien raczej nosić nazwę “cholernej cząstki”, z uwagi na trudności towarzyszące jej wykryciu. Tak czy inaczej, fama poszła w świat i chyba nie ma sensu dalej kruszyć kopii, apelując o stosowanie mniej pretensjonalnego nazewnictwa. Zresztą brzmiący bardziej naukowo higson, czy też bozon Higgsa, również nie jest wolny od kontrowersji z uwagi na wysuwanie przed szereg tylko jednego z grona zacnych fizyków, biorących udział w kształtowaniu szalenie skomplikowanej teorii. (Pozwolę sobie na ten drobny ukłon i wymienię w tym miejscu François Englerta, Roberta Brouta, Carla Hagena, a także głównych architektów modelu standardowego: Sheldona Glashowa, Abdusa Salama oraz Stevena Weinberga, którzy również dorzucili tu swoje trzy, może nawet cztery grosze).

Peter Higgs i François Englert
Peter Higgs i François Englert podzielili się Nagrodą Nobla w roku 2013. Robert Brout zmarł na rok przed odkryciem bozonu Higgsa.

Co zabawne, złowiona w 2012 roku cząstka rzeczywiście pełni fundamentalną rolę w przyrodzie i zasługuje na najdonioślejsze tytuły. Tyle tylko, że medialny slogan opowiadający o “mechanizmie, któremu zawdzięczamy masę naszych ciał” – to dość gruba nadinterpretacja, a jednocześnie spłaszczenie istoty problemu. Bo widzicie, owszem, “boska cząstka” wspaniale uzupełniła naszą teorię budowy materii i ma sporo wspólnego z pojęciem masy – ale na swój subtelny sposób, dość daleko odbiegający od narzucających się powszechnie skojarzeń. Jeszcze przed zakończeniem lektury tego artykułu, zrozumiecie dlaczego liczne memy i żarty łączące bozon Higgsa z problemem otyłości, choć czasem bardzo pomysłowe, w zasadzie nie mają większego sensu.

Higgson nadaje innym cząstkom masę

Na dobrą sprawę, równie dobrze zamiast “boskiej” moglibyśmy rozmawiać o “diabelskiej cząstce”, gdyż najważniejszym osiągnięciem bozonu Higgsa pozostaje dewastacja. Konkretniej, bezceremonialne i brutalne rozbicie pierwotnej symetrii cechującej cały wszechświat, zaraz po jego narodzinach.

Na początku była symetria

Pierwsze mikrosekundy były zdecydowanie najbardziej dynamicznym okresem w dziejach kosmosu. W piekle wielkiego wybuchu zachodziły niesłychanie skomplikowane procesy, które doprowadziły do wytrącenia wszystkich cegiełek budujących naszą materię oraz dyrygujących tym wszystkim czterech oddziaływań. Oznacza to jednocześnie, że zanim nastał cały fizyczny harmider, wszechświat nie posiadał jako takiej materii i znanych nam obecnie sił przyrody. Panował stan, w którym fizyk teoretyczny dopatrzyłby się zapierającej dech w piersi symetrii. W najgłębszym możliwym znaczeniu tego słowa.

Na ogół pojmujemy symetrię przez pryzmat geometrii. Piłeczka golfowa zachowuje elegancką symetrię, ponieważ niezależnie od obrotu zawsze wygląda tak samo. Możemy ją również przeciąć wzdłuż średnicy aby otrzymać dwie identyczne połówki. Wystarczy jednak abyśmy nacięli piłeczkę w którymś miejscu, przypalili lub wywiercili dziurę, żeby jej doskonała symetria została złamana. W odniesieniu do całego wszechświata, symetria bywa rozumiana szerzej i ciut bardziej abstrakcyjnie – jako zasady zachowania wielkości (ładunku, energii, pędu), reguły parzystości (symetria CP), zdumiewająca jednorodność mikrofalowego promieniowania tła, uniwersalność praw natury – ale ostatecznie, chodzi mniej więcej o to samo. O pewien rodzaj dającej się wyrazić matematycznie harmonii, która z różnych przyczyn może ulegać oszpeceniu.

