Dzięki fali przełomowych odkryć z początku XX wieku o fizyce wiemy już bardzo dużo. Do 4 lipca 2012 roku brakowało empirycznego dowodu na istnienie jednego z elementów tej układanki. O odkryciu bozonu Higgsa pisze Jakub Bożek.
Wielki fizyk, Niels Bohr, powiedział kiedyś, że każdy kto nie jest zszokowany przy pierwszym kontakcie z teorią kwantową, z pewnością jej nie zrozumiał. Nie wiem, dla ilu osób kontakt z mechaniką kwantową zaczął się 4 lipca, kiedy to w wiadomościach ogłoszono, że fizykom ze szwajcarskiego CERN-u udało się wreszcie odkryć bozon Higgsa, „boską cząstkę”. (Ta nazwa raczej nie jest zbyt udana, fizycy z reguły sądzą, że zamiast God’s particle powinno się mówić o goddamn particle, bo tak trudną ją namierzyć.) Nie wiem, jak z tym szokiem, ale idę o zakład, że większość z nas nie zrozumiała, o co tyle hałasu. Właściwie nic w tym dziwnego, bo jak pisał inny geniusz fizyki, Richard Feynman, nikt nie pojmuje mechaniki kwantowej, łącznie z nim. Mimo wszystko warto spróbować dowiedzieć się, o co chodzi z tą cholerną cząstką. Ja spróbowałem i miałem z tego większą przyjemność niż z lektury skandynawskiego kryminału.
Three quarks for Muster Mark!
Dzięki fali przełomowych odkryć z początku XX wieku o fizyce wiemy już bardzo dużo. Prawie wszystko, co wiemy, da się zapisać w jednym równaniu, które mieści się na połowie kartki A5. To równanie nazywa się Model Standardowy i służy fizykom do opisu cząstek elementarnych i ich interakcji. W największym skrócie równanie to mówi nam, że materia składa się z czterech rodzajów cząstek: elektronów, dwóch rodzajów kwarków (ta nazwa pochodzi z Finneganów trenu Jamesa Joyce’a) oraz neutrina. Te cząstki – zwane też fermionami – oddziałują na siebie i łączą się w bardziej skomplikowane konfiguracji dzięki kolejnym 4 cząstkom: fotonom, cząstkom W i Z oraz gluonom. Bozony, bo tak nazywa się ta grupa cząstek, są nośnikami 3 podstawowych oddziaływań: elektromagnetycznego, silnego i słabego. Gdyby nie one, wszechświat nie mógłby istnieć. Gdyby nie fotony, nie byłoby elektryczności, fal radiowych czy promieniowania rentgenowskiego. Gdyby nie gluony jądra atomów rozpadałyby się z powody wzajemnego odpychania protonów. Bez cząstek W i Z nie świeciłyby gwiazdy. I to prawie wszystko, co trzeba wiedzieć o wszechświecie. Naprawdę. Model Standardowy nie opisuje tylko grawitacji, to oddziaływanie jest bowiem o wiele słabsze niż pozostałe i przez to trudniejsze w opisie. (Dotyczy to oczywiście tylko cząstek elementarnych, bo dysponujemy przecież doskonałym opisem siły grawitacji. Dostarcza go ogólna teoria względności, ale to już temat na inną historię.)
Model Standardowy miał też inną słabość. Opisywał cząstki pozbawione masy, co stało w sprzeczności z pomiarami empirycznymi. Nad rozwiązaniem tego problemu pracowało wielu fizyków, i jak to zazwyczaj bywa, wpadli oni na ten sam pomysł niemalże w tym samym czasie, w tym przypadku stało się to w roku 1964. Najwięcej szczęścia miał Peter Higgs, bo to zazwyczaj jego imię kojarzy się z mechanizmem, który nadaje fermionom masę. Ale mechanizm Higgsa mógłby równie dobrze być mechanizmem Hagena albo mechanizmem Englerta.
Jakie jest jego zadanie? Gdyby mechanizm Higgsa był wyłączony, wszystkie cząstki elementarne poruszałyby się z prędkością światła. Gdy się go włącza, niektóre cząstki zwalniają, jedne bardziej, inne mniej. Innymi słowy nabierają masy. Można to sobie wyobrazić jeszcze inaczej. Weźmy dużą salę i wrzućmy do niej mnóstwo szeregowych działaczy jakiejś partii politycznej. Gdy jeden z nich chce przejść z jednego końca sali na drugi – np. po to, by dostać się do bufetu – udaje mu się to bez większych trudności. Ale gdyby to samo próbował zrobić premier, otoczony wianuszkiem klakierów i potakiwaczy, zajęłoby mu to znacznie więcej czasu. Ta całkiem zmyślna analogia powstała dzięki konkursowi ogłoszonemu przez brytyjskie Ministerstwo Nauki. Minister chciał, by fizycy mogli łatwo wytłumaczyć mechanizm Higgsa laikom. Nagrodą był szampan.
Mechanizm Higgsa działa dzięki polu Higgsa, czyli tłumowi szeregowych działaczy partyjnych. Pole Higgsa, tak samo jak partyjny aktyw, jest bierne i niewidoczne. O jego istnieniu można się przekonać tylko dzięki nadzwyczajnym okolicznościom. W przypadku działaczy byłby to skandal, w przypadku pola Higgsa będą to drgania wywołane zderzeniem się protonów. I właśnie takim drganiem pola jest słynny bozon Higgsa.
