Deset godina od otkrića, još uvek možemo mnogo da naučimo od Higsovog bozona

 

N1 SPECIJAL Autor:Lea Udovč13. jul. 202214:18 Izvor: CERN

 

Pre deset godina, naučnici u Cernu objavili su da su dokazali postojanje nikad pre viđene "Božje čestice" - Higsovog bozona, temeljnog gradivnog elementa svemira, koji datira još od Velikog praska pre milijardu godina.

Kakva je bila atmosfera u vreme otkrića, zašto su neki bili razočarani, kakav je značaj otkrića nakon deset godina, koja su otvorena pitanja, koliko smo daleko od razumevanja svemira i šta se može očekivati od ponovnog pokretanja sudarača, sa kojim je Cern još jednom ušao u trku za revolucionarnim otkrićem?

U Cernu, najvećoj svetskoj laboratoriji za fiziku čestica, hiljade naučnika pokušavaju da raspetljaju nerešene misterije fizike. Na francusko-švajcarskoj granici, nedaleko od Ženevskog jezera, duboko pod zemljom je njihovo ključno oružje – LHC (Large Hadron Collider), prstenasti tunel sa obimom od 27 kilometara, koji je najmoćniji akcelerator čestica na svetu.

Akcelerator ispaljuje čestice (protone) jedne prema drugima pri visokim energijama i skoro brzinom svetlosti, stvarajući svake sekunde stotine miliona sudara čestica. Na ovaj način, naučnici stvaraju uslove koji su veoma slični onima u prvim trenucima svemira, nakon Velikog praska, što omogućava njihovo detaljnije proučavanje.

Sa izuzetno visokim energijama koje LHC može da generiše, naučnici mogu da steknu uvid u skrivene zakone i svojstva i istraže misteriozne pojave, poput tamne materije i tamne energije, za koje naučnici pretpostavljaju da postoje, ali ni jedna od njih još nije dokazana ili otkrivena. Cern, kao i drugi akceleratori čestica, rekreira prirodne pojave u svemiru u kontrolisanim laboratorijskim uslovima, što im omogućava detaljnije proučavanje. U svemiru se dešava više od deset miliona eksperimenata sličnih LHC-u u sekundi.

„Pronašli smo misterioznu česticu“, rekli su 2012.

Iako LHC ima mnogo različitih zadataka, njegov prioritetni zadatak bio je jasan – traženje Higgsovog bozona, misteriozne čestice, jednog od temeljnih gradivnih elemenata svemira, koji se po mnogo čemu razlikuje od svih do sada posmatranih čestica i povezan je sa brojnim neodgovorenim pitanjima iz fizike.

Da je dugo traženi Higsov bozon pronađen, iz Cerna su objavili 4. jula pre deset godina. Otkrili su ga saradnici grupa ATLAS i CMS na Velikom hadronskom sudaraču (LHC), skoro pola veka nakon što je škotski fizičar Piter Higs prvi predvideo moguće postojanje te čestice. Higsov bozon se često opisuje i kao Božja čestica, što nije nadimak koji bi fizičari dali čestici, mnogi od njih bi čak zakolutali očima prilikom spominjanja Božje čestice. Objašnjenje koje se najčešće spominje je da je nobelovac za fiziku Leon Lederman Higsovu česticu nazvao „od Boga prokleta čestica“ (engleski „goddamn particle“).

Tim nadimkom želio je da se našali na račun toga kako je teško otkriti tu česticu i da bi tako želeo da nazove svoju knjigu, koja je objavljena devedesetih godina prošlog veka. Izdavači su tada navodno promenili naslov u „Božja čestica“, odakle se nadimak proširio. Veliko otkriće otkrili su na događaju koji je, prema svedočenju nekih učesnika, više ličio na rok koncert nego na naučni simpozijum – ljudi su stajali u dugačkom redu da bi mogli da prisustvuju događaju, neki od njih su tamo čak i prespavali, samo da ne bi ostali ispred zatvorenih vrata punog Cernovog auditorijuma.