Wiedząc o zamiłowaniu natury do nieskazitelnej równości, gładkości i niezmienniczości, mamy pełne prawo zastanawiać się nad tym, dlaczego w ogóle istniejemy. Bo czy miłujący symetrię kosmos nie powinien przypominać jednorodnej zupy, bliźniaczej w każdym skrawku swojej przestrzeni? Nie jest to wyłącznie eksperyment myślowy, albowiem tak właśnie nasze modele kosmologiczne przedstawiają wszechświat w wieku niemowlęcym. Przy ekstremalnie wysokiej energii nie było gwiazd, planet, czy choćby atomów, a powykręcaną czasoprzestrzeń wypełniała ławica absolutnie nierozróżnialnych pracząstek. Model standardowy nie istniał. Elektron był tym samym co mion, a mion tym samym co taon. Wszystkim bezimiennym składnikom symetrycznej zupy najbliżej było do pospolitych fotonów, nieskrępowanych masą czy ładunkiem elektrycznym. 

Wystarczyło niemierzalnie krótkie tyknięcie zegara i minimalne zmniejszenie temperatury, aby na powierzchni tego doskonałego kryształu uwidoczniły się pierwsze pęknięcia. To był klucz do zaistnienia wszystkiego co znamy. Podobne fotonom arcysymetryczne, płochliwe drobiny nie byłyby w stanie jakiejkolwiek trwałej struktury, nie mówiąc już o żywych organizmach. Tak więc cząstki nabierały cech, dochodziło do wzajemnych interakcji, pojawiały się kolejne oddziaływania i przenoszące je pola kwantowe. A do jednego z tych pierwotnych pęknięć w symetrii doprowadziła cząstka, nazwana 13,82 miliarda lat później bozonem Higgsa.

Bezmasowe pracząstki

Zanim przejdziemy dalej, musimy głębiej rozpatrzeć analogię między symetryczną zupą cząstek powstałych w momencie wielkiego wybuchu i fotonami będącymi nośnikami elektromagnetyzmu. Jak powiedzieliśmy, kwant światła nie posiada masy (używając muzealnej terminologii, nie ma masy spoczynkowej). Tylko co to tak naprawdę oznacza? Najbardziej klasyczna definicja masy mówi nam, że jest ona miarą ilości materii, czy też miarą bezwładności. Jeżeli ciało posiada dużą masę, trudniej nam je wprawić w ruch, niż inne ciało o masie mniejszej. Jednak w przypadku fotonu mamy do czynienia z masą równą zeru, więc problem ulega odwróceniu. Foton puszczony w próżni samopas nigdy się nie zatrzyma, pędząc przez przestrzeń z najwyższą dopuszczalną przez fizykę prędkością. Prędkością światła.

Ale nie to nas interesuje najbardziej. W 1905 roku Albert Einstein opublikował swoją szczególną teorię względności. Jak zapewne pamiętacie, rozczochrany fizyk postulował w niej, że czas pozostaje względny i zależny od ruchu obserwatora. Jeśli wsiądziecie na pokład rakiety i zaczniecie krążyć wokół Ziemi z prędkością bliską światłu, po powrocie z satysfakcją zauważycie, że nie zestarzeliście się tak mocno jak wasi rówieśnicy. Ta sama zasada dotyczy cząstek elementarnych. Jeśli wiemy, że pozostająca w stanie spoczynku cząstka ulega rozpadowi po upływie milionowej części sekundy, to przyśpieszając ją w akceleratorze wydłużamy jej żywot setki, tysiące lub miliony razy. Gdybyśmy byli w stanie nadać jej prędkość światła, to nie rozpadłaby się nigdy. Jej wewnętrzny zegar przestałby tykać, cząstka zastygłaby w czasie. Niestety to niemożliwe, bowiem – jak uczy Einstein – ciała obdarzonego masą, nawet tak małą jak elektron lub neutrino, nie da się rozpędzić do 100% prędkości c.

Pole Higgsa daje masę
Cząstki sprzężone z polem Higgsa nabierają masy, w związku z czym nie mogą osiągnąć prędkości światła.

Z tego punktu widzenia foton wydaje się niezwykły. Nie musimy go przyśpieszać, bo chcąc nie chcąc on zawsze porusza się z prędkością światła. Co za tym idzie, z punktu widzenia fotonu pojęcie czasu traci sens, Nawet jeśli z naszej perspektywy od wielkiego wybuchu upłynęło kilkanaście miliardów lat, to dla wyemitowanego wtedy kwantu światła nie minęła nawet sekunda.

