Zgodba o Higgsovem bozonu, delcu, ki je spremenil fiziko
- julija 2012 je svet znanosti za trenutek obstal. V dvorani Evropske organizacije za jedrske raziskave (CERN) v Ženevi so znanstveniki razglasili, da so končno odkrili dolgo iskani delec, ki je desetletja buril domišljijo fizikov – Higgsov bozon. Med aplavzom in solzami je sedel tudi Peter Higgs, teoretični fizik, ki je že leta 1964 napovedal obstoj tega delca.
Od takrat ga svet pozna pod popularnim vzdevkom »božji delec«, čeprav ima njegovo ime z božanstvom le malo skupnega.
Kaj je pravzaprav Higgsov bozon?
Da razumemo pomen odkritja, se moramo najprej vrniti k osnovam.
Vsa snov okoli nas – od zvezd do ljudi – je sestavljena iz delcev. Ti delci imajo maso, a dolgo časa fiziki niso vedeli, od kod ta masa sploh pride. Zakaj ima elektron maso, svetlobni delec (foton) pa ne?
V 60. letih prejšnjega stoletja je več znanstvenikov – med njimi Peter Higgs – predlagalo, da mora v vesolju obstajati nevidno polje, ki “zavira” delce, ko se premikajo, podobno kot voda upočasni gibanje rib.
To polje so poimenovali Higgsovo polje. Delci, ki z njim močneje interagirajo, dobijo večjo maso. Tisti, ki ga “ne občutijo”, ostanejo brez mase.
Higgsov bozon pa je kvantni pojav tega polja – nekaj podobnega, kot je foton kvant svetlobe. Če najdemo bozon, pomeni, da polje res obstaja.
Zakaj je bilo odkritje tako težko?
Teoretično je Higgsov bozon obstajal že skoraj 50 let, toda nihče ga ni mogel dokazati.
Razlog je preprost: njegov obstoj se pokaže le v izjemno energijskih trkih delcev, kakršnih ni mogoče ustvariti v naravi – vsaj ne na Zemlji.
Za to je bil potreben Veliki hadronski trkalnik (LHC), največji pospeševalnik delcev na svetu, dolg 27 kilometrov, ki deluje 100 metrov pod površjem med Švico in Francijo.
V njem protoni potujejo skoraj s svetlobno hitrostjo in trčijo z energijo do 14 teraelektronvoltov. Ob takšnih trkih nastanejo nove delci, ki jih zaznajo ogromni detektorji – ATLAS in CMS – vsak velik kot manjša stavba in sestavljen iz milijonov senzorjev.
Iskanje Higgsovega bozona je bilo kot iskanje ene same snežinke v snežnem viharju, kjer moraš izmeriti vsako podrobnost vsakega trka. LHC proizvede do milijard trkov na sekundo, od katerih le majhen delež vsebuje sledi tega izmuzljivega delca.
Veliki trenutek – 4. julij 2012
Ko so znanstveniki po letih analiziranja podatkov zaznali statistično pomemben signal, ki se ujema z napovedjo Higgsovega bozona, je CERN razglasil:
»Odkrili smo nov delec, doslej neznan, ki ima lastnosti, skladne s Higgsovim bozonom.«
Novica je v trenutku obšla svet. Peter Higgs, ki je bil takrat star 83 let, je bil med občinstvom in – kot je sam dejal – »ni mogel zadržati solz«. Leta 2013 je skupaj s Françoisom Englertom prejel Nobelovo nagrado za fiziko.
Zakaj ga imenujejo »božji delec«?
Izraz »božji delec« je nastal po naključju. Uporabil ga je fizik Leon Lederman v svoji knjigi The God Particle iz leta 1993, da bi s humorjem opozoril na pomen in težavnost iskanja.
V resnici je želel napisati »prekleti delec« (the goddamn particle), ker je bil tako težko dokazljiv, a založniki so izraz ublažili – in s tem ustvarili enega najbolj znanih znanstvenih vzdevkov v zgodovini.
Čeprav mnogi fiziki tega imena ne marajo, ker zveni mistično, je pomagalo, da se je zgodba o Higgsovem bozonu zasidrala tudi v širši javnosti.
Zakaj je odkritje pomembno?
Higgsov bozon ni le še en delec v zbirki.
Njegov obstoj potrjuje Standardni model fizike, teorijo, ki opisuje, kako osnovni delci med seboj delujejo preko štirih osnovnih sil – elektromagnetne, šibke, močne in gravitacijske.
Brez Higgsovega polja bi bil vesolje povsem drugačno: atomi ne bi obstajali, delci ne bi imeli mase, snov ne bi tvorila zvezd, planetov ali ljudi.
To pomeni, da Higgsov bozon razloži, zakaj vesolje sploh obstaja v sedanji obliki.
Kaj pa onkraj Higgsovega bozona?
Odkritje je potrdilo Standardni model, a hkrati odprlo nova vprašanja.
Čeprav model pojasni veliko, ne vključuje temne snovi, temne energije in gravitacije, ki skupaj predstavljajo večino vesolja.
Znanstveniki zdaj iščejo “novo fiziko”, ki bi dopolnila ali razširila trenutno razumevanje.
CERN že pripravlja naslednjo generacijo pospeševalnikov, med njimi Future Circular Collider (FCC) s kar 100 kilometri obsega.
Ta bi lahko omogočil raziskave še globlje v strukturo snovi in morda razkril, ali obstajajo še druge vrste Higgsovih delcev ali celo popolnoma novi zakoni narave.
Higgsov bozon v vsakdanjem življenju
Čeprav se zdi raziskovanje osnovnih delcev nekaj, kar se nas ne tiče, imajo takšni projekti ogromne praktične koristi.
Napredki pri zaznavanju, analizi in obdelavi podatkov v CERN-u so privedli do boljših medicinskih tehnologij (npr. PET in MRI), do razvoja umetne inteligence in celo do spleta, ki je nastal prav v CERN-u.
Vsakič, ko se v laboratoriju prižge pospeševalnik delcev, ne raziskujejo le začetkov vesolja – tlakujejo pot novim tehnologijam, ki jih bomo uporabljali mi.
Znanost, ki povezuje svet
Higgsov bozon je več kot fizikalni delec. Je simbol človeške radovednosti in sodelovanja.
Pri njegovem odkritju je sodelovalo več kot 10.000 znanstvenikov iz več kot 100 držav.
Vsak trk v LHC-ju je rezultat neštetih ur načrtovanja, inženiringa in skupnega znanja človeštva.
Ko Peter Higgs danes gleda nazaj, verjetno razume, da je njegov “božji delec” postal dokaz, da človekov um resnično zmore doseči nepredstavljivo – če le ostanemo radovedni.