Naučnik na čelu otkrića: Bilo je prilično fantastično

Nagoveštaj postojanja Higsovog bozona primetili su već 2011. godine, a godinu dana kasnije potvrđen je novim podacima i analizama. Naučnici na čelu otkrića, među kojima je i poznati nemački eksperimentalni fizičar dr Markus Klute sa Tehnološkog instituta u Karlsrueu, za otkriće su znali mesec dana pre svetske javnosti.

„Bio je to fantastičan period. Veoma napeto, kada niko ne želi da pogreši i kada radi 24 sata dnevno da bi postigao rezultat“, priseća se dr Klute, koji se u to vreme bavio CMS eksperimentom. To je i danas glavni fokus njegovog istraživanja. Zajedno sa svojom istraživačkom grupom na američkom MIT, gde je u to vreme radio, odigrao je centralnu ulogu u otkriću Higsovog bozona.

Dr Klute je tako bio među prvima koji su uvideli da pred sobom imaju izvanredno otkriće, da su pronašli misterioznu česticu. Seća se velikog uzbuđenja kada su on i njegovi studenti prvi put ugledali podatke i videli višak događaja, koji su ukazivali na postojanje Higsovog bozona. „Bilo je prilično fantastično“, kaže Klute. Bilo je jasno da su svedoci nečega izuzetnog, što se dešava jednom u životu.

„To je nešto čime smo se mi kao zajednica bavili 50 godina. Prva ideja za LHC akcelerator došla je osamdesetih godina i trebalo je mnogo vremena da se s međunarodnim naporima izgrade svi ti eksperimenti. I kada dođeš do te tačke, kada dostigneš otkriće za koje je uređaj bio napravljen, to je zaista nešto fantastično, veliko, što se ne može nadmašiti“, opisuje Klute značaj tog događaja.

Fantastično dostignuće, ali sa nešto gorkog ukusa

Kako objašnjava Klute, bio je iznenađen što je Higsov bozon izgledao upravo onako kako su očekivali. Pri tom, inače izvanrednom otkriću, bilo je i nešto gorkog ukusa, jer nisu pronašli nešto neobično, iznenađujuće, nešto izvan standardnog modela fizike elementarnih čestica. „Nakon otkrića sam bio u nekom stanju žalosti, jer sam se toliko nadao da ćemo ipak dobiti nagoveštaj nove fizike, što je otkriće na nekoliko trenutaka postavilo na sporednu prugu. Ali kada to prespavaš i razmisliš o tome, otkriće samo po sebi je tako fantastično. Ja ne stvaram prirodu, nego je posmatram, na nju ne mogu da utičem“, kaže Klute.

Uloga slovenačkih istraživača

Kako ističe dr Marko Mikuž sa Odseka za eksperimentalnu fiziku elementarnih čestica Instituta Jožef Stefan, koji u Cernu vodi grupu slovenačkih istraživača, otkriće Higsovog bozona je postepen proces, rezultat višegodišnjih istraživanja i priprema, čiji deo su bili i slovenački istraživači.

Oni već od 1996. godine sarađuju u eksperimentu ATLAS na LHC-u. Glavni doprinos slovenačkih istraživača bila je izgradnja SCT poddetektora u samom srcu više od pedesetmetarskog ATLAS detektora. Mikuž se dobro seća objavljivanja velikog otkrića. Iako je 4. jula bio na najvećoj konferenciji u oblasti fizike visokih energija u Melburnu, događaj su pratili uživo, tako da je uzbuđenje bilo slično onom kao da ste tamo.

„Radost i opuštenost zbog tog otkrića bile su skoro iste kao na seminaru u Cernu. Bio si među kolegama i delio si radost objavljivanja tog otkrića“, istakao je.

Higsov bozon – komadić slagalice koji nedostaje

„Otkriće Higsove čestice i posledično efekata Higsovog polja je toliko epohalno, da mu ništa što se dogodilo u fizici čestica u poslednjih deset godina nije ni do kolena“, kaže dr Jure Zupan, koji se bavi teorijskom fizikom visokih energija.

