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 pięciu lat 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

Bozon o którym będzie mowa dziennikarze ochrzcili boską cząstką, o czym na pewno doskonale wiecie. Sam Peter Higgs pół żartem, pół serio, twierdził, że postulowany przez niego obiekt powinien raczej nosić nazwę “cholernej cząstki”, z uwagi na trudność jej wykrycia. Tak czy inaczej fama poszła w świat i chyba nie ma sensu dalej kruszyć kopii, prosząc o stosowanie mniej pretensjonalnego nazewnictwa. Zresztą brzmiący bardziej naukowo higgson, czy też bozon Higgsa, również nie jest wolny od kontrowersji z uwagi na wysunięcie przed szereg tylko jednego z grona zacnych fizyków, biorących udział w kształtowaniu skomplikowanej teorii. (Warto wykonać ten drobny ukłon i wymienić w tym miejscu François Englerta, Roberta Brouta, Carla Hagena – a także głównych architektów modelu standardowego, którzy również dorzucili tu swoje trzy grosze – Sheldona Glashowa oraz Stevena Weinberga).

Peter Higgs, odkrywca cząstki

Warto zadać sobie pytanie, skąd w ogóle pomysł tak nieskromnego tytułu dla naukowej idei? Jakie skojarzenia nakazały laikom określić poszukiwaną cząstkę wzniosłym mianem “boskiej”? Prawdopodobnie główną przesłanką było kapitalne znaczenie bozonu Higgsa dla istnienia całej materii w obecnym kształcie. W końcu uczeni polowali na cząstkę nadającą wszystkiemu dookoła i nam samym masę! To jest ten moment, w którym czuję się zmuszony do ostudzenia Waszych szanownych głów. I tak, i nie. Owszem, “boska cząstka” wspaniale uzupełniła naszą teorię cząstek elementarnych i rzeczywiście ma sporo wspólnego z pojęciem masy – ale na swój subtelny sposób, dość mocno odbiegający od narzucających się powszechnie skojarzeń. Jeszcze przed zakończeniem lektury tego artykułu, zrozumiecie dlaczego liczne memy i żarty np. łączące bozon Higgsa z problemem otyłości, choć czasem zabawne, tak naprawdę powstały przez kompletne niezrozumienie tematu.

Higgson nadaje innym cząstkom masę

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

Na początku była światłość

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 nimi czterech oddziaływań. Rzecz jasna oznacza to, że nim nastał ten cały harmider, wszechświat nie posiadał jako takiej materii i znanych nam obecnie sił przyrody. Panował stan określany przez fizyków jako w pełni symetryczny, w najgłębszym możliwym znaczeniu tego słowa.

Na ogół pojmujemy symetrię przez pryzmat geometrii. Piłeczka golfowa zachowuje elegancką symetrię, gdyż niezależnie od jej obrotu zawsze wygląda ona 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, a jej symetria zostanie złamana. Wszechświat ujawnia swoją sympatię do symetrii na wiele sposobów. Wypełniające przestrzeń mikrofalowe promieniowanie tła wydaje się niemal równomiernie rozłożone, niosąc temperaturę 2,7 K niezależnie od miejsca pomiaru. Prawa przyrody i stałe fizyczne działają identycznie tak na Ziemi, jak i na Andromedzie czy w pobliżu kwazara 3C 273. Energia w formie promieniowania gamma potrafi doprowadzić do kreacji cząstek materii, przy czym wyemitowanemu elektronowi zawsze towarzyszy dodatnio naładowany pozyton. 

Wiedząc o zamiłowaniu natury do nieskazitelnej równości, gładkości i niezmienniczości, mamy pełne prawo zastanawiać się nad tym, dlaczego w ogóle istniejemy. Czy dążący do symetrii wszechświat nie powinien przypominać jednorodnej, bliźniaczej w każdym calu papki? W istocie fizyka zakłada, że tak właśnie wyglądał wszechświat w wieku niemowlęcym. Przy ekstremalnie wysokiej energii, powykręcaną czasoprzestrzeń wypełniała ławica absolutnie nierozróżnialnych pracząstek. Elektron był tym samym co mion, a mion tym samym co taon. Można by posunąć się do stwierdzenia, że tę pierwotną zupę tworzyła światłość, ponieważ symetrycznym drobinom najbliżej było do fotonów, nieskrępowanych masą czy ładunkiem elektrycznym. 

Jednak wraz ze zmniejszaniem energii, na powierzchni tego doskonałego kryształu przyrody zaczynały uwidaczniać się pęknięcia. Na nasze szczęście, gdyż trudno sobie wyobrazić aby podobne fotonom arcysymetryczne pracząstki, mogły zbudować jakąkolwiek trwałą strukturę. Tak więc cząstki nabierały cech, dochodziło do wzajemnych interakcji, pojawiały się kolejne oddziaływania i przenoszące je pola kwantowe. A do jednego z tych fundamentalnych pęknięć w symetrii doprowadziła cząstka nazywana obecnie 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, tzw. masy spoczynkowej). Tylko co to tak naprawdę oznacza? Otóż 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. Problem ulega odwróceniu: fotonu w zasadzie nie da się zatrzymać, a on sam nieustannie pędzi przez przestrzeń z najwyższą dopuszczalną przez fizykę prędkością, czyli prędkością światła.

Ale nie to nas interesuje najbardziej. W 1905 roku Albert Einstein opublikował swoją szczególną teorię względności. Jak zapewne pamiętacie, postulował w niej, że czas pozostaje względny i zależy od ruchu obserwatora. Jeśli wsiądziecie na pokład rakiety i zaczniecie krążyć wokół Ziemi z bliską światłu prędkością, po powrocie zauważycie, iż Wasi rówieśnicy zestarzeli się znacznie bardziej od Was. 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 nauczał Einstein – ciała obdarzone masą, nawet tak małą jak elektron lub neutrino, nie da się rozpędzić do 100% prędkości c.

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, foton się nie starzeje i nawet jeśli z naszej perspektywy od wielkiego wybuchu upłynęło 13,82 mld lat, to dla wyemitowanego wtedy kwantu światła nie minęła nawet sekunda.

Zachowanie cząstek w czasoprzestrzeni. Cząstka bezmasowa (foton) przemieszcza się wyłącznie w przestrzeni, zostając zamrożona w czasie.

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 pojęcie czasu nie ma żadnego sensu. Aż chce się zadań pytanie, czy jeśli nie istnieje nawet najprymitywniejszy obiekt odczuwający upływu chwili, to czy w ogóle można mówić o istnieniu czasu? Zostawmy to jednak filozofom i przejdźmy do bardziej fizycznych problemów.

Zobacz też: Fotony, czyli bezmasowi hipsterzy zamrożeni w czasie
To trochę nieintuicyjne, ale między 99,99999…% c, jakie osiągają masywne cząstki w akceleratorach, a pełną prędkością światła dostępną fotonowi, leży kolosalna różnica. Gdybyśmy założyli protonowi z akceleratora zegarek i obserwowali jego wskazania, dostrzeglibyśmy efekt dylatacji – wskazówki poruszałyby się wolniej niż na zegarze powieszonym na ścianie. Im bliżej c, tym większa różnica w pomiarze. Jednak proton posiada masę, toteż nie ma na świecie siły, która zdołałaby go rozpędzić do prędkości światła…

Cząstki zaczynają tykać

Mogłoby się wydawać, iż czas nie ma większego znaczenia z punktu widzenia bytów 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 jest wspomniany już wcześniej rozpad cząstki.

Dla wielu będzie to szokiem, ale właśnie próba dokładnego zrozumienia zjawiska rozpadu naprowadziła badaczy na trop bozonu Higgsa. Pokolenie fizyków nie polowało wcale na praprzyczynę istnienia masy, lecz usiłowało skompletować opis oddziaływania słabego. Samo oddziaływanie słabe pozostaje złożonym i niezwykle ciekawym zagadnieniem, które niewątpliwie doczeka się na blogu osobnego opracowania. W tym miejscu chcę jedynie przywołać stosowne minimum, konieczne dla zrozumienia prawdziwej roli bozonu Higgsa, będącego de factonośnikiem 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 we wte 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. (Ściślej jest to wielkość związana ze spinem. O ile cząstka porusza się w kierunku zgodnym ze spinem mówimy o cząstce prawoskrętnej, a jeśli spin wyznacza kierunek przeciwny do ruchu, to mamy cząstkę lewoskrętną).

