Lov na Božju česticu

Mejrin pored Ženeve u Švajcarskoj: LHC (Large Hadron Collider)

Photo: EPA

U sredu 4. jula 2012. u Centru za Evropska Nuklearna Istraživanja objavljeno je da je viđena čestica koja može biti Higsov bozon. Napisano je kako je to čestica koja je nedostajala u Standardnom modelu i kako ona daje drugim česticama masu. Sve je to tačno, a ovaj tekst će biti moj pokušaj da čitaocima koji nemaju preveliko znanje iz fizike objasnim ovo naučno otkriće

Britanski fizičar Peter Higgs

Photo: EPA/Martial Terzzini

Dakle, važno je najpre objasniti šta je Standardni model i o čemu se tu zapravo radi? To je teorija koja objašnjava postojeću materiju od koje je sastavljen naš svet, i interakcije te materije, ustvari objašnjava tri od ukupno četiri interakcije. Četiri interakcije su gravitacija (koju Standardni model ne objašnjava), elektromagnetna, slaba i jaka interakcija. Gravitacija neće biti predmet ovog teksta. Elektromagnetna interakcija (sila) nam je najbliža, svi su se igrali sa magnetima, a i bez struje ne bi znali da živimo. Elektromagnetna interakcija je dugodometna i opada sa rastojanjem. Slaba interakcija je, na primer, odgovorna za β (beta) radioaktivni raspad, kad jezgro izrači elektron. Jaka interakcija ima za posledicu nuklearnu silu koja drži atomsko jezgro. Slaba i jaka interakcija su kratkodometne. Svaka od ovih interakcija ima i svoje prenosioce. Najpoznatiji prenosilac je foton, koji je čestica svetlosti, odnosno prenosilac elektromagnetne interakcije. Prenosioci slabe interakcije su pozitivni i negativni W, i Z, dok su prenosioci jake interakcije osam gluona.

Čestice materije dele se na dve kategorije, leptone i kvarkove. Najpoznatiji lepton je elektron, dok su recimo “up” (u) i ”down” (d) kvark sastavni deo protona, uud, i neutrona udd.

Leptoni i kvarkovi postoje u tri generacije. Prva generacija leptona su elektron i njegov neutrino i oni čine par, dok su prva generacija kvarkova već pomenuti u i d. Sva vidljiva materija sastoji se od čestica prve generacije, odnosno od elektrona, i u i d kvarkova. Druge dve generacije su mion i njegov neutrino, i “charm” (c), i “strange” (s) kvark, odnosno tau i njegov neutrino, i “top” (t), i “bottom” (b) kvark. Od svih čestica druge i treće generacije, u prirodi su izmereni mioni, i neutrina, dok su ostale proizvedene u laboratorijskim uslovima.

Primetićete da sve čestice pišem u paru. Na te parove ću se vratiti kasnije, ovde ću samo pomenuti da su neutrina gornji tip leptona, a elektron, mio i tau, donji, dok su u, c, i t gornji tip kvarkova, a, d, s i b donji tip kvarkova. Svaka generacija ima veću masu nego prethodna u okviru iste kategorije, odnosno, m(tau) > m(mion) > m(e), gde je m - masa. Osim kod neutrina, gde su oni u Standardnom modelu bezmaseni, iako znamo da poseduju neku malu masu. Masa neutrina ne može se objasniti u Standardnom modelu i neće biti predmet ovog teksta.

Kontrolni centar CERN: Naučnici pozdravljaju uspešno izdvajanje nove čestice uz pomoć aparata LHC (Large Hadron Collider), najvećeg razbijača atoma na svetu

Photo: EPA/Fabrice Coffrini

Ovde ću uvesti osobinu, koja se kod nas najbolje prevodi kao naboj (charge), koja je u stvari kvantna osobina koju svaka čestica poseduje. Ovo je dosta jednostavno shvatiti na primeru naelektrisanja, ili električnog naboja. Ukoliko je naelektrisanje čestice nula, ona neće interagovati elektromagnetnom interakcijom, odnosno elektromagnetna sila neće uticati na nju. Elektron ima naelektrisanje -1, proton, na primer, +1, a naelektrisanje kvarkova nije ceo broj, gornji tip kvarkova ima naelektrisanje +2/3, donji tip kvarkova -1/3. Masa čestice je takođe naboj, kao i spin.

Aparat od 100 tona: Toroidal LHC ApparatuS

Photo: EPA/Martial Terzzini

Jedna od osnovnih karakteristika fizike su simetrije. One su nam, takođe, poznate iz svakodnevnog života. Recimo, potpuno belu loptu možete okretati u svim pravcima i uvek će izgledati isto. Lopta poseduje sfernu simetriju. Sve interakcije ranije pomenute poseduju neku simetriju. Ukoliko ova simetrija postoji, to znači da ne možete da razlikujete dva stanja jednog objekta, kao kod pomenute lopte. Ukoliko na lopti nacrtate crveni krug, ta lopta više nema početnu simetriju i, prilikom okretanja, razlikovaćete stanje objekta, tj. lopte. Crtanjem kruga narušili ste početnu simetriju.

Simetrije mogu biti globalne i lokalne, što znači da nemaju ograničenje u vremenu i prostoru, ali i neprekidne, kao sferna, ili diskretne, poput simetrije ogledala. Tri diskretne simetrije su veoma bitne, pomenute simetrija ogledala, odnosno inverzija koordinata, vremenska simetrija (kretanje u vremenu napred i nazad), kao i inverzija naboja, najilustrativnije kod naelektrisanja, simetrija pozitivnog i negativnog. Simetrije mogu biti i unutrašnje i to su sve simetrije koje su povezane sa interakcijama u prirodi.

Vec pomenuti spin je karakteristika jedne od ovih unutrašnjih simetrija i poznat nam je iz opisa atoma. Njegova vrednost može biti celobrojna, 0, 1, 2... ili polucela, 1/2, 3/2… Na primer, elektron ima spin ½. Iz fizike atoma, koja se uči u srednjoj školi, pominjalo se kako u svakom stanju imamo dva elektrona.

U stvari, ako je spin čestice n, postoji 2*n+1 projekcija, odnosno spin ½ ima dve projekcije, +1/2 i -1/2. Pa su pomenuta dva elektrona u različitom stanju, jedan je +1/2, drugi -1/2. Međutim, u atomu mi ne možemo da ih razlikujemo, pošto je simetrija odgovorna za spin nenarušena. Ta slika se menja ako uključimo nehomogeno magnetno polje, kada možemo razlikovati ova dva stanja spina. Tu dolazimo do prirode čestica sa polucelim spinom. Kod njih dve čestice ne mogu okupirati isto stanje, i ona dva elektrona imaju različitu projekciju spina. Odnosno, čestice sa polucelim spinom poštuju Paulijev princip isključivosti i povinuju se Pauli-Dirakovoj statistici. To su fermioni. Svi leptoni su fermioni. Čestice sa celobrojnim spinom ponašaju se drugačije. Naime, neograničeno mnogo njih može da se nalazi u istom stanju, tj. one se povinuju Bose-Ajnštajnovoj statistici. To su bozoni. Sve čestice prenosioci interakcija su bozoni. Ukoliko je spin 0, čestica je skalar, spin 1 odgovara vektoru, spin 2 tenzoru.

Lovci na Božju česticu: Fizičari François Englert i Peter Higgs

Photo: EPA/Martial Terzzini

Svi pomenuti i pronađeni prenosioci interakcija imaju spin 1, dok hipotetički, neotkriveni, prenosilac gravitacije, graviton, treba da ima spin 2. Higsova čestica (bozon) ima spin 0 i predstavlja skalar.

Pre nego što pređemo na Higsov bozon, napomena o antičesticama. To je objekat koji ima istu masu kao i čestica, ali suprotno naelektrisanje i još neke kvantne brojeve. Pri sudaru materije i antimaterije dolazi do anihilacije, odnosno nastaje energija. Na primer, pri sudaru elektrona i njegove antičestice, pozitrona, dobijamo fotone.

