Ovoga mjeseca obilježila se 10. godišnjica otkrića Higgsovog bozona, pravog “Svetog grala” znanosti koji je izmicao otkrivanju gotovo 50 godina. Ali što je zapravo ta čestica i zašto je toliko važna? Čemu nas je naučio u desetljeću od otkrića – i još važnije, čemu bi nas mogao naučiti u sljedećem desetljeću?
Standardni model fizike čestica predviđa da se svemir sastoji od 12 elementarnih čestica materije, četiri nositelja sile i jedne konačne čestice koja sve drži na okupu – Higgsovog bozona. Dugo je vremena Higgs bio posljednji dio slagalice koji je nedostajao, što je bio problem jer bez njega ostatak slike nije imao smisla.
Njegovo postojanje prvi je 1960-ih predvidio njegov imenjak Peter Higgs, a neovisno o njemu tim Françoisa Englerta i Roberta Brouta. Fizičari su radili na odgovoru na pitanje kako elementarne čestice dobivaju svoju masu i izračunali su da se to događa u interakciji s kvantnim poljem koje prožima svemir. Ovaj model je predvidio da će takozvano Higgsovo polje također proizvesti vlastitu česticu, te je rođen koncept Higgsovog bozona.
Predvidjeti to bilo je jedno, ali zapravo pronaći nešto drugo. Model je ukazivao da će se Higgsov bozon raspasti na druge čestice gotovo trenutačno, dajući znanstvenicima vrlo mali prozor za promatranje. Da stvar bude gora, masa čestice može biti od 10 do 1000 gigaelektronvolti (GeV). Kao takva, potraga se desetljećima smatrala nemogućom.
Otkriće
Tek 1980-ih tehnologija je konačno uhvatila korak. Fizičari su shvatili da se Higgsovi bozoni mogu stvoriti razbijanjem čestica pri velikim brzinama, i iako bi brzo nestali, njihov bi se potpis mogao uočiti gledanjem nastalih čestica za one na koje bi se Higgs mogao raspasti.
Čak i uz niz sudarača čestica koji rade sve većom snagom, Higgsov bozon još uvijek nije bio otkriven sljedećih nekoliko desetljeća. Ipak, to nije bilo potpuno ispiranje – svaki nulti rezultat pomogao je suziti raspon mogućih masa, tako da se tijekom ranih godina CERN-ovog Velikog hadronskog sudarača (LHC) smanjio na između 115 i 130 GeV.
Pozornost je bila posebno usmjerena oko 125 GeV, gdje su LHC timovi primijetili višak događaja u skladu s Higgsovim bozonom. CERN je očekivao da će podaci “definitivno dati odgovor” do kraja 2012. – potvrđujući postojanje ili nepostojanje Higgsovog bozona, jednom zauvijek.
I sasvim sigurno, 4. srpnja 2012. fizičari čestica objavili su povijesno otkriće Higgsova bozona. Podaci dvaju neovisnih CERN-ovih timova, ATLAS-a i CMS-a, došli su do istog zaključka – pronašli su novu česticu s masom od oko 125,3 GeV i nekoliko drugih svojstava sličnih Higgsu.
Daljnji eksperimenti potvrdili su da se radi o dugo traženom Higgsovom bozonu, čime su Peter Higgs i François Englert dobili Nobelovu nagradu za fiziku 2013. g. za izvorno teorijsko otkriće.
Koliko god najava bila uzbudljiva u to vrijeme, često se izvještava da je Higgsov bozon od tada postao prilično “dosadan”, budući da nije otkrio nikakvu divlju novu fiziku. Dakle, što je radio u desetljeću od otkrića?
Desetljeće od tada
Prvih nekoliko godina znanstvenici su pomno proučavali novu česticu kako bi provjerili ima li sva svojstva predviđena standardnim modelom. Njegov spin je, na primjer, trebao biti jednak nuli, a način na koji se spaja s česticama mora biti točno zrcalo načina na koji se spaja s antičesticama. Oboje je ispalo baš onako kako je model očekivao.
LHC eksperimenti također su potvrdili jedno od glavnih predviđanja Higgsovog bozona – da ostale čestice u Standardnom modelu dobivaju svoju masu interakcijom s Higgsovim poljem. To zauzvrat potvrđuje ulogu Higgsa u nekim od temeljnih sila – na primjer, da Higgsov bozon ne postoji, trebalo bi nam novo objašnjenje za stvari poput reakcije nuklearne fuzije koja pokreće Sunce.
Tijekom drugog ciklusa LHC-a proizvedeno je oko osam milijuna Higgsovih bozona, a timovi ATLAS-a i CMS-a nedavno su objavili nove studije temeljene na tim podacima. To uključuje koliko često se proizvodi različitim procesima, na koje se druge čestice raspada i koliko često te koliko su jake njegove interakcije s drugim česticama. U gotovo svakom eksperimentu koji su znanstvenici izveli, Higgs je bio u skladu s predviđanjima Standardnog modela.
Desetljeće koje dolazi
Unatoč njegovom dosadašnjem prilično značajnom slaganju sa Standardnim modelom, detaljnije proučavanje Higgsovog bozona moglo bi biti naša ulaznica za razotkrivanje fizike koja leži izvan ovog okvira.
Uzmimo za primjer tamnu tvar. Dokazi upućuju na to da ova misteriozna tvar prožima svemir i drži strukture poput galaksija i klastera zajedno svojim snažnim gravitacijskim utjecajem. Do sada je izbjegao izravno otkrivanje putem eksperimenata, uglavnom zato što tamna tvar rijetko stupa u interakciju s običnom materijom – ali postoji šansa da Higgsov bozon stupa u interakciju s tamnom tvari na način koji bi je konačno mogao povući u svjetlost.
Još jedna čudna zagonetka koju sugeriraju nova Higgsova mjerenja jest da svemir možda nije tako stabilan kao što se čini. Moglo bi trenutno postojati u takozvanom stanju lažnog vakuuma, ali u svakom trenutku svemir – ili njegovi veliki dijelovi – mogli bi se iznenada urušiti u stanje pravog vakuuma. To bi moglo u potpunosti izbrisati svu materiju, ili ako budemo imali sreće, moglo bi samo prepisati zakone prirode.
Činjenica da svemir još uvijek postoji sugerira da je stabilniji nego što naši modeli sugeriraju, zahvaljujući drugim nepoznatim silama koje su u igri. Higgsov bozon bi nam mogao pomoći da otkrijemo te sile.
Također bi moglo pružiti nove tragove još jednoj dugotrajnoj misteriji o tome zašto se kozmos nije davno uništio. Naši trenutni modeli sugeriraju da su materija i antimaterija trebale biti proizvedene u jednakim količinama u Velikom prasku, ali da je to bio slučaj, sve bi se sudarilo i uništilo sve prije nekoliko milijardi godina. To se očito nije dogodilo, što ukazuje da je iz nekog nepoznatog razloga stvoreno djelić više materije nego antimaterije. Higgs bi nam mogao pomoći da shvatimo što je prevagnulo vagu u našu korist.
Odgovori na ova duboka pitanja mogli bi biti odmah iza ugla. LHC je pokrenuo svoju treću vožnju početkom srpnja, na višim energijama nego ikad prije. A 2029. g. postrojenje će započeti novi život kao High-Luminosity LHC (HL-LHC), nakon velike tehnološke nadogradnje koja će istražiti fiziku dublje nego ikad prije. Higgsov bozon bit će središnja figura u tim eksperimentima.
Izvor/Autor: NewAtlas/ Michael Irving
