Bozon Higgsa to cząstka elementarna, czyli jedna z najmniejszych cegiełek materii. Jej istnienie potwierdza działanie mechanizmu, dzięki któremu inne cząstki zyskują masę Polowanie na cząstkę Higgsa trwało prawie 50 lat i zaowocowało dwoma Nagrodami Nobla z fizyki. Wiążą się z tym zresztą spore kontrowersje, bo wspomniany wyżej mechanizm zaproponowało w krótkim czasie sześciu fizyków Odkrycie cząstki jak na razie jest największym osiągnięciem Wielkiego Zderzacza Hadronów. Jutro, dzień po 10. rocznicy ogłoszenia wyników polowania na Higgsa, maszyna wróci do życia, poszukując innych elementów, z których zbudowany jest świat Więcej ważnych informacji znajdziesz na stronie głównej Onetu. Jeśli nie chcesz przegapić żadnych istotnych wiadomości — zapisz się na nasz newsletter Atmosferę w ośrodku, gdzie dokonano odkrycia, można było tego dnia porównać chyba tylko do tego, co dzieje się w kontroli lotów w Huston po udanym lądowaniu łazika na Marsie. Były brawa, radość, uściski. Ówczesny dyrektor CERN Rolf Heuer złapawszy za mikrofon oznajmił tylko: "chyba to mamy!". Na sali był obecny również Peter Higgs, od którego nazwiska wzięła swoją nazwę "boska cząstka". Kamery uchwyciły wówczas, jak sięga do kieszeni po chusteczkę i ociera łzę wzruszenia. Dla niego był to symboliczny koniec drogi, na którą wszedł pół wieku wcześniej, w pierwszej połowie lat 60. Drogi, która nie była łatwa. Początkowo nie wszyscy fizycy odnosili się przychylnie do koncepcji, którą opracował Higgs (i paru innych naukowców, o czym za chwilę). Werner Heisenberg, jeden z tytanów XX-wiecznej nauki, nazwał ją nawet "śmieciową". Co więcej, pochłonięty swoją pracą Higgs zaniedbał małżeństwo, które w końcu się rozpadło. Jednocześnie była to jednak droga, która rok później — w 2013 r. — przyniosła fizykowi najwyższy laur naukowy, czyli Nagrodę Nobla. Najważniejsze trzy tygodnie życia Jeżeli jest jedna cecha, którą Higgsowi przypisują wszyscy pytani o niego fizycy, to jest to skromność. Sam Higgs swoją pracę często podsumowuje, mówiąc, że "jest głównie znany z powodu trzech tygodni swojego życia". Nazywa ją też "jedynym ważnym pomysłem, jaki miał w życiu". O Nagrodzie Nobla mówi z przekąsem, że "zrujnowała mu życie" (czytaj: spokojne życie emeryta). Zresztą w dniu, kiedy spodziewał się telefonu ze Szwecji z informacją, że otrzymał wyróżnienie, wyszedł z domu do jednego z pubów w swoim ukochanym Edynburgu, tak żeby nikt nie mógł się do niego dodzwonić. W przeciwieństwie do wielu innych fizyków wielkiego formatu Higgs nigdy nie był medialnym zwierzęciem. Biorąc pod uwagę, że dysponuje nazwiskiem rozpoznawanym niewiele słabiej od Stephena Hawkinga, mógłby spokojnie pisać jedną książkę za drugą, dorabiając w ten sposób do emerytury. Ale nie pisze. Jego pierwsza biografia ukaże się dopiero teraz, za kilka dni, kiedy fizyk kończy 93 lata. A i to pewnie tylko dlatego, że jej napisania podjął się znajomy fizyk, Frank Close. Brytyjczyk znany jest z tego, że trudno z nim o kontakt. Ian Sample, dziennikarz brytyjskiej gazety "The Guardian", wspomina w książce "Peter Higgs: poszukiwania boskiej cząstki", jak starał się dotrzeć do Higgsa. Kiedy telefony na wydział, gdzie wcześniej pracował fizyk (był już na emeryturze) i próby kontaktu przez znajomych naukowców nie przyniosły