Sama myśl o badaniu tej najprostszej możliwej interakcji w naturze przyprawia mnie o gęsią skórkę.
Nima Arkani-Hamed, Princeton
Przed południem 4 lipca 2012 roku w siedzibie CERN-u pod Genewą panowała podniosła atmosfera. W głównej auli nie było ani jednego wolnego miejsca, kiedy na ekranie pokazano niepozorny wykres z garbem w okolicy 125 GeV. Siedzący z przodu osiemdziesięciotrzyletni Peter Higgs nie krył wzruszenia. Po ponad pół wieku oczekiwania udało się zarejestrować cząstkę nazwaną jego nazwiskiem.
Radość była w pełni uzasadniona. Dostaliśmy potwierdzenie, że całą przestrzeń wypełnia kwantowe pole, stojące za mechanizmem nadawania cząstkom masy oraz przekazywania ładunku słabego[1]. Ustalono też, że zaburzeniem tego pola jest pozbawiony spinu bozon, ujawniający swoją obecność powyżej określonego progu energetycznego.
Ktoś mógłby pomyśleć, że po takim wyczynie fizycy z czystym sumieniem wyłączą superkomputery, wygaszą akcelerator, potną detektory na żyletki, zdejmą fartuchy i poszukają innego zajęcia. Zamiast tego po kilkunastu latach Wielki Zderzacz Hadronów przechodzi kapitalny remont, po którym będzie produkował jeszcze więcej bozonów Higgsa.
Celów modernizacji można wymienić przynajmniej kilka, ale najważniejszym będzie próba ustalenia kształtu potencjału pola Higgsa[2]. Ten z kolei pozostaje zapisany w rzadkim zjawisku, o którym wiemy na razie bardzo niewiele: w tym, jak bozon Higgsa reaguje sam na siebie.
Natknąłem się kiedyś na bardzo plastyczną metaforę. Pole Higgsa zostało w niej porównane do wody w jeziorze. Ryby mogą spędzić w niej całe życie i nawet nie zdawać sobie sprawy, że zawsze ich otacza. Bozony Higgsa to zmarszczki na tafli jeziora, powstające pod wpływem zaburzeń. Właśnie to robimy podczas zderzania protonów w tunelu LHC.
Jest jeszcze kształt zbiornika. Brzegi i dno jeziora są ważne, ponieważ decydują gdzie woda się zatrzymuje, czy jej poziom jest stabilny i czy przypadkiem kilka kilometrów dalej nie ma wodospadu, którego z naszej pozycji nie widać. To odpowiednik potencjału.
Mówiąc bardziej po fizycznemu, potencjał jest funkcją określającą, ile energii wiąże się z danym ustawieniem układu. Przykładowo, dla wahadła najmniej kosztowne będzie zwisanie pionowo w dół. Dla kulki wrzuconej do miski, optymalne jest stoczenie się na samo dno. Dla pola Higgsa natomiast… To nieco bardziej abstrakcyjne, ponieważ nie mówimy o prostym fizycznym obiekcie zajmującym jakieś miejsce w przestrzeni, tylko o niewidzialnym, wszechobecnym polu kwantowym i jego wartości energetycznej.
Przypuszcza się, że potencjał Higgsa na wykresie wygląda następująco:
Tworzy bardzo charakterystyczną powierzchnię przypominającą dno butelki po winie lub, jeśli wolicie, meksykański kapelusz. Energetyczna górka na środku, a wokół niej dolina w kształcie pierścienia. Symetryczny okrąg minimów dookoła wzniesienia oznacza, że istnieje wiele możliwych „ustawień” pola i żadne nie jest wyjątkowe. Pole Higgsa, jakie znamy, zajmuje tylko jedno z nich. Trochę jak postawiony pionowo ołówek, który upadając musi przechylić się i upaść w którąś stronę.