Otkud ovde Higsov bozon? Šezdesetih godina prošlog veka bilo je poznato postojanje elektrona i činjenica da ima masu, uhvaćeni su i mioni, detektovana neutrina. Znalo se da postoje čestice koje prenose svetlost, fotoni, kvanti elektromagnetne sile. Takođe, bilo je poznato da protoni i neutroni nisu elementarni, a i viđeno je dosta novih čestica koje interaguju jakom silom. U to vreme nastajao je standardni model koji je objedninjavao elektomagnetnu i slabu interakciju u elektroslabu.

CERN eksperiment: 27 kilometara tunela za koliziju proton-proton

Photo: EPA/Martial Terzzini

Takođe je bilo poznato da fotoni treba da budu bez mase pošto je elektromagnetna sila dugodometna. Bilo je još nekoliko teorijskih rezultata povezanih sa simetrijom, ali nema potrebe ulaziti u detalje. U najkraćem, smatralo se da su ranije pomenute simetrije globalne i nenarušene. Problem ove teorije bila je masa čestica, jer ukoliko su simetrije globalne i nenarušene, sve čestice bi bile bez mase. Negde u to vreme, šestorica fizičara (Robert Brout, François Englert, Peter Higgs, Gerald Guralnik, C. Richard Hagen i Tom Kibble ) napisali su tri rada u kojima su došli do sličnog zaključka. Simetrija je narušena, pri tom narušenju simetrije pojavljuje se nova čestica, nazvana Higsov bozon (ponegde BEH, ponegde BEHGHK). Da bi se simetrija narušila, uvodi se koncept Higsovog polja sa kojim sve čestice sa masom interaguju, i kroz tu interakciju dobijaju masu.

Ako se setimo da je masa mera inercije sistema, odnosno ako je masa veća, telo će pri kretanju osećati veći otpor, i obrnuto, sve će biti razumljivije na primeru jedne žurke: ljudi su normalno raspoređeni, tada ulazi poznata osoba i oko nje se pravi gužva od okupljenih ljudi. Poznata osoba je čestica, ljudi su Higsovo polje, grupa okupljenih oko poznate osobe daje joj masu, što znači da Higsovo polje daje masu čestici. Ako zamislimo istu prostoriju i iste aktere, i nekog ko sa vrata dobaci da će ući poznata osoba, glasina o tome izazvaće približavanje ljudi i ta glasina je masa Higsa.

Tevatron akcelerator u Ilinoisu

Photo: EPA

Dakle, Standardni model danas se sastoji od čestica koje čine materiju, interakcija među njima i spontanog narušenja simetrije, odnosno Higsovog polja. Jednom kad je tako definisan, krajem šezdesetih, ostalo je da pronađemo ostale čestice. Sam model je predvideo i osobine novih čestica. Tako su vremenom pronađeni svi kvarkovi, poslednji je top kvark otkriven u Fermilabu 1995. Pronađeni su i W i Z bozoni, kao i gluoni. Sa osobinama koje su predviđene. Mnoge osobine ovih čestica su izmerene veoma precizno, kao na primer, mase. Kako je Standardni model samo teorija, tj. skup formula, on ima i svoje parametre, ukupno 18 i svi oni su izmereni veoma precizno i jako su male razlike između izračunatih i izmerenih vrednosti. Osim jedne, mase Higsovog bozona. Zapravo, jedan jedini deo koji je do pre nekoliko dana nedostajao je upravo Higsov bozon.

U sredu, 4 jula 2012. naučnici iz Cerna saopšitili su da su otkrili novu česticu koja moze biti Higsov bozon. Da li stvarno, saznaćemo u narednih nekoliko meseci ili godina. U međuvremenu, do sledećeg nastavka, toplo preporučujem particleadventure.org, gde postoji i prevod na srpski jezik.

*Autorka je naučnica na Univerzitetu Brown. Trenutno radi na eksperimentu D0 na Tevatronu. Za Higsovom česticom traga od 2000. godine, a publici e-novina će predusretljivo odgovarati na sva (dobra) pitanja o naučnom eksperimentu u Švajcarskoj