skutku, zrezygnowany złapał za książkę telefoniczną, odszukał adres Higgsa i po prostu napisał mu list. Odpowiedź przyszła po sześciu tygodniach, prawdopodobnie kiedy Sample stracił już wszelką nadzieję, że spotka się w cztery oczy z żywą legendą. Sample w jednym z tekstów wspomina, że Higgs po ceremonii w CERN-ie w czerwcu 2012 r. natychmiast uciekł z Genewy, aby tanimi liniami wrócić do Wielkiej Brytanii. Podróżował z kolegą, który zaproponował wówczas kieliszek wina — żeby uczcić sukces. Higgs zdecydował się jednak na puszkę piwa "London Pride". Higgs musi przepadać za london pride, skoro otrzymał butelkę na konferencji prasowej po tym, jak dowiedział się, że otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki Pracownicy genewskiego laboratorium podobno pytali później o tę puszkę. Niestety, Brytyjczyk po prostu ją wyrzucił. Jak piechur brnący przez śnieg Peter Higgs urodził się w 1929 r. w Newcastle. Jego ojciec był inżynierem dźwięku pracującym dla BBC, państwowego nadawcy w Wielkiej Brytanii. Co ciekawe, za młodu nie zdradzał wielkiego zainteresowania fizyką. Tak było aż do momentu, kiedy w liceum nie zwrócił uwagi, że na korytarzach jego szkoły często pojawia się nazwisko absolwenta, niejakiego Paula Diraca. Dirac był wówczas brytyjskim odpowiednikiem Einsteina. Wtedy młody Higgs postanowił zawodowo zająć się wyrywaniem naturze jej najgłębszych tajemnic. Jak się okazało, udało mu się wyrwać jedną z najgłębszych: jak to się dzieje, że przedmioty wokół nas mają masę? W największym skrócie przedstawia się to następująco: całą otaczającą nas przestrzeń wypełnia pole, zwane polem Higgsa. Ma ono tę właściwość, że obdarza cząstki elementarne – najmniejsze cegiełki, z których zbudowany jesteś ty, czytelniku, a także urządzenie, na którym to czytasz; planeta, na której mieszkasz i jej rodzinna galaktyka — masą. Światowej klasy fizyk cząstek elementarnych John Ellis lubi porównywać pole Higgsa do pola pokrytego śniegiem. Wyobraźmy sobie, że ktoś chce przejść przez to pole. Najszybciej zrobi to ktoś na nartach — po prostu przemknie po górnej warstwie. Trochę wolniej odbędzie się podróż z rakietami śnieżnymi — piechur nieco zapadnie się w śniegu. A zapadnie się jeszcze bardziej, jeśli zdecyduje się na zwykłe obuwie. W tej metaforze człowiek z nartami to cząstki, które nie wchodzą w interakcje z polem Higgsa, a więc nie obdarza ich ono masą (w praktyce jest to tylko foton, czyli cząstka światła). Gość z rakietami śnieżnymi, który nieco zapada się w śniegu, to odpowiednik cząstek z niewielką masą. Piechur ze zwykłym obuwiem to zaś cząstki, które są — jak to mówią fizycy – masywne (czyli mają dużą masę). Gdzie w tym wszystkim jest owa "boska cząstka", czyli bozon Higgsa? Ciągnąc dalej metaforę Ellisa: to po prostu płatki śniegu, które składają się na to pole. Bez mechanizmu, który opisał Higgs, wszechświat wyglądałby zupełnie inaczej. "Gdyby nie istniał, nie bylibyśmy tutaj" — mówi w książce Sample’a brytyjski fizyk. Moje nazwisko też ma pięć liter Jak się jednak okazało, fizycy stanęli wówczas przed jeszcze jednym problemem – tym razem bardziej praktycznym niż teoretycznym. Higgs nie był bowiem jedyny, który w 1964 r. zaproponował opisany wyżej mechanizm. Co więcej, nie był nawet pierwszy. W sierpniu swoje równania opublikował belgijski duet: François Englert oraz Robert Brout. Kolej Higgsa przyszła w październiku, a w listopadzie wyniki swoich prac zaprezentowało jeszcze amerykańsko-brytyjskie trio: Gerald Guralnik, Carl Hagen oraz Tom Kibble. Higgs nie mógł wiedzieć o sierpniowej publikacji, bo w połowie lat 60. nie było internetu i trzeba było czekać, aż czasopisma naukowe przyjdą pocztą. W tym wypadku musiały nawet przepłynąć Atlantyk (co zajmowało mniej więcej miesiąc), bo Englert i Brout opublikowali artykuł w amerykańskim czasopiśmie "Physical Review Letters". Tak się składa, że do tej samej redakcji swój artykuł posłał Higgs. W ostatniej chwili, na prośbę wydawcy dodał jeszcze w swoim tekście odnośnik do publikacji belgijskiego duetu. Chociaż prawdą jest, że Higgs jako jedyny w swoim artykule zaproponował, że konsekwencją mechanizmu może być nowa cząstka, to jego odkrywców było de facto sześciu. A w fizyce nazwiska przylegają do autorów odkryć: mamy więc równanie Schrödingera, diagramy Feynmanna, zakaz Pauliego, zasadę Heisenberga... Powstał więc problem: za pomocą którego nazwiska odnosić się do nowego odkrycia? Konflikt wisiał w powietrzu, tym bardziej że nazwy te ucierają się zwyczajowo, jak ksywki pod blokiem. Nie ma centralnego komitetu, który by je zatwierdzał i rozdawał. Mieć swoje nazwisko przypięte do danego odkrycia to gwarantowane miejsce w historii fizyki. Być jednym z kilku to pojawiać się tylko w encyklopedycznych hasłach. I faktycznie, problem wkrótce się uwidocznił. Sample w swojej książce przytacza przykład konferencji naukowej, której jeden z uczestników podczas wykładu wspominał cały czas o "mechanizmie Higgsa". Widząc zniesmaczoną twarz mężczyzny siedzącego w pierwszym rzędzie, zwrócił się do niego: "Zdaję sobie sprawę, że teoria, o której mówimy, została stworzona przez kilku badaczy, ale zgodnie z konwencją odnoszę się do niej, używając najkrótszego nazwiska". "Ale moje nazwisko też ma pięć liter!" — odkrzyknął mężczyzna. To był Robert Brout, współautor pierwszego artykułu. Znany fizyk: ta koncepcja to śmieć Najbardziej koncyliacyjny starał się być sam Peter Higgs. Swego czasu proponował, aby nazwać opisane w artykułach z 1964 r. odkrycie "mechanizmem ABEGHHK'tH" — od pierwszych liter nazwisk wszystkich sześciu autorów wraz z uwzględnieniem Philipa Andersona, którego prace stanowiły dla nich inspirację, oraz Gerarda t’ Hoofta, który później nadał wszystkiemu ostateczną formę. Jak łatwo się domyślić, propozycja Higgsa nie spotkała się z szerokim przyjęciem. Foto: Wikipedia Pozostali autorzy artykułów naukowych z 1964 r. Od lewej: Tom Kibble, Gerald Guralnik, Carl Hagen, Francois Englert oraz Robert Brout Kontrowersja wybuchła na nowo przy okazji wręczania Nagród Nobla w 2013 r. Z piątki autorów poza Higgsem Szwedzka Akademia Nauk uwzględniła wówczas tylko jednego — Françoisa Englerta (Robert Brout zmarł w 2011 r. nie doczekawszy ogłoszenia wyników z CERN), pomijając fizyków, którzy napisali trzeci artykuł. W momencie przyznania nagrody wszyscy żyli; Guralnik zmarł w 2014 r. Żal naukowców był tym większy, że Noble z fizyki w 2013 r. były dwa, więc ktoś jeszcze by się zmieścił (nagrodę w danej kategorii otrzymują maksymalnie trzy osoby). Higgs przekonywał potem w wywiadach, że akademia powinna była uwzględnić przynajmniej