Ten akt upadku – wyboru jednej z wielu dostępnych opcji – nazywamy spontanicznym złamaniem symetrii. Fizyka jest tak piękna, ponieważ z natury premiuje lenistwo i oszczędność. Każdy układ fizyczny szuka dla siebie najwygodniejszej pozycji i jeżeli tylko dostanie taką sposobność, chętnie przeskoczy do stanu, który będzie go kosztował mniej energii.
W przypadku pola Higgsa do spontanicznego złamania symetrii doszło jakieś 10−11 sekundy po wielkim wybuchu. Wcześniej, gdy temperatura młodego wszechświata szła w biliony stopni, wykres potencjału nie przypominał sombrera, lecz stromą misę z jednym konkretnym minimum na jej środku.
Pole Higgsa spoczywało na energetycznym dnie. Przez ten niewyobrażalnie króciutki ułamek sekundy cząstki nie miały żadnej masy. Dowolny elektron był nieodróżnialny od mionu czy taonu (ponieważ obecnie różni je tylko wartość masy) i pędził przed siebie z prędkością światła.
Jednak wszechświat szybko stygł, a wraz ze zmianą warunków energetycznych doszło do zmiany geometrii potencjału Higgsa. Na dnie miski pojawiło się nagle wybrzuszenie.
Centralny punkt minimum, w którym wygodnie spoczywało pole, przestał być dołkiem i stał się wzniesieniem. Pole stoczyło się w stronę pierścienia, osiadając w nowym minimum o wartości 246 GeV, gdzie spoczywa do dziś. Symetria pękła, cząstki zyskały masę i mogły zacząć formować atomy.
Powyższą historię należy traktować jako preludium do modelu standardowego. Problem tylko w tym, że jej elementy wciąż czekają na potwierdzenie. Zdołaliśmy zmierzyć, jak higson sprzęga się z różnymi cząstkami i upewniliśmy się, że robi to proporcjonalnie do ich masy. Jednak kształt kapelusza pozostaje domniemaniem wynikającym z teorii. Wiemy, gdzie leży energetyczne dno pierścienia, ale to jak strome są zbocza tej doliny, wciąż pozostaje hipotezą.
Potencjału pola kwantowego nie można dotknąć i przyłożyć do niego linijki. Jego kształt trzeba odtworzyć na podstawie tego, w jaki sposób opiera się próbom wybicia ze stanu równowagi.
W pewnym sensie właśnie to robią fizycy w LHC: szturchają pole Higgsa, patrząc jak sprzęga się z różnymi cząstkami. Tyle tylko, że przez obserwowanie reakcji higsonu z kwarkiem wysokim albo bozonem Z, sprawdzamy jedynie, w jaki sposób grzęzną one w polu Higgsa. Mówi nam to wiele o mechanizmie nadawania materii masy oraz pozwala wyczuć dno naszej doliny (wspomniane 246 GeV), ale nie odsłania profilu zbocza. Znamy energetyczny punkt minimum, ale nie wiemy, czy otaczają go łagodne pagórki, czy pionowe ściany.
Żeby zbadać tę geometrię, musimy wstrząsnąć samym polem Higgsa bez mieszania w to postronnych pól i cząstek. Doprowadzić do dziwacznej sytuacji, w której pole zacznie wpływać samo na siebie – zjadać własny ogon.
Krótko mówiąc, należy skonfrontować bozon Higgsa z innym bozonem Higgsa. Dopiero analiza takiego samosprzężenia jest w stanie ujawnić prawdziwy kształt kapelusza. Przekładając to na język bazgrołów Feynmana, chcemy zobaczyć punkt, w którym spotykają się trzy linie.
Jak widać, Matka Natura ma jeszcze w swoim sercu trochę miejsca na prostotę. Powyższy diagram opisuje sytuację, w której masywna cząstka o zerowym spinie, pozbawiona ładunku elektrycznego i kolorowego dzieli się na dwa równie prymitywne bozony. Później to rozwiniemy.
Tego rodzaju samooddziaływanie wcale nie jest czymś oczywistym. Przykładowo fotony – czyli kwanty pola elektromagnetycznego – nie lubią wzajemnie się zaczepiać i zgodnie ignorują swoją obecność. Z kolei gluony – nośniki silnego oddziaływania jądrowego – wchodzą ze sobą w interakcję[3], ale tylko kiedy różnią się ładunkiem kolorowym.
