Напомена уредника: 8. октобра 2013., Петер Хиггс и Францоис Енглерт, освојили су Нобелову награду за физику за свој рад на Хиггсовом бозону. Испод, наш колумниста науке Бриан Греене објашњава науку која стоји иза открића.
Из ове приче
[×] ЗАТВОРИ
АТЛАС детектор, један од два експеримента за проналажење неухватљивог Хиггсовог бозона у комадима честица на ЦЕРН-овом Великом хадронском сударачу, тежи чак стотину 747 млазница и држи више од 1800 миља кабла. (Цлаудиа Марцеллони / ЦЕРН) 
Компактни муонски магнет на великом хадронском сударачу хвата честице у дјелу. (Мицхаел Хоцх / ЦЕРН) 
Назад на плочу за цртање: Физичар Петер Хиггс изрезује своју чувену једнаџбу описујући извор масе честица. Било би потребно пола века да се то докаже. (Стуарт Валлаце / Спласх Невс / Невсцом) 
Тим ради са АТЛАС детектором, једним од два експеримента за проналажење неухватљивог Хиггсовог бозона у комадима честица. (Цлаудиа Марцеллони / ЦЕРН) 
Пре инсталације, делови ЦМС детектора боравили су у просторији за чишћење у ЦЕРН-у. (Макимилиен Брице, Мицхаел Хоцх, Јосепх Гобин / ЦЕРН) 
Магнет у ЦМС детектору производи магнетно поље 100.000 пута јаче од земљиног. (Гобин / ЦЕРН) 
Изблиза ЦМС детектора - један од два експеримента за откривање потписа Хиггсовог бозона. (Гобин / ЦЕРН) 
Иако се Хиггов бозон изгледа прекратко да би се могао директно открити, физичари на ЦМС-у могу закључити његово постојање проучавањем тушева честица које су заостале после судара протона-протона. (Т. МцЦаулеи, Л. Таилор / ЦЕРН) 
Фото галерија
Сличан садржај
- Уметност и наука сударају се у открићу Хигсовог бозона
Позната прича из физике анализира петогодишњег Алберта Ајнштајна, болесног у кревету, који је од оца добио компас за играчке. Дечака су збуњивале и очарале невидљиве снаге на послу, преусмеравајући иглу компаса ка смеру севера кад год је његов положај одмарања био поремећен. То би искуство, касније би рекао Ајнштајн, уверио да постоји природа дубоко скривеног реда и натерао га да проведе свој живот покушавајући да га открије.
Иако је прича стара више од једног века, млади рођак Ајнштајна наишао је на одјек са кључном темом савремене физике, оном која је битна за најважнија експериментална достигнућа у области последњих 50 година: откриће, пре годину дана, овог јула, Хиггсовог бозона.
Дозволи да објасним.
Наука уопште, а физика посебно, траже обрасце. Опружите опругу двоструко и осјетите двоструки отпор. Образац. Повећајте запремину коју предмет заузима притом задржавајући његову масу, а што већи плута у води. Образац. Пажљивим посматрањем образаца, истраживачи откривају физичке законе који се могу изразити језиком математичких једначина.
Јасан образац је такође видљив у случају компаса: померите га и игла поново показује према северу. Могу замислити младог Ајнштајна који мисли да мора постојати општи закон који предвиђа да се обешене металне игле гурају ка северу. Али такав закон не постоји. Када у неком региону постоји магнетно поље, одређени метални предмети доживљавају силу која их поравнава дуж правца поља, ма какав тај смер био. А Земљино магнетно поље се усмерава на север.
Пример је једноставан, али поука дубока. Природни обрасци понекад одражавају две испреплетене особине: темељне физичке законе и утицаје околине. То је природа верзија природе против неговања. У случају компаса, раздвајање њих двоје није тешко. Манипулишући магнетом, лако закључујете да оријентација магнета одређује смер игле. Али могу постојати и друге ситуације у којима су утицаји околине толико раширени, и изван наших могућности манипулације, било би далеко теже изабрати њихов утицај.
Физичари говоре параболу о рибама које истражују законе физике, али толико навикнуте у њихов воденасти свет да не разматрају његов утицај. Рибе се снажно боре да објасне нежно љуљање биљака, као и сопствену локомотацију. Закони које на крају проналазе су сложени и неугледни. Затим, једна сјајна риба има пробој. Можда сложеност одражава једноставне основне законе који делују у сложеном окружењу - онај који је испуњен вискозном, некомпресивном и прожимајућом течношћу: океан. У почетку се проницљива риба игнорише, чак и исмева. Али полако, и други схватају да њихово окружење, без обзира на њихово познавање, има значајан утицај на све што посматрају.
Да ли се присподоба реже ближе кући него што смо можда мислили? Могу ли постојати друге, суптилне, али прожимајуће особине околине које до сада нисмо успели правилно да уклопимо у своје разумевање? Откривање Хиггсове честице са великим хадронским сударачем у Женеви је убедило физичаре да је одговор одбојан да.
Пре скоро пола века, Петер Хиггс и неколицина других физичара покушавали су да разумеју порекло основне физичке особине: масе. Можете мислити на масу као на крађу објекта или, мало прецизније, као на отпор који пружа пружању промене кретања. Притисните теретни воз (или перо) да повећате његову брзину, а отпор који осећате одражава његову масу. На микроскопском нивоу маса теретног воза долази од његових саставних молекула и атома који су сами изграђени од основних честица, електрона и кваркова. Али одакле долазе масе ових и других основних честица?
Када су физичари 1960-их моделирали понашање ових честица користећи једначине укорењене у квантној физици, наишли су на загонетку. Ако су замислили да су честице све масе, тада би сваки израз у једначинама кликнуо на савршено симетричан образац, попут врхова савршене пахуље. А ова симетрија није била само математички елегантна. Објаснио је обрасце који су видљиви у експерименталним подацима. Али - а ево и загонетке - физичари су знали да честице имају масу, а када су модификовали једнаџбе да би рачунали на ту чињеницу, математичка хармонија је покварена. Једнаџбе су постале сложене и неугледне и, још горе, недоследне.
Шта да радим? Ево идеје коју је изнео Хиггс. Не гурајте масе честица низ грло лепих једначина. Уместо тога, држите једнаџбе нетакнутим и симетричним, али сматрајте да оне делују у посебном окружењу. Замислите да је сав простор једнолико испуњен невидљивом супстанцом - која се сада назива Хиггсово поље - која делује силе повлачења на честице када оне убрзавају кроз њу. Притисните неку основну честицу у настојању да повећате њену брзину и према Хиггсовом мишљењу, ову вучну силу бисте осетили као отпор. Образложљиво, отпор бисте протумачили као масу честица. Да бисте ментално завладали, помислите на пинг-понг лопту потопљену у воду. Када притиснете куглу за пинг понг, она ће се осећати много масивнија него што је то ван воде. Његова интеракција са воденим окружењем има за последицу масу. Дакле, са честицама потопљеним у Хиггсово поље.
Године 1964. Хиггс је предао чланак угледном часопису за физику у коме је математички формулисао ову идеју. Рад је одбијен. Не зато што је садржавала техничку грешку, већ зато што је претпоставка невидљивог нечега прожимајућег простора, у интеракцији с честицама да би се обезбедила њихова маса, па, све је то изгледало као гомила претераних спекулација. Уредници часописа сматрали су да "нема очигледног значаја за физику."
Али Хиггс је истрајао (а његов ревидирани рад се појавио касније те године у другом часопису), а физичари који су одвојили време да проуче предлог постепено су схватили да је његова идеја била генијални удар, онај који је дозволио да имају свој колач и поједу га такође . У Хиггсовој шеми, фундаменталне једнаџбе могу задржати свој нетакнути облик, јер је прљави посао обезбеђивања масе честица пребачен у околину.
Иако нисам био присутан да причам о почетном одбацивању Хиггсовог предлога 1964. године (добро, био сам около, али једва), могу да кажем да се до средине 1980-их процена променила. Физичка заједница се, у највећем делу, потпуно уклопила у идеју да постоји Хиггсово поље које прожима простор. Заправо, на дипломском студију сам узео оно што је познато као Стандардни модел физике честица (квантне једначине физичари су сакупили да опишу честице материје и доминантне силе помоћу којих оне утичу једна на другу), професор је представио Хиггса поље с таквом сигурношћу да дуго времена нисам имао појма да се то тек треба експериментално успоставити. То се понекад догађа у физици. Математичке једнаџбе понекад могу испричати тако уверљиву причу, наизглед могу зрачити стварношћу тако снажно да се усађују у верзакулар рада физичара, чак и пре него што постоје подаци који их потврђују.
Али само с подацима може се повезати стварност. Како можемо да тестирамо Хиггсово поље? Овде долази Велики хадронски сударач (ЛХЦ). Пролазећи стотинама метара испод Женеве у Швајцарској, прелазећи француску границу и назад, ЛХЦ је кружни тунел дугачак скоро 17 километара који служи као тркалиште за разбијајући честице материје. ЛХЦ је окружен са око 9.000 суперпреводних магнета, и дом је струјања хорди протона, вожња око тунела у оба смера, која магнети убрзавају само да се стиде брзине светлости. При таквим брзинама, протони се крећу око тунела око 11.000 пута сваке секунде, а када их магнет усмери, учествују у милионским сударима у трен ока. Судари заузврат производе распршивање честица попут ватромета, које детектори мамута хватају и снимају.
Једна од главних мотивација за ЛХЦ, која је коштала 10 милијарди долара и која укључује хиљаде научника из више десетина земаља, била је тражење доказа за Хиггсово поље. Математика је показала да ако је идеја тачна, ако смо заиста уроњени у оцеан Хиггсовог поља, онда би насилни судари честица требали бити у стању да пређу поље онолико колико би две подморнице које се сударају окретале воду око њих. И тако често, трзање би требало да буде исправно да одлети са мрље поља - ситном капљицом Хиггсовог океана - која би изгледала као дуготрајна Хиггсова честица.
Прорачуни су такође показали да би Хиггсова честица била нестабилна, распадајући се на друге честице у малом делу секунде. У вртлогу сударајућих честица и облака честица, научници наоружани моћним компјутерима би претражили Хигсов отисак прста - образац производа распадања диктиран једнаџбама.
У раним јутарњим часовима 4. јула 2012. године, окупио сам се с још двадесетак других сталежа у конференцијској сали у Центру за физику у Аспену да бих погледао пренос конференције за новинаре у просторијама Великог хадронског судара у Женеви. Отприлике шест месеци раније, два независна тима истраживача оптужених за прикупљање и анализу података о ЛХЦ-у објавила су снажне показатеље да је Хиггсова честица пронађена. Гласине које сада лете око физичке заједнице гласиле су да тимови коначно имају довољно доказа да поставе коначну тврдњу. Заједно са чињеницом да је сам Петер Хиггс био замољен да путује у Женеву, било је довољно мотивације да остане горе око 3 сата ујутру да би уживо чуо ову објаву.
И како је свет брзо учио, докази да је Хиггсова честица откривена били су довољно јаки да пређу праг открића. Са Хиггсовом честицом која је сада званично пронађена, публика у Женеви избила је бурним аплаузом, као и наша мала група у Аспену и без сумње на десетине сличних окупљања широм света. Петер Хиггс обрисао је сузу.
Са годином уназад и додатним подацима који су само послужили да ојачате случај Хигга, ево како бих сумирао најважније импликације открића.
Прво, већ одавно знамо да у простору постоје невидљиви становници. Радио и телевизијски таласи. Земљино магнетно поље. Гравитациона поља. Али ништа од тога није трајно. Ниједан није непроменљив. Ниједан није једнолико присутан у свемиру. У том погледу, Хиггсово поље је битно другачије. Верујемо да је његова вредност иста на Земљи као и близу Сатурна, у магли Ориона, широм галаксије Андромеда и свуда другде. Колико знамо, Хиггсово поље неизбрисиво је утиснуто на просторну тканину.
Друго, Хиггсова честица представља нови облик материје, који се деценијама дуго очекивао, али никада није виђен. Почетком 20. века физичари су схватили да честице, поред своје масе и електричног набоја, имају и трећу карактеристику која одређује: њихово спиновање. Али за разлику од врха детета, завртање честица је унутрашња карактеристика која се не мења; не убрзава се или успорава током времена. Сви електрони и кваркови имају исту вредност спина, док је спин фотона - честице светлости - двоструко већи од електрона и кваркова. Једнаџбе које описују Хиггсову честицу показале су да - за разлику од било које друге врсте основних честица - уопште не би требало да се заврти. Подаци са Великог хадронског сударача су то сада потврдили.