Kibble’a. Jak to się więc stało, że odkrycia z 1964 r. zaczęto kojarzyć wyłącznie z nazwiskiem Higgsa? Jednym z powodów jest fakt, że brytyjski uczony jako jedyny z całej szóstki zaproponował, że konsekwencją mechanizmu może być nowa cząstka. A ponieważ doświadczalne potwierdzenie ich prac oznaczało de facto poszukiwanie tej cząstki, toteż przyjęło się mówić: bozon Higgsa. Prawda jednak jest też taka, że w fizyce trzeba mieć trochę szczęścia. Higgs je miał; jego pracę ze szczególnym ciepłem przyjął bardzo znany fizyk Freeman Dyson, który nazwał ją "piękną", a opinia nestorów dziedziny często jest bardzo ważna. Krótko po publikacji Brytyjczyk przebywał też na stypendium w USA, gdzie osobiście przekonywał do swojej pracy. Przed jednym z takich wystąpień organizator zapowiedział go: "zaraz przyjdzie jakiś idiota" i poprosił uczestników spotkania, aby obsypali gościa gradem pytań. Higgs wyszedł jednak ze starcia zwycięsko. Inni tego szczęścia nie mieli. Guralnik i Hagen latem 1965 r. wzięli udział w niewielkiej konferencji, którą w Feldafing — bawarskiej miejscowości nieopodal Monachium — organizował inny nestor fizyki, Werner Heisenberg. Duet był już po serii wykładów w Europie, podczas których ich koncepcja spotkała się z chłodnym przyjęciem. Ale w Niemczech zostali zmasakrowani. Heisenberg, nie owijając w bawełnę nazwał ich pracę "śmieciem". Załamany był zwłaszcza Guralnik. Po powrocie do USA jeden ze starszych kolegów poradził mu zresztą, że jeśli chce utrzymać pracę na uczelni, musi znaleźć sobie inny obszar badań. Dopiero po latach zreflektował się, że "porada" mogła kosztować Guralnika Nagrodę Nobla i przeprosił go publicznie w 1983 r. Rodzynek raz na miliard kolizji Kiedy wszystkie klocki fizycznej układanki ułożyły się w połowie lat 70., nie pozostało już nic innego, jak rozpocząć poszukiwania doświadczalnego dowodu na istnienie mechanizmu Higgsa. Tym dowodem miał być bozon Higgsa, "boska cząstka" (fizycy nie znoszą tej nazwy). W 1976 r. wspomniany już John Ellis oficjalnie zachęcił fizyków, aby ruszyli na łowy. Nie mógł wówczas wiedzieć, że zajmą jeszcze ponad 30 lat. Po pierwsze na takie polowanie nie wystarczy uzbroić się w zwykłą flintę. Potrzebna jest wykonana na zamówienie i cholernie droga w wykonaniu, specjalna flinta zwana akceleratorem cząstek. Flinty takie buduje się latami za pieniądze na tyle duże, że muszą pod nimi podpisać się politycy (a nie zawsze się podpisują). Co więcej, flinta nadająca się na jednego zwierza nie sprawdzi się przy innym, większym. Bozon Higgsa okazał się takim właśnie, grubym zwierzem. Nie był w stanie upolować go ani największy akcelerator w USA (Tevatron), ani jego europejski kuzyn znajdujący się w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) na przedmieściach Genewy (akcelerator LEP). Potrzebna była większa flinta. W 2000 r. zapadła więc decyzja, aby rozebrać LEP i zwolnić zajmowany przez niego tunel o średnicy 27 km na jeszcze potężniejszy akcelerator. W ten sposób powstał Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), który rozpoczął działanie w 2008 r. Dopiero za jego pomocą udało się potwierdzić istnienie bozonu Higgsa. Poszukiwanie cząstek elementarnych w praktyce znacznie mniej przypomina bieganie z flintą po lesie, a bardziej przegrzebywanie stogu siana