Kiedy więc podejmiemy tytaniczne wyzwanie wyobrażenia sobie przedwiecznej brei cząstek o doskonałej symetrii, o identycznej masie równej zero; myślimy o wszechświecie wypełnionym obiektami dla których zegar stoi w miejscu. Aż chce się zadań pytanie, czy jeśli nie istnieje żaden obiekt odczuwający upływ chwili, to czy w ogóle można mówić o istnieniu czasu? Zostawmy to jednak na boku i przejdźmy do bardziej fizycznych problemów.

Cząstki zaczynają tykać

Mogłoby się wydawać, że czas nie ma większego znaczenia z perspektywy obiektów subatomowych. W końcu, jaką robi różnicę jakiejś nieświadomej cząstce czy czas istnieje czy nie? A jednak. Okazuje się, że nawet najmniejsze obiekty posiadają wewnętrzne zegarki i są zdolne do przechodzenia przemian w określonych odcinkach czasowych. Najlepszym przykładem takiego procesu są wspomniane już wcześniej rozpady cząstek.

Dla niektórych może być to zaskakujące, ale właśnie próba dokładnego zrozumienia zjawiska rozpadu (dokładniej rozpadu beta minus) naprowadziła badaczy na trop bozonu Higgsa. Pokolenie fizyków nie dumało wcale nad praprzyczyną fenomenu masy, lecz usiłowało skompletować opis słabego oddziaływania jądrowego. Samo oddziaływanie słabe pozostaje złożonym i niezwykle ciekawym zagadnieniem, które doczekało się na blogu osobnego opracowania. W tym miejscu chcę jedynie przywołać stosowne minimum, konieczne dla zrozumienia prawdziwej roli higsonu, będącego de facto pomocnikiem nośników ładunku słabego. Ale powoli.

Jak ustaliliśmy, cząstki mogące pochwalić się masą różną od zera pozostają dynamiczne. W pewnym sensie fundamentalne cegiełki materii bez przerwy tykają. Nie jak zegar, raczej podobnie do metronomu pomagającego muzykom złapać rytm. Oczywiście elektron, mion czy taon nie posiadają żadnej wychylającej się wte i wewte wskazówki lub wahadła. Jego rolę pełni pewna fizyczna właściwość nazywana skrętnością. Cząstka zachowuje się niczym małe wiertełko, wirujące zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub odwrotnie.

Podkreślam, bo to kluczowe: nie jest tak, że jedne cząstki są lewoskrętne a inne prawoskrętne. To jedna i ta sama cząstka oscyluje w czasie między prawoskrętnością i lewoskrętnością. Wte i we wte, tykając niczym metronom.

Spostrzegawczy czytelnik już w tym miejscu zauważy niezbędność fenomenu masy. Gdybyśmy ją nagle wyłączyli, cząstka nie byłaby w stanie oscylować i zastygłaby w jednym z dwóch stanów. Co z tego? Jak zaraz się przekonamy, stany te mają znacznie i nieco różnią się charakterystyką. Oznacza to, że bez pola Higgsa przykładowy prawoskrętny mion byłby fizycznie inną cząstką od mionu lewoskrętnego. Cały wszechświat wyglądałby zupełnie inaczej.

Słaby ten Higgs

Przejdźmy teraz do obiecanej sprawy oddziaływania słabego. Jest ono jednym z czterech – obok grawitacji, elektromagnetyzmu i oddziaływania silnego – filarów funkcjonowania fizycznej rzeczywistości. Jednak, podobnie jak w przypadku silnego oddziaływania jądrowego, na co dzień nie zaprzątamy sobie nim głowy. To dlatego, że jego głównym zadaniem pozostaje pośredniczenie w przeważnie niewidzialnym dla ludzkiego oka procesie rozpadu cząstek.