Успостављање постојања новог облика материје је ретко достигнуће, али резултат има одјека у једном другом пољу: космологији, научном истраживању како је читав универзум почео и развијао се у облик којем данас сведочимо. Дуги низ година космолози који су проучавали теорију Великог праска били су запрепаштени. Саставили су робустан опис како се универзум развијао од делића секунде након почетка, али нису могли дати никакав увид у то што покреће простор да се почне ширити на првом месту. Која је сила могла извршити тако снажан напољу? За свој успех, теорија Великог праска оставила је прасак.
У 80-има откривено је могуће решење које звони гласним Хиггсовим звоном. Ако је простор простора равномерно препун поља са чијим је честитим састојцима спирало, онда Аинстеинова теорија гравитације (општа теорија релативности) открива да се може створити снажна одбојна сила - прасак и велика у томе. Прорачуни су показали да је тешко реализовати ту идеју са самим Хиггсовим пољем; двострука дужност давања масе честица и подметања праска представља значајан терет. Али проницљиви научници схватили су да постављањем другог „Хиггсовог“ поља (који има исти нестајући спин, али различиту масу и интеракције) могу поделити терет - једно поље за масу, а друго за одбојни потисак - и понудити увјерљиво објашњење праска. Због тога теоријски физичари већ дуже од 30 година интензивно истражују космолошке теорије у којима таква Хигсова поља играју суштинску улогу. Хиљаде чланака у часописима написано је развијајући ове идеје, а милијарде долара утрошено је на посматрање из свемира тражећи - и проналазећи - индиректне доказе да ове теорије тачно описују наш универзум. Потврда ЛХЦ-а да бар једно такво поље заправо постоји поставља генерирање космолошког теоретизирања на далеко чвршће темеље.
Коначно, и можда најважније, откриће Хигсове честице је задивљујући тријумф математичке моћи откривања рада универзума. То је прича која је у физици рекапитулирана више пута, али сваки нови пример одушевљава исто. Могућност црних рупа појавила се из математичких анализа немачког физичара Карла Сцхварзцхилда; каснија запажања доказала су да су црне рупе стварне. Космологија великог праска настала је из математичких анализа Александра Фриедманна и Георгеса Лемаитре; каснија запажања показала су и овај увид тачним. Концепт анти-материје прво се појавио из математичких анализа квантног физичара Пола Дирака; каснији експерименти показали су да је и та идеја тачна. Ови примери дају утисак за шта је велики математички физичар Еугене Вигнер мислио када је говорио о "неразумној ефикасности математике у описивању физичког универзума." Хиггсово поље појавило се из математичких студија тражећи механизам за давање честица масом. И још једном се математика променила летећим бојама.
Као теоријски физичар, један од многих посвећен проналажењу онога што је Ајнштајн назвао „обједињеном теоријом“ - дубоко скривених веза између свих природних сила и материје о којима је Ајнштајн сањао, дуго након што их је мистериозно дело компаса закачило за физику - Откривање Хиггса је посебно захвално. Наш рад је вођен математиком и до сада није остварио контакт са експерименталним подацима. Нестрпљиво очекујемо 2015. годину када ће се поново укључити надограђени, а опет снажнији ЛХЦ, јер постоји вјероватноћа да ће нови подаци пружити доказ да наше теорије иду у правом смјеру. Главне прекретнице обухватале би откриће класе досад невидљивих честица (које се називају „суперсиметричне“ честице) које наше једнаџбе предвиђају или наговештавају дивљу могућност просторних димензија које превазилазе све три које сви доживљавамо. Још узбудљивије би било откриће нечег потпуно неочекиваног, што ће нас све послати на наше црне плоче.
Многи од нас покушавају да размере ове математичке планине већ 30 година, неки чак и дуже. Понекад смо осећали да је уједињена теорија тек надохват руке, док у другим тренуцима заиста жмиримо у мраку. За нашу генерацију је велико појачање да сведочимо Хигосовој потврди, да сведочимо математичке увиде старе четири деценије реализоване као скокови и пукотине у ЛХЦ детекторима. Подсећа нас да у обзир узмемо речи нобеловца Стевена Веинберга: „Наша грешка није у томе што наше теорије схватамо превише озбиљно, али их не схватамо довољно озбиљно. Увек је тешко схватити да ови бројеви и једнаџбе са којима играмо на нашим столовима имају неке везе са стварним светом. "Понекад ти бројеви и једначине имају неку чудесну, готово језиву способност осветљавања иначе мрачних углова стварности. Када то ураде, ми се толико приближавамо схватању нашег места у космосу.