Bozon Higgsa pozostaje więc nie tylko zaskakująco prostą cząstką, ale jest też jedyną, która potrafi rozmawiać sama ze sobą w najczystszym możliwym sensie. Bez żadnych warunków. Nadaje innym cząstkom masę, ale również sam masę posiada. Z tego powodu samosprzężenie Higgsa jest prawdziwym rarytasem wśród oddziaływań przewidzianych przez fizykę.
Żeby sprawdzić, czy wszystko, o czym rozmawiamy, ma odzwierciedlenie w rzeczywistości, musimy wypatrywać w akceleratorze zdarzeń, z których rodzi się nie jeden, lecz dwa bozony Higgsa naraz. Higsony żyją tylko ułamek sekundy, więc to jedyna szansa na podsłuchanie „rozmowy” takiej pary.
Procedura jest co do zasady taka sama, jak w pozostałych eksperymentach LHC. Rozpędzamy paczki protonów do prędkości bliskich światłu i roztrzaskujemy je o siebie, patrząc, co z tego wyniknie. Szczególnie wyczekiwane są czołowe kolizje zamkniętych w protonach gluonów. Trochę jakbyśmy wyczekiwali bójki pomiędzy pasażerami dwóch autobusów, które stuknęły się na skrzyżowaniu.
Gluony nie kontaktują się jednak z polem Higgsa samodzielnie (nie mają masy), dlatego potrzebują pośrednika. Rolę tę bierze na siebie kwark wysoki (kwark t), a dokładniej wirtualna pętla kwark-antykwark, oznaczana na diagramie trójkątem.
Kwark wysoki to pupil fizyków wysokich energii. Jest zdecydowanie najmasywniejszą cegłą modelu standardowego – najmocniej sprzęga się z polem Higgsa – co z kolei czyni jego okolicę najobfitszym dostępnym źródłem bozonów. Zarówno pojedynczych sztuk, jak i par.
Wszystko rozbija się o prawdopodobieństwo. Nawet złapanie śladu jednego higsonu to spore wydarzenie, natomiast szansa na upolowanie dwóch za jednym zamachem jest co najmniej tysiąc razy mniejsza.
Dlaczego? Po pierwsze przez ograniczenie budżetu energetycznego. Masa bozonu Higgsa wynosi 125 GeV[4]. To minimalna wartość jaka musi towarzyszyć bliskiemu spotkaniu gluonów, żeby w ogóle mógł zaistnieć choćby jeden higson. Co logiczne, jeżeli chcemy dostać parę, będziemy potrzebować co najmniej 250 GeV – czyli w praktyce czystszej i rzadziej spotykanej kolizji.
Jeśli do tego dojdzie, dzieje się coś ciekawego. Bozon Higgsa ma określone właściwości i nie może pomieścić w sobie dowolnej porcji energii. Kiedy pętla kwarków szarpie polem bardzo mocno, przejściowo powstaje w nim nienaturalnie silne wzburzenie – przeciążony bozon Higgsa o charakterze wirtualnym – które od razu ulega rozszczepieniu na dwie sztuki. Tego szukamy i właśnie to przedstawiał nasz prosty diagram.
Ale jest jeszcze jedno ograniczenie. Bo widzicie, istnieje też drugi, niemal identyczny proces, który wprowadza w nasze rozważania ogromne zamieszanie. Mianowicie pętla kwarków może wypromieniować od razu dwa bozony Higgsa, które wyskakują bezpośrednio z osobnych punktów pętli. Różnica polega na tym, że ten proces nie zawiera wspólnego wierzchołka samosprzężenia. Na diagramie pętla przypomina pudełko, stąd fizycy nazywają go czasem procesem pudełkowym.