Naime, otkriće Higsovog bozona bilo je od ključnog značaja za fiziku čestica, za koju je Higsov bozon predstavljao nedostajući deo standardnog modela fizike elementarnih čestica, teorijskog modela koji predstavlja okvir za naše trenutno razumevanje elementarnih čestica i sila prirode. Do sada su naučnici mogli da objasne postojanje svemira sa 17 osnovnih elemenata, ali je nedostajao poslednji, ključni element – Higsov bozon. Kako objašnjava Klute, Higsov bozon nije bilo koja čestica, već najvažnija čestica, jer bi navodno trebalo da bude izvor jednog od ključnih svojstava svih stvari – mase. Bez njega ne bi bilo zvezda, planeta, a time i svih nas.

LHC proizvodi jedan Higsov bozon u oko milijardu sudara, gde je njegova postojanost tako kratkotrajna da naučnici njegova svojstva proučavaju indirektno, kroz sekundarne čestice na koje se raspada.Otkriće je tako promenilo svet fizike čestica i otvorilo vrata koja su bila zatvorena do njegovog otkrića. Zbog toga se fizika više promenila u poslednjih deset godina nego u prethodnih 30, rekao je na konferenciji za novinare uoči godišnjice (30. juna) Đan Đudiče, šef odeljenja teorijske fizike u Cernu.

Da se radilo o jednom od najvećih dostignuća nauke, potvrdila je i odluka da se Nobelova nagrada za fiziku dodeli fizičarima Fransoi Englertu i Peteru Higsu, koji su pre skoro 50 godina predvideli postojanje čestice.

Otkrićem Higsovog bozona potvrdilo se postojanje Higsovog polja

Značaj otkrića nije bio (samo) u tome što je pronađena nova, dugo očekivana čestica, već pre svega u tome što je postojanje te čestice prvi neposredan dokaz da smo okruženi novim tipom fundamentalnog polja, poznatim kao Higsovo polje, koje je jedno od glavnih komponenti standardnog modela fizike elementarnih čestica, objašnjava slovenačka istraživačica dr Liza Mijović, koja na Fakultetu za fiziku i astronomiju u Edinburgu vodi eksperimentalnu istraživačku grupu Higsovog bozona.

Higsovo polje je svuda oko nas, prožima sav prostor ili celi svemir i daje masu drugim česticama. Interakcija sa Higsovim poljem, kroz koju čestice dobijaju masu, poznata je kao Brout-Englert-Higgs mehanizam, odnosno Higsov mehanizam, kako ga najčešće spominju. Dokaz postojanja Higsovog polja može biti samo sam Higsov bozon, zbog čega su naučnici skoro pola veka pokušavali da ga pronađu.

„Higsovo polje možemo da otkrijemo samo njegovim uznemiravanjem, slično bacanju kamena u vodu i gledanju talasa. Higsov bozon je manifestacija takvog poremećaja, neka vrsta talasa na toj površini“, objašnjava Mijović.

Ilustracija Higsovog mehanizma

Zamislimo da gomila fizičara na slici, koji tiho ćaskaju, predstavlja prostor ispunjen Higsovim poljem.

Izvor : CERN

U sobu ulazi poznati naučnik, koji svojim kretanjem izaziva uznemirenost i svakim svojim korakom privlači gomilu obožavatelja. Istovremeno se povećava njegov otpor pri kretanju, drugačije rečeno, dobija na masi, baš kao i čestica koja se kreće kroz Higsovo polje.

Izvor : CERN

Otkriće Higsovog bozona je samo početak

Iako je otkriće Higsovog bozona nesumnjivo bilo izuzetno važno, to nije bio kraj, nego tek početak istraživanja. Sve do 2012. godine, naučnici pokušavaju da nacrtaju što precizniji portret te čestice. Tako danas znaju da mu je masa 125 milijardi elektronvolti, što znači da je 130 puta masivniji od protona i da ima nulti spin i zbog toga je jedina elementarna čestica bez spina.

Istovremeno, Higsov bozon nije samo predmet istraživanja, nego je u poslednjih deset godina postao snažno oruđe za proučavanje načina na koje osnovno Higsovo polje utiče na elementarne čestice standardnog modela fizike elementarnih čestica, kaže Marko Mikuž. Kako objašnjava dr Jure Zupan, o prirodi Higsove čestice u poslednjih deset godina mnogo su naučili preciznim merenjima kolega na LHC, a bilo je i nekoliko iznenađenja.

Čini se da živimo u svemiru koji je prilično ’blizu ivice’. Za samo približno deset posto izmenjene interakcije Higsa sa najtežim kvarkom (top kvarkom), značile bi da se naš svemir brzo promenio u oblik koji ne omogućava život (preko raspada vakuuma). Vrlo zanimljivo je takođe da se sva merenja karakteristika Higsovog bozona do sada podudaraju sa standardnim modelom, čak i sa vrlo lakim česticama. Među centralnim pitanjima, koja i dalje ostaju nerazrešena po rečima Lize Mijović, ostaje pitanje na koji način neke čestice dobijaju masu (da li se to kod svih čestica događa preko Higsovog mehanizma ili ne), pitanje da li se Higsov bozon može raspasti na nove Higsove bozone – od čega zavisi stabilnost, a time i sudbina našeg svemira, i koji je životni vek Higsovog bozona.

Naučnici se nadaju da bi detaljnijim istraživanjima Higsovog bozona ne samo bolje razumeli čestice, nego bi stigli do fizike izvan okvira standardnog modela fizike elementarnih čestica, kojoj i nakon deset godina od otkrića još uvek nema traga.

„S jedne strane je to razočarenje, a sa druge se radi o fantastičnom uspehu teorije – standardnog modela. Svi eksperimenti poslednjih godina podudaraju se sa našom teorijskom slikom i činjenica da je čovečanstvo sposobno za to, da imamo apstraktan model, teoriju koja perfektno opisuje prirodu, nije loša, nego je fantastična“, mišljenja je Klute.

U toku je treći krug takmičenja za otkrivanje nove fizike

Nakon tri godine mirovanja zbog održavanja i nadogradnje, LHC je ponovo započeo takmičenje za otkriće nove fizike. Naime, u utorak su ga ponovo pokrenuli, čime je počeo novi, treći period prikupljanja podataka za fiziku u akceleratoru. Ovaj put su ga pokrenuli sa najvećom energijom do sada, 13,6 teraelektronvolti (TeV), u odnosu na drugo ovogodišnje lansiranje. Zbog svih nadogradnji takođe ima i najveću preciznost do sada, a s tim i najveću mogućnost za nova otkrića nego ikada ranije.

U trećem krugu će naučnici promatrati ranije nedostupne procese i poboljšati preciznost merenja brojnih poznatih procesa, koji obrađuju elementarna pitanja, kao što je izvor asimetrije materije i antimaterije u svemiru. Proučavaće karakteristike materije pri ekstremnim temperaturama i gustoćama i tražiti kandidate za tamnu materiju i druge nove fenomene. Nije isključeno da će iz podataka, koje su počeli da prikupljaju u utorak, proizaći veliko otkriće. Nadamo se, ali nema garancije, kaže Klute. Još više podataka će doneti nadograđeni sudarač – takozvani High Luminosity LHC (HC-LHC), koji bi trebalo da radi od 2028. do 2040. godine. On će još više povećati broj sudara čestica i prikupiti barem deset puta više podataka nego što su ih prikupili do sada, čime će se snažno povećati mogućnost otkrića retkih subatomskih čestica i njihovih interakcija.

Stokilometarski supersudarač budućnosti

Za odgovore na neka od elementarnih pitanja ni nadograđeni akcelerator neće biti dovoljan, zato u Cernu već nekoliko godina planiraju novi, snažniji supersudarač Future Circular Collider (FCC), koji će zameniti LHC.

Stokilometarska naprava, koju bi trebalo da izgrade u podzemnom tunelu u blizini lokacije Cerna, vremenom bi mogla da postigne energiju sudara 100 TeV, što je približno šest puta više od energije sudara trenutno aktivnog LHC. Postizanjem izuzetno visokih energija, novi sudarač bi omogućio najdublji uvid u strukturu materije do sada i pružio mogućnost za otkrivanje novih čestica.