O tym jak oddziaływanie słabe działa najłatwiej przekonać się na przykładzie mionu, czyli masywniejszego kuzyna elektronu. Spoczywający mion potrzebuje około dwóch mikrosekund na rozkład z wyzwoleniem neutrina mionowego, elektronu i antyneutrina elektronowego. Jednak nie dzieje się to w tak prosty i intuicyjny sposób, w jaki rozpada się roztłuczony talerz. W pierwszym momencie z mionu wylatuje neutrino mionowe i tajemnicza, zaskakująco masywna cząstka nazywana bozonem W (wuonem) i dopiero z niej wyskakuje elektron i antyneutrino elektronowe. Pośrednik w formie wuonu jest szczególną drobiną, istniejącą wyłącznie ułamek sekundy i tylko przez dobrodziejstwo kwantowej natury próżni (jeśli nie słyszałeś o tym zagadnieniu, powinieneś udać się do tego tekstu). Zgodnie z zasadą nieoznaczoności, przyroda ma prawo “wypożyczyć” odrobinę energii, aby na moment wykreować sobie potrzebny bozon i zaraz ją zwrócić. Gdyby wuon był lżejszy, miałby odpowiednio większe prawdopodobieństwo powstania, a cząstki ulegałyby szybszym i częstszym rozpadom.

Teraz najważniejsze. Fizycy zauważyli, że oddziaływanie słabe atakuje wyłącznie cząstki w stanie lewoskrętności. Innymi słowy jedynie cząstki lewoskrętne wydają się wrażliwe na obecność ładunku słabego i tylko podczas tyknięcia w lewo mają szansę na rozpad. 

Rozpad mionu
Mion (masywniejszy kuzyn elektronu) ulega szybkiemu rozpadowi na neutrino mionowe, a także, za pośrednictwem oddziaływania słabego, na antyneutrino i elektron. Co istotne, cząstka ma szansę na rozpad tylko wtedy, kiedy akurat przebywa w stanie lewoskrętności; w innym wypadku zachowuje stabilność.

To doprawdy koszmarna informacja! Mamy tu przykład ordynarnego zlekceważenia zasad symetrii. Przekładając nasz problem na język stosowany przy opisie elektromagnetyzmu, powiedzielibyśmy, że cząstka lewoskrętna posiada ładunek ujemny i konwertuje w cząstkę prawoskrętną o ładunku zerowym. Co jak co, ale fizyka propaguje pełne równouprawnienie i na takie rzeczy zwykle nie pozwala. Ładunek nie ma prawa ot tak nagle zniknąć, bo gwałciłoby to zasadę zachowania.

W takiej sytuacji teoretyk wręcz musi założyć udział w zabawie kolejnego gracza, który przywróci w równaniach ład i porządek.

Dlaczego bozon Higgsa musiał istnieć?

Wtem na scenę wmaszerowuje dziarskim krokiem bozon Higgsa. Aby wszystko zgrywało się w spójną całość, przestrzeń całego wszechświata musi pozostawać wypełniona kwantowym polem skalarnym, którego nośnik posiada ujemny ładunek oddziaływania słabego. Tykająca od lewa do prawa cząstka nieustannie korzysta z pomocy właśnie tego pola. Rozpatrzmy to.

Prawoskrętny mion posiada początkowo neutralny ładunek słaby, ale wchodzi w interakcję z wszechobecnym higsonem o ujemnym ładunku słabym i przekształca się w mion lewoskrętny, przyjmując od niego ładunek słaby. Sam bozon Higgsa nosi znamiona cząstki wirtualnej (podobnie do wspomnianego już wuonu czy opisanego w innym tekście mezonu pi), mogącej spontanicznie pojawiać się i znikać w kwantowej próżni. Mion lewoskrętny, jak już wiemy, ma prawo ulec rozpadowi lub znów zmienić się w mion prawoskrętny, oddając natychmiast próżni to co zabrał – czyli ładunek słaby. Zasada zachowania zostaje podtrzymana, ponieważ ładunek nigdzie nie znika, a jedynie podlega ciągłemu przerzucaniu między lewoskrętnymi cząstkami i polem Higgsa.

Pole i bozon Higgsa umożliwiają rozpady cząstek
Ładunek oddziaływania słabego mogący spowodować rozpad jest jak gorący kartofel przerzucany pomiędzy cząstkami, a otaczającym je polem Higgsa.