w poszukiwaniu igły. Akcelerator to tak naprawdę maszyna do produkowania zderzeń czołowych. W środku ma dwie wiązki cząstek, które przyspiesza do olbrzymich prędkości, i które przecinają się co jakiś czas. W miejscach przecięcia dochodzi do kolosalnej liczby kolizji - w samym LHC jest to ok. miliarda na sekundę. W wyniku kolizji powstają nowe cząstki i to za ich śledzenie odpowiedzialne są wielkie detektory. Nie ma możliwości, aby na dyskach zapisać wyniki wszystkich, więc akcelerator wyposażony jest w skomplikowany system odsiewania ziarna od plew. Foto: CERN Igła w stogu siana. Jedna z milionów kolizji zarejestrowanych przez detektor CMS, element Wielkiego Zderzacza Hadronów. Na zielono zaznaczone dwie cząstki, na które prawdopodobnie rozpadł się bozon Higgsa — Dzieli się on na kilka poziomów. Najpierw odsiewu dokonuje sama aparatura pomiarowa, a później algorytmy na farmie komputerowej. W efekcie do zapisu trafia ok. tysiąca zdarzeń na sekundę — tłumaczy prof. Mateusz Dyndał z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. — Chodzi o to, żeby nie zaprzątać sobie głowy zdarzeniami, które z naszego punktu są zwyczajne. Najbardziej interesują nas bowiem te "niezwyczajne" — dodaje. Prof. Dyndał pracował w CERN-ie podczas tzw. drugiego przebiegu LHC w latach 2015 – 2018. Maszyna otrzymała wówczas kilka ulepszeń, a jednym z jej podstawowych zadań było pogłębienie wiedzy o bozonie Higgsa. — Było wtedy sporo odkryć. Przede wszystkim udało się zbadać bardziej skomplikowane, a także rzadsze kanały rozpadu [tak fizycy nazywają sposoby, w jaki rozpadają się cząstki — bo nie rozpadają się na cokolwiek, tylko na konkretne zestawy innych cząstek — przyp. red.] — dodaje profesor. Bozon Higgsa najczęściej rozpada się na parę kwarków pięknych (w skrócie: kwarki to cząstki, z których zbudowane są proton i neutron, chociaż w skład tych dwóch akurat piękny nie wchodzi), ale też — rzadziej — na parę leptonów tau, superciężkich kuzynów elektronu. Im rzadszy jest typ rozpadu, tym więcej kolizji, w których powstaje bozon Higgsa potrzebują naukowcy, żeby go zaobserwować. W LHC "boska cząstka" powstaje mniej więcej raz na miliard kolizji. Teraz będzie jeszcze gorzej niż z Higgsem Peter Higgs zawsze protestował, kiedy Wielki Zderzacz Hadronów przedstawiano jako maszynę do poszukiwania cząstki nazwanej jego nazwiskiem. I słusznie; fizycy na początku tego wieku dysponowali całą listą cząstek elementarnych, które miały wyskoczyć z nowego akceleratora jak króliki z kapelusza. Jeśli mielibyśmy umieścić je na talii kart, tak jak swego czasu Amerykanie robili to z wizerunkami terrorystów, to owszem — cząstka Higgsa z pewnością byłaby asem kier. Ale pod innymi, wysokimi figurami kryłyby się inne o dziwnie brzmiących nazwach zaczynających się na literę "s", jak selektron, sneutrino, skwark itd. Istnienie takich cząstek przewidują modele, które uwzględniają tzw. supersymetrię. Na jej mocy każda cząstka elementarna, jaką znamy otrzymuje tzw. superpartnera. Otrzymuje go także Higgs (ale nie nazywa się "shiggs", tylko "higgsino"). Ponieważ efektywnie podwaja to liczbę najmniejszych cegiełek materii, fizycy na początku wieku byli przekonani, że z LHC wysypie się deszcz cząstek. Nagrody Nobla miały się sypać jedna po drugiej. Tak się jednak nie stało. Pomimo