Po Mikuževim rečima, novi sudarač će biti precizna fabrika Higsovih bozona, u kojoj će Higsov bozon proučiti u detalje. „Ne zato da bi potvrdili standardni model, jer to već postaje dosadno, nego da bi saznali šta se događa mimo toga, da bi saznali šta je tamna tvar“, kaže. Higsov bozon će tako, slično kao gravitacioni talasi u astrofizici, poslužiti kao neka vrsta glasnika i posrednika do informacija iz svemira, tačnije do tamne materije.

Moguće je da se zbog preniskih energija u HC-LHC-u i novoj fabrici Higsovi bozoni neće direktno videti, ali možda će karakteristike Higsovog bozona pokazati gde tražiti čestice tamne materije, napominje Mikuž. Odluku o gradnji novog sudarača u Cernu potvrdili su 2020. godine, iako ta odluka još nije konačna, objašnjava Mikuž. Naime, za sudarač vrednosti vrtoglavih 21 milijardu evra Cern još nema sredstva, isto tako ni veliki deo tehnologije koja će biti potrebna konačnoj napravi još nije razvijena i biće predmet intenzivnog proučavanja u nadolazećim decenijama. Gradnja novog tunela i sudarača bi, po najavama, trebalo da počne 2038. godine. Najpre bi Cern izgradio sudarač elektrona i pozitrona sa energijama sudara prilagođenim za što veću proizvodnju Higsovih bozona. Kasnije u ovom veku, prvu napravu bi zamenili sudaračem protona i protona, koji bi postizao energije sudara od 100 TeV.

Slovenija odložila punopravno članstvo u Cernu

Cern trenutno ima 23 punopravne države članice, sedam pridruženih članica i tri pridružene članice na putu ka punopravnom članstvu – među njima je i Slovenija. Sporazum između Slovenije i Cerna, prilikom dodele statusa pridružene članice kao prethodne faze članstvu, u decembru 2016. u Ženevi potpisale su tadašnja ministarka obrazovanja Maja Makovec Brenčič i generalna direktorka Cerna, Fabiola Đanoti. Državni zbor ga je ratifikovao u martu 2017. godine.

Nakon dobijanja statusa pridružene članice, Slovenija bi nakon pet godina, znači već ove godine, mogla da postane punopravna članica Cerna. Kako su objasnili u ministarstvu, Slovenija je prošle godine zamolila za produženje statusa pridružene članice. Očekuje se da bi punopravna članica trebalo da postane 2024. godine. Kako su objasnili u ministarstvu za obrazovanje, nauku i sport, za status koji omogućava postepen proces jačanja statusa članstva, odlučili su se zbog visoke članarine, relativno male grupe slovenačkih istraživača u ovom području i želje za što većim angažmanom slovenačke privrede u dobijanju projekata s Cernom, što bi opravdalo visoku članarinu. U 2022. članarina je iznosila približno 1,8 miliona evra, a u 2023. najmanje 2,2 miliona evra. Puna članarina bi, po trenutnim kriterijumima, iznosila dobrih tri miliona evra.

Nedoumice o smislenosti superskupog supersudarača

Nisu svi uvereni u smislenost super skupog supersudarača, koji bi možda mogao da povede u novu dimenziju fizike i razumevanja sveta. Neki se pitaju da li je novu fiziku moguće dostići ovakvom napravom ili smo dosegli stakleni plafon. Jedna od glasnijih kritičarki je dr Sabine Hosenfelder, teorijska fizičarka na Institutu za napredne studije u Frankfurtu u Nemačkoj, koja misli da novi sudarač nije dobra zamisao i da naučna dobit ni izbliza nije osigurana. „Govorimo o desetinama milijardi. Mislim samo da trenutno nema dovoljno naučnog potencijala za sprovođenje takvih studija“, procenjuje.