Dzięki Modelowi Standardowemu wiemy, jaki eksperyment przeprowadzić, by znaleźć bozon. Jeśli dotychczas się to nie udało, powodem była zbyt słaba maszyneria. Ale po zbudowaniu Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) nie było już wymówki – Model Standardowy mógł zostać albo uratowany, albo wyrzucony do kosza.
W tunelu długim na 27 km zderzano ze sobą miliardy protonów rozpędzonych niemalże do prędkości światła. Zawierucha miała wywołać drgania pola Higgsa. O trudności eksperymentu, ale także o geniuszu fizyków, niech świadczy to, że wśród 1 kwadryliona zderzeń protonów udało się zaobserwować około 200 cząstek, które najprawdopodobniej (ryzyko błędu jest bardzo niskie) są poszukiwanymi bozonami. Właśnie ta deklaracja poruszyła świat 4 lipca.
Duży zderzacz ludzi
LHC nie zbudowano tylko po to, by odkryć bozon Higgsa. Choć pewnie byłby to wystarczający powód. Rozmiary tej maszyny są gargantuiczne. Np. detektor cząstek, który wykrył aktywność pola Higgsa, ma rozmiar budynku mieszkalnego. I całkiem ładną nazwę – ATLAS. Obsługiwało go 3 tys. ludzi, a w budowę LHC zaangażowało się ponad trzykrotnie więcej, bo 10 tys. fizyków z całego świata. W CERN-ie zderzały się więc nie tylko cząstki, ale też ludzie. To dlatego to miejsce było równie interesujące dla fizyków i inżynierów, co dla antropologów i socjologów. Ci ostatni też zobaczyli fascynujące rzeczy.
CERN właściwie jest wyspą. Ma swoje restaurację, pocztę, banki i inne udogodnienia. Nie sięga tam jurysdykcja szwajcarskiej policji. (Niezłe miejsce na horror w stylu Half-Life.). Dodatkowo, by całe przedsięwzięcie się powiodło, naukowcy musieli wypracować całkowicie nowe zasady organizacji, nowe instytucje, nowe narzędzia komunikacji i współpracy. CERN nie mógł działać jak firma, z jasną hierarchią, podziałem obowiązków i władzy.
Doskonale widać to na przykładzie historii budowy detektora ATLAS. O projekcie nie decydował odgórnie wybrany wąski zespół ekspertów. Nad ATLAS-em pracowało wiele grup, które wzajemnie oceniały i poprawiały swoje pomysły. Proces trwał tak długo, aż wszystkie grupy ustalą najlepszy projekt. Dlatego naprawdę nikt nie „przegrał”, nie było resentymentów i niesnasek. Oczywiście takie podejście ma swoje koszty, w tym przypadku była to potężna obsuwa, bo LHC miało być uruchomiony już w roku 2000. Była to jednak cena warta zapłacenia, skoro udało się zachować jedność zespołu badaczy. Bez tej jedności technologia byłaby bezużyteczna.
Rewolucja obejmowała też inne pola. Nauka przypomina czasem profesjonalny sport, zwycięzca bierze wszystko – granty, sławę, w końcu Nobla. A przecież często jest tak, że naukowcy wpadają na ten sam pomysł równocześnie albo – czasem nieświadomie – odświeżają rewolucyjne idee sprzed lat. W CERN-ie ten wyścig był nieobecny. Np. artykuły naukowe, które zawierają wyniki eksperymentów, muszą być podpisane, w kolejności alfabetycznej, wszystkimi imionami i nazwiskami współpracowników. Jeden z artykułów miał ponad 2 tys. współautorów, wymienienie ich wszystkich zajęło 15 stron.
Stosowane nauki ścisłe
Choć samoorganizacja naukowców w CERN-ie robi wrażenie, nie ma jednoznacznej odpowiedzi na pytanie o to, czy ich doświadczenia da się przenieść gdzie indziej. Podobnie jest z odpowiedzią na pytanie o to, czy odkrycie bozonu Higgsa będzie miało jakieś praktyczne zastosowanie. (Znaczenie tego odkrycia dla teorii jest gigantyczne.) Sami naukowcy szczerze odpowiadają, że jeszcze tego nie wiedzą. Ale to nic nie znaczy.
Gdy Wolfgang Pauli formułował swój słynny zakaz (wszystkie elektrony w atomie muszą być w różnym stanie kwantowym), nie miał pojęcia, że ta teoria umożliwi zbudowanie tranzystora. Często zdarzało się, że niby hermetyczne odkrycia zmieniały świat. Bez szczególnej teorii względności Einsteina nie byłoby GPS-ów, gdyby nie J. C. Maxwell moglibyśmy nie mieć radia, bez równania elektronu Paula Diraca nie byłoby tomografii PET. I tak dalej. Dlatego opozycja między badaniami podstawowymi (czyli poszukiwaniem podstawowych praw natury) i aplikacyjnymi (które zaprzęgają te prawa natury do pracy na rzecz ludzi) jest nieco dęta, choć oczywiście potrzebna. Nie warto dziś myśleć, jak zarobić na bozonie Higgsa, lepiej zachwycić się pięknem tego odkrycia.
Albert Einstein powiedział kiedyś, że nierozwiązywalną tajemnicą wszechświata jest to, że możemy go zrozumieć. Jeszcze większym cudem jest to, że równanie, które opisuje niemal wszystkie możliwe oddziaływania mieści się na połowie kartki A5. I że dzięki gigantycznej maszynie, dowiedzieliśmy się, że najprawdopodobniej udało się nam zapisać je poprawnie.