W tym całym rozumowaniu ujawnia się potęga fizyki teoretycznej. Widząc czego brakuje François Englert, Robert Brout, Carl Hagen i Peter Higgs, potrafili niezależnie od siebie, na podstawie samych równań i praw fizyki, określić dokładne parametry brakującej cząstki. Skoro mion lewoskrętny nabiera ładunku słabego, nowy bozon musiał posiadać ten właśnie ładunek. Skoro oscylujące cząstki nie zmieniają wartości ładunku elektrycznego, nowy bozon musiał być neutralny elektrycznie. Skoro “tykanie” odwracało jedynie skrętność nie naruszając zwrotu spinu, spin nowego bozonu powinien być równy zeru. I tak dalej. Teoretykom pozostawało jedynie czekać na uchwycenie cząstki o pożądanej charakterystyce, co po dekadach wyczekiwania nastąpiło w 2012 roku.

Odkryto bozon Higgsa

Nie zawdzięczasz mu masy

Nagle coś tak prostego i przyziemnego jak zjawisko masy, okazuje się skrywać drugie, trzecie i czwarte dno. Od tego wszystkiego może zawrócić się w głowie, zwłaszcza, że tak naprawdę nawet nie dotarliśmy do “naszej” masy – to znaczy masy naszych ciał, Ziemi i wszystkich otaczających nas przedmiotów. Jak już zasygnalizowałem w pierwszych akapitach, ta masa tylko w śladowym stopniu wynika z zakulisowej aktywności mechanizmu Higgsa.

Pojedynczy elektron, rzeczywiście, nabywa masę przez sprzężenie z wypełniającym przestrzeń polem Higgsa. Podobnie kwark, mion, taon, czy neutrino. Ale my, ciała o złożonej strukturze, materia barionowa w całej swej okazałości – już nie.

Zaraz zaprotestujecie, węsząc w powyższych słowa brak logiki. Przecież materia skonstruowana jest z atomów, a te zawierają kwarki stłoczone w protonach i neutronach oraz otaczające je chmury elektronów. Tak, to absolutna prawda. Jednak gdybyśmy mieli możliwość “zważenia” każdej z tych cząstek z osobna i zsumowania wyników, okazałoby się, że stanowią one co najwyżej kilka procent masy atomu, z którego je wyciągnęliśmy. Skąd więc bierze się pozostałe dziewięćdziesiąt parę procent?

Zdecydowana większość masy kompletnego atomu, a wraz z nim masa wszystkich makroskopowych obiektów, posiada rodowód relatywistyczny, powiązany z nieśmiertelnym równaniem E=mc². Einstein twierdził, że masa materii jest miarą skumulowanej w niej energii, co okazało się spostrzeżeniem nie tylko trafnym, ale i nadspodziewanie dosłownym. Bo akurat energii – czy to pod postacią energii kinetycznej wiecznie drgających cząstek elementarnych, czy energii wiązań cementujących związki protonów i neutronów – rzeczywiście jest w każdym jądrze atomowym od groma.

Jeśli zatem czujecie się zbyt ociężali, to nie Peter Higgs jest właściwym adresatem pretensji.

Literatura uzupełniająca:
L. Lederman, C. Hill, Dalej niż boska cząstka, przeł. U. Seweryńska, Warszawa 2015;
L. Lederman, D. Teresi, Boska cząstka. Jeśli wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?, przeł. E. Kołodziej, Warszawa 1996 (wspaniała książka, ale uczulam na nieaktualność rozważań dotyczących neutrin);
L. Randall, Pukając do nieba bram. Jak fizyka pomaga zrozumieć Wszechświat, przeł. E. Łokas, Warszawa 2013;
B. Greene, Piękno wszechświata. Superstruny, ukryte wymiary i poszukiwanie teorii ostatecznej, przeł. E. Łokas, Warszawa 2001;
A. Watson, The Quantum Quark, Cambridge 2004;
K. Meissner, wykład Czy cząstka Higgsa ma rodzeństwo?, [online: www.youtube.com/watch?v=LfZIUH8KJiA].

Artykuł został zedytowany przy okazji dziesiątych urodzin higsonu w lipcu 2022 roku.
3 rzeczy, których dowiesz się z książki “Po co człowiekowi czas” Lot Virgin Galactic Unity 22 – Przewodnik dla zabieganych Pęknięty bozon – o cząstce Higgsa i jej rozpadach