Klute, koja učestvuje u pripremama za novi sudarač, svesna je da takav projekat otvara ne samo tehnološka ili fizička pitanja, nego i pitanje podrške u društvu. Skepticima odgovara da je to dobra investicija koja donosi značajnu korist, jer se s tim između ostalog obrazuje mnogo mladih ljudi na području fizike i tehnologije, pored toga, u toku procesa se razvijaju tehnologije od koristi celom društvu. Istovremeno ovim dokazuju da države mogu zajedno, u miru, da sarađuju na rešavanju vrlo kompleksnih problema, nada se, da će se to preneti i na druga važna pitanja, kao što je klimatska kriza.

„Društvo mora da investira u kulturu, umetnost i elementarna istraživanja, jer su deo vrednosti čovečanstva“, uveren je Klute. Liza Mijović takođe naglašava da osmišljavanje novih eksperimenata ima smisla, jer još uvek ne razumemo 95 posto našeg svemira i jer znamo da postoji nova fizika koja bi nam pomogla da to razumemo, samo je treba otkriti.

Nova fizika je iza ugla

Otkriće Higsovog bozona sigurno je bilo jedan od vrhunaca karijere nemačkog fizičara Klutea, ali se nada da dolazi još nešto više. „Na području fizike visokih energija i fizike čestica imamo mnogo otvorenih pitanja i snažno se trudimo da pronađemo odgovore s LHC u drugim eksperimentima. Nadam se, da će se za vreme mog života, dogoditi još jedno otkriće ove vrste. Važno pitanje je tamna materija i njom se vrlo sistematično bavimo. Nova fizika je iza ugla, ali ne znamo gde je taj ugao. Ako bih morao da se kladim na nešto, rekao bih da će nam Higsov bozon nagovestiti gde bi mogli da pronađemo novu fiziku“, zaključuje.

 

***

Komentar

***

 

U doba kuge, malih ledenih  doba teorije: teologija, alhemija, astrologija i tsl nisu bili u stanju da se nose sa tim problemima. Nauka je - dobila svoju šansu - problem je bio u tome što se očekivalo - da ona reši ono što predhodne teorije nisu. Očekivalo se  da nauka da znanje koje je iznad svake sumlje – ona je morala postići onu sigurnost koja je izmicala teologiji. Naučnik vredan svog imena nije imao pravo da nagađa - on je morao dokazati svaku rečenicu koju je izgovarao na osnovu činjenica. To je tada bio kriterijum naučnog poštenja. Ali šta su "činjenice"?  U naučnom zaključivanju teorije se suočavaju sa činjenicama; a jedan od centralnih uslova naučnog zaključivanja jeste taj da činjenice moraju podržavati teorije. Ali kako, u stvari, činjenice mogu podržavati teoriju?  Robert Bojl, na primer, da bi razgraničio novu nauku od alhemije, je insistirao, na tome, da naučno "svedočenje"  (o eksperimentu) treba da bude - kolektivni poduhvat a - ne  kao kod alheničara individualan - radikalni  individualizam! Koristio se analogijom  sa "krivičnim pravom". Iako je svako pojedinačno svedočanstvo samo verovatno, ipak podudarnost "više" takvih verovanja (svedočenja)  može pružiti - izvesnost - koja daje mogućnost sudiji da izrekne adekvatnu kaznu. Da bi pokrenuo ideju o "javnom karakteru naučnih istina" Bojl je svoju "vazdušnu pumpu" (koja je tada bila skupa naprava, bilo ih je samo nekoliko u Evropi) doneo u "Kraljevsko društvo" u Londonu  i tu pred članovima društva vršio eksperimente! Naučna objektivnost ne zavisi od psihologije naučnika kao pojedinca nego je ona rezultat javnog društvenog karaktera naučnog metoda! Empirijska nauka je uvek "doha", naučnik priznaje nezanje, a ne priznaje autoritet. Osnovna karakteristika empiriske nauke jeste njena podložnost reviziji – u javnim kritičkim raspravama naučni stavovi mogu biti - opovrgnuti i zamenjeni boljim. Sukobljene hipoteze traže zastupnike: branioce, porotu, čak i publiku, naravno u akademskoj sredini.

 

Zoran Stokić

13.07.2022.