dekady poszukiwań LHC nie trafił na ślad ani jednej cząstki zaczynającej się na "s". To sprawiło, że niektórzy zaczęli nawet przebąkiwać, że fizyka cząstek elementarnych znalazła się w kryzysie. Często wspomina o tym na swoim kanale na YouTube chociażby niemiecka fizyczka Sabine Hossenfelder. Fizycy jednak nie tracą nadziei. Jutro, to znaczy 5 lipca, zderzacz zaczyna kolejny, trzeci przebieg. Po czterech latach przerwy maszyna otrzymała kolejny zestaw ulepszeń i jest gotowa na następne odkrycia. Tym bardziej że w wyrywaniu naturze najgłębszych tajemnic wciąż jest w bród roboty. Oprócz dalszych badań Higgsa czy poszukiwania superpartnerów zZderzacz ma kolejne zadanie — odnaleźć w miliardach zderzeń ślady cząstek tzw. ciemnej materii. To jedna z największych zagadek współczesnej fizyki. Nazywamy ją "ciemną", ponieważ nie oddziałuje za pomocą znanych nam sił — a więc np. nie świeci. Nie jesteśmy więc w stanie dostrzec jej za pomocą teleskopu. Teleskop nie zaplątał się tutaj przypadkiem. Sugestia, jakoby istniało coś takiego jak "ciemna materia" wzięła się bowiem z obserwacji astronomicznych. Wnioskujemy, że istnieje, bo pozwala nam wytłumaczyć pewne obserwowane przez nas zjawiska, które inaczej nie powinny mieć miejsca. Podejrzewamy też, że — podobnie jak "zwykła", świecąca materia – musi składać się z jakichś cząstek. Poszukiwaniem tych cząstek zajmie się teraz LHC. Zadanie jednak nie jest proste. — Z ciemną materią jest jeszcze gorzej niż z bozonem Higgsa. W jego przypadku przynajmniej wcześniejsze pomiary zapewniły wskazówki, gdzie go szukać. Tutaj nie mamy nic — mówi prof. Dyndał, który sam uczestniczy w LHC w grupie, która poszukuje jednego z kandydatów na cząstki oddziałujące z ciemną materią – tzw. cząstek podobnych do aksjonów (to nie żart, naprawdę tak się nazywają w literaturze – w odróżnieniu od "zwykłych" aksjonów, innego typu postulowanych cząstek). Foto: Jim Shultz / Fermilab Poszukiwanie nowych zjawisk fizycznych to nie tylko zadanie dla LHC. Duży program badawczy neutrin działa w amerykańskim Fermilabie. Na zdjęciu prototyp eksperymentu DUNE zmontowany jeszcze w podgenewskim CERN LHC w trzecim przebiegu przyjrzy się również neutrinom. To najbardziej tajemnicze ze wszystkich cegiełek materii, jakie znamy. Przyczyna tego stanu rzeczy jest prosta: bardzo słabo oddziałują z innymi składnikami wszechświata. Dla przykładu: w każdej chwili przez twoje ciało, czytelniku, przelatują miliardy neutrin produkowanych przez naszą gwiazdę, czyli Słońce. Jeśli w ciągu życia chociaż jedno wejdzie w interakcję z atomem będącym składnikiem twojej cielesnej powłoki, to możesz się uważać za szczęściarza. Neutrina są tajemnicze z jeszcze innych względów. Po pierwsze, nie jesteśmy pewni, jaka jest ich masa. Nasze teorie przewidują, że nie powinny jej mieć, ale prawdopodobnie jednak ją mają, nawet jeśli bardzo mikrą. Po drugie wiemy, że masy neutrinom nie zapewnia mechanizm Higgsa – albo robi to w jakiś nieznany nam sposób. Te rzeczy wskazują, że nasz opis wszechświata jest jeszcze niekompletny. Innymi słowy mówiąc, świat nie różni się aż tak bardzo od tego w 1964 r., kiedy Peter Higgs i reszta opublikowali swoje artykuły. Dalej mamy masę hipotez do zbadania – i wiele zjawisk, których jeszcze nie udało nam się ująć w karby teorii.