Podkreślmy: to nie jest tak, że jedne cząstki są lewoskrętne a inne prawoskrętne, lecz pojedyncze cząstki oscylują w czasie między prawoskrętnością i lewoskrętnością. Wte i we wte, właśnie 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. Jak zaraz się przekonamy, owe stany nieco różnią się charakterystyką, ergo bez pola Higgsa przykładowy prawoskrętny mion byłby inną cząstką od mionu lewoskrętnego. (Z drugiej strony, być może gdyby nie bozon Higgsa, materia nie miałaby skąd pobierać ładunku słabego, co w połączeniu z brakiem oscylacji znów dawałoby piękny, doskonale symetryczny wszechświat).

Słaby Higgs

Rozpad mionu za pośrednictwem oddziaływania słabego

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. Nic dziwnego, albowiem jego głównym zadaniem pozostaje pośredniczenie w niezbyt spektakularnym procesie rozpadu cząstek. O tym jak oddziaływanie słabe działa najłatwiej przekonać się na przykładzie mionu, masywniejszego kuzyna elektronu. Spoczywający mion zazwyczaj przed upływem dwóch mikrosekund rozpada się z wyzwoleniem neutrina mionowego, elektronu i antyneutrina elektronowego. Jednakże, nie dzieje się to w taki prosty i intuicyjny sposób, w jaki rozpada się choćby 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 cząstką, istniejącą wyłącznie ułamek sekundy i tylko przez dobrodziejstwo kwantowej natury próżni (jeśli nie słyszałeś o tym zdumiewającym zagadnieniu, odsyłam do tego tekstu). Zgodnie z zasadą nieoznaczoności, przyroda może “wypożyczyć” ogromną energię aby pomóc w wykreowaniu masywnego bozonu, aby po krótkiej chwili 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. 

To doprawdy koszmarna informacja! Mamy tu przykład ordynarnego zlekceważenia zasad symetrii. Przekładając nasz problem na język elektromagnetyzmu, stwierdzilibyśmy, że cząstka lewoskrętna posiada ładunek ujemny i konwertuje w cząstkę prawoskrętną o ładunku zerowym. Co jak co, ale fizyka propaguje równouprawnienie i na takie rzeczy nie pozwala. Ładunek nie ma prawa ot tak nagle zniknąć, bo gwałciłoby to zasadę zachowania. W takiej sytuacji fizyk wręcz musi założyć udział w zabawie kolejnego gracza, który przywróci w równaniach ład i porządek.

Dlaczego bozon Higgsa musiał istnieć?

Wtem na scenę wmaszerowuje bohaterskim 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 neutralny ładunek słaby, wchodzi w interakcję z wszechobecnym higgsonem 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 tym 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

W tym całym rozumowaniu ujawnia się również potęga fizyki teoretycznej. Widząc czego brakuje, zdając się na czystą logikę naukowcy potrafili całe dekady temu dokładnie określić parametry poszukiwanej drobiny. 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 musiał być równy zeru. I tak dalej. Teoretykom pozostawało jedynie czekać na uchwycenie cząstki o pożądanej charakterystyce, co po latach wyczekiwania nastąpiło w 2012 roku.

Ale on Ci nie dał masy

Od tego wszystkiego może się zawrócić w głowie. Wszakże masa wydaje się czymś prostym i przyziemnym. A dodajmy do tego jeszcze jedną, intrygującą informację. Otóż wbrew medialnym przekazom, masy naszych ciał, Ziemi, Słońca i wszystkich otaczających nas przedmiotów, nie mają niemal nic wspólnego z działaniem pola Higgsa. Pojedynczy elektron posiada masę przez sprzężenie z polem Higgsa, a jakże. Podobnie kwark, mion, taon czy neutrino – ale nie my, nie ciała o złożonej strukturze. Zaraz zaprotestujecie, bo przecież nasza materia skonstruowana jest z atomów, a te zawierają kwarki stłoczone w protonach i neutronach oraz otaczające je chmury elektronów. To absolutna prawda, ale gdybyśmy mieli możliwość “zważenia” każdej z tych cząstek z osobna i zsumowania, okazałoby się, że nie stanowią one nawet 1% masy atomu, który budują. Tak naprawdę lwia część masy wszystkich dużych obiektów posiada rodowód relatywistyczny. Pochodzi z nagromadzonej w jądrach wszystkich atomów olbrzymiej energii wiązań, gwarantującej solidność protonów i neutronów.

Jeśli więc czujecie się zbyt masywni, pretensje proszę kierować do Einsteina, a nie do Higgsa.

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].
Nie, bo nie. Garść fizycznych niemożliwości Wszechświat pozbawiony czasu Po co nam Bóg?