Problem okazuje się jeszcze głębszy, kiedy spojrzymy na niego przez pryzmat fizyki kwantowej. Jeżeli ten sam efekt końcowy – tutaj narodziny dwóch bozonów Higgsa – da się uzyskać na kilka nierozróżnialnych sposobów, natura nie wybiera sobie jednego z nich. Traktuje wszystkie jako współistniejące możliwości. Jeżeli przywodzi wam to na myśl słynne doświadczenie z dwiema szczelinami, to jest to słuszny trop. Pojedynczy elektron nie przechodzi ani przez lewą, ani przez prawą szczelinę w przegrodzie. Wszystkie możliwe ścieżki cząstki opisywane przez falę prawdopodobieństwa nakładają się na siebie i tworzą wzór interferencyjny.
Z procesem kreacji pary higsonów dzieje się coś podobnego. W powstających cząstkach nie ma żadnego śladu mówiącego, czy zostały one wyplute bezpośrednio z osobnych punktów pętli, czy z rozszczepienia wirtualnego bozonu. Skoro nie da się tego rozróżnić, oba warianty wchodzą do jednego rachunku. Nieprzejednane reguły mechaniki kwantowej nakazują fizykom zsumować odpowiadające im amplitudy, a później obliczać prawdopodobieństwo.
Ponieważ amplitudy zachowują się jak fale, mogą ulegać wzmocnieniu albo wzajemnie się wygaszać. W przypadku par higsonów przeważa ten drugi wariant, dlatego obecność dodatkowej drogi paradoksalnie zmniejsza szansę na zdarzenie.
Wszystko to doprowadziło władze CERN-u do wniosku, że na ten moment potrzebujemy nie tyle większego młota do rozwalania cząstek, ile przeprowadzenia większej liczby kolizji. Dokładnie ten cel przyświeca trwającej modernizacji Wielkiego Zderzacza Hadronów.
LHC w odświeżonej wersji High-Luminosity powinien pozwolić na zarejestrowanie 380 milionów śladów bozonu Higgsa, wśród których znajdzie się kilkaset tysięcy samosprzężonych par. Fizycy są świadomi, że to może nie wystarczyć do zrekonstruowania pełnego kształtu meksykańskiego kapelusza. Liczą jednak przynajmniej na dobre rozpoznanie lokalnej krzywizny w pobliżu energetycznego minimum.
Czego możemy się spodziewać? W najnudniejszym przypadku po prostu znowu potwierdzimy założenia modelu standardowego. Nie będzie to jednak powód do świętowania, ponieważ wiele kuszących hipotez straci przestrzeń do rozwoju, pozostawiając naukowców z pustymi rękami i smutkiem w oczach. Niektóre pomysły tłumaczące pochodzenie ciemnej materii, właściwości neutrin czy nadwyżkę materii nad antymaterią, wręcz zakładają, że na obecnym modelu pojawią się znaczące rysy.
Z kolei w najciekawszym, ale też najbardziej złowieszczym scenariuszu, mogłoby się okazać, że geometria potencjału Higgsa znacząco odbiega od oczekiwanego sombrera. Centralne wzniesienie otaczałoby np. kilka pierścieni o różnej wysokości. W takim układzie dolina, w której znajdujemy się obecnie, wcale nie byłaby najniższym dostępnym punktem, a jedynie wygodnym przystankiem.
Obecny wszechświat byłby stabilny tylko pozornie, znajdując się stanie fałszywej próżni. W każdej chwili mógłby przeskoczyć, czy raczej przetunelować, przez barierę do swojego prawdziwego minimum. A ponieważ mówimy o polu decydującym chociażby o masach cząstek modelu standardowego, taka zmiana wpłynęłaby na właściwości całej budującej nas materii.
Piękny koniec, ale nie sporządzałbym jeszcze testamentu (przynajmniej nie z tego powodu). Wszechświat ma się dobrze od prawie 14 miliardów lat i musielibyśmy mieć niesamowitego pecha, gdyby postanowił się rozsypać akurat na naszej warcie. Mimo to warto wiedzieć, czy nasza rzeczywistość jest naprawdę stabilna, czy tylko bardzo cierpliwa.
Ostatnie komentarze: