W SERII UKAZAŁY SIĘ:

w 2012 roku:

Richard Dawkins: Samolubny gen

Ian Stewart: Dlaczego prawda jest piękna. O symetrii w matematyce i fizyce

Günter Nimtz, Astrid Haibel: Przestrzeń czasu zerowego. Tunelowanie kwantowe i prędkości nadświetlne

Ian Stewart: Stąd do nieskończoności. Przewodnik po krainie dzisiejszej matematyki

John D. Barrow: Księga wszechświatów

Shing-Tung Yau, Steve Nadis: Geometria teorii strun. Ukryte wymiary przestrzeni

Leon Lederman, Dick Teresi: Boska cząstka. Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?

David A. Weintraub: Ile lat ma wszechświat. Wielkie pytanie i wielka podróż ku odpowiedzi

Brian Greene:Ukryta rzeczywistość. W poszukiwaniu wszechświatów równoległych

Ian Sample: Peter Higgs. Poszukiwania boskiej cząstki

w 2013 roku

Lisa Randall: Pukając do nieba bram. Jak fizyka pomaga zrozumieć Wszechświat

Paul Davies: Milczenie gwiazd. Poszukiwania pozaziemskiej inteligencji

Leon Lederman: Zrozumieć niepojęte. Fizyka kwantowa i rzeczywistość

Christopher Hill, Frank Close: Zagadka nieskończoności. Kwantowa teoria pola na tropach porządku Wszechświata

Stephen Oppenheimer: Pożegnanie z Afryką. Jak człowiek zaludniał świat…

Bruce Rosenblum: Zagadka teorii kwantów. Zmagania fizyki ze świadomością

w 2014 roku

Lawrence M. Krauss: Wszechświat z niczego. Dlaczego istnieje raczej coś niż nic

Jim Baggott: Higgs. Odkrycie boskiej cząstki

Caleb Scharf: Silniki grawitacji. Jak czarne dziury rządzą galaktykami i gwiazdami

Tytuł oryginału

THE PARTICLE AT THE END OF THE UNIVERSE

How the Hunt for the Higgs Boson Leads Us to the Edge of a New World

Copyright © Sean Carroll 2012

All rights reserved

Projekt okładki

Prószyński Media

Ilustracja na okładce

Zbigniew Larwa / CERN

Redaktor serii

Adrian Markowski

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Anna Kaniewska

ISBN 978-83-7961-860-6

Warszawa 2014

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Ludzie nie zdają sobie sprawy, jak duże znaczenie

ma nowa rzeczywistość

Joe Incandela, rzecznik zespołu detektora CMS

prowadzącego badania w Wielkim Zderzaczu Hadronów

Prolog

JoAnne Hewett jest wyraźnie oszołomiona, ale uśmiecha się szeroko, mówiąc z przejęciem do obiektywu kamery. Na przyjęciu w szwajcarskim konsulacie w San Francisco słychać głośny szum rozmów podekscytowanych gości. To wyjątkowa okazja do świętowania: w tunelu Wielkiego Zderzacza Hadronów niedaleko Genewy zaczęły krążyć pierwsze protony. Wielki Zderzacz Hadronów, w skrócie LHC od ang. Large Hadron Collider, to olbrzymi akcelerator cząstek wybudowany pod granicą francusko-szwajcarską, który ma posłużyć uczonym do odkrycia tajemnic Wszechświata. Szampan leje się szerokim strumieniem i trudno się temu dziwić[1]. Hewett mówi podniesionym głosem, akcentując każde słowo:

– Czekałam na ten dzień Dwadzieścia. Pięć. Lat.

To była wielka chwila. Właśnie wtedy, w 2008 roku, fizycy osiągnęli w końcu to, o czym marzyli od dawna i co ich zdaniem było konieczne, by móc uczynić kolejny wielki krok naprzód: uruchomili gigantyczny akcelerator cząstek umożliwiający zderzanie ze sobą protonów rozpędzonych do bardzo dużej energii. Przez chwilę wydawało się, że urządzenie takie powstanie w Stanach Zjednoczonych, ale wypadki potoczyły się inaczej, niż planowano. W 1983 roku, gdy Kongres zatwierdził budowę Nadprzewodzącego Superzderzacza (w skrócie SSC, od ang. Superconducting Super Collider) w Teksasie, Hewett rozpoczynała dopiero studia. Zgodnie z założeniami SSC miał rozpocząć pracę przed rokiem 2000 i byłby wówczas największym akceleratorem, jaki kiedykolwiek powstał. Podobnie jak wielu innych utalentowanych i ambitnych fizyków jej pokolenia, Hewett wierzyła, że dzięki odkryciom dokonywanym za pomocą tego urządzenia będzie mogła rozwinąć wspaniałą karierę naukową.

Ostatecznie jednak zaniechano budowy SSC i fizycy pełni nadziei, że dzięki temu urządzeniu będą mieli pełne ręce roboty przez najbliższe dziesięciolecia, stracili nagle grunt pod nogami. Teraz w Wielkim Zderzaczu Hadronów, podobnym pod wieloma względami do tego, czym mógł być SSC, już wkrótce zacznie krążyć pierwsza wiązka i Hewett wraz z kolegami jest na to gotowa jak nigdy.

– W ciągu ostatnich dwudziestu pięciu lat brałam na warsztat każdą nową szaloną teorię fizyczną i wyznaczałam jej sygnaturę [parametry pozwalające rozpoznać nowe cząstki] w SSC lub LHC – mówi.

Jest jeszcze jedna, bardziej osobista przyczyna, dla której czuła się wówczas tak oszołomiona. Na ekranie widać, że jej rude włosy są przycięte bardzo krótko, niemal po wojskowemu. Nie wynika to jednak z najnowszych trendów mody. Przed kilkoma miesiącami dowiedziała się, że ma inwazyjnego raka piersi, który w jednym przypadku na pięć może okazać się śmiertelny. Zdecydowała się na niezwykle agresywne leczenie obejmujące chemioterapię silnymi lekami i niekończące się zabiegi chirurgiczne. Jej piękne rude włosy, sięgające zwykle do pasa, szybko zniknęły. Uśmiechając się, przyznaje, że czasami na duchu podtrzymywały ją rozmyślania o tym, jakie to nowe cząstki uda się odkryć w LHC.

Znamy się z JoAnne już od wielu lat, jako koledzy po fachu i przyjaciele. Ja zajmuję się głównie kosmologią, czyli badaniem Wszechświata jako całości, a od pewnego czasu mamy w tej dziedzinie złoty okres przejawiający się zalewem nowych informacji i zaskakujących odkryć. Natomiast fizyka cząstek, nieodłączna towarzyszka kosmologii, od lat cierpiała na brak nowych danych doświadczalnych, które mogłyby zachwiać podstawami ustalonych teorii i doprowadzić do odkrycia nowych idei. Taki stan rzeczy doskwierał uczonym przez bardzo długi okres. Gordona Wattsa z Uniwersytetu Stanu Waszyngton w Seattle, jednego z fizyków zaproszonych na przyjęcie, zapytano, czy to długie oczekiwanie na uruchomienie LHC było stresujące.

– Och, bez wątpienia – odparł. – Jak widzicie, trochę już posiwiałem. Moja żona twierdzi, że to z powodu naszego dziecka, ale ja wiem, że tak naprawdę przyczynił się do tego LHC.

W fizyce cząstek rozpoczyna się nowa epoka, w której jedne teorie legną w gruzach, a inne potwierdzą swoją słuszność. Każdy z fizyków obecnych na przyjęciu ma swój ulubiony model – teorię obejmującą bozony Higgsa, supersymetrię, technikolor, dodatkowe wymiary lub ciemną materię – będący kłębowiskiem egzotycznych idei, z których wynikają fantastyczne wnioski.

– Ja mam nadzieję, że badania w LHC pokażą, iż żadna z tych teorii nie odpowiada prawdzie – mówi z entuzjazmem Hewett. – Jestem święcie przekonana, że czeka nas duże zaskoczenie, ponieważ natura jest mądrzejsza od nas i przygotowała dla nas jeszcze wiele niespodzianek. Będziemy się doskonale bawić, próbując to wszystko rozwikłać. Wprost nie mogę się tego doczekać!

Wszystko to działo się w 2008 roku. W 2012, cztery lata po przyjęciu zorganizowanym z okazji uruchomienia Wielkiego Zderzacza Hadronów, oficjalnie rozpoczęła się epoka odkryć. Hewett ma ponownie długie włosy. Leczenie było niezwykle bolesne, ale wydaje się, że odniosło skutek. Eksperyment, na który czekała od tak dawna, staje się częścią rzeczywistości. Po dwudziestu pięciu latach teoretyzowania może w końcu skonfrontować swoje idee z prawdziwymi danymi opisującymi nigdy wcześniej niewidziane cząstki i oddziaływania, które natura skrzętnie przed nami ukrywała. Aż do dziś.

Wykonajmy przeskok w czasie do 4 lipca 2012 roku, pierwszego dnia Międzynarodowej Konferencji Fizyki Wysokich Energii. Konferencję tę organizuje się co dwa lata, za każdym razem w innym mieście – tym razem nadeszła kolej na Melbourne w Australii. Setki fizyków cząstek – wśród nich JoAnne Hewitt – wypełniły szczelnie salę, by wziąć udział w wyjątkowym seminarium. Za chwilę okaże się, jakie korzyści przyniosły olbrzymie inwestycje w budowę LHC i co otrzymają fizycy po tak długim wyczekiwaniu.

Prezentacja jest transmitowana do Melbourne z CERN-u – laboratorium w Genewie, w którym mieści się LHC. Zaplanowano dwa wystąpienia, które w normalnych warunkach zostałyby wygłoszone w Melbourne jako jeden z punktów programu konferencji. Organizatorzy zdecydowali jednak w ostatniej chwili, że w wydarzeniu tej rangi powinni uczestniczyć wszyscy, dzięki którym odniesienie tego sukcesu było w ogóle możliwe. O tym, że była to trafna decyzja, świadczą setki fizyków, którzy ustawili się w CERN-ie w kolejce na wiele godzin przed rozpoczęciem wykładu. Ponieważ początek uroczystości zaplanowano na 9.00 rano czasu lokalnego, wielu z oczekujących spędziło pod salą całą noc w śpiworach, by zapewnić sobie dobre miejsce.

Rolf Heuer, dyrektor generalny CERN-u, przedstawia plan wystąpień. Wykłady wygłosi dwoje fizyków: Amerykanin Joe Incandela i Włoszka Fabiola Gianotti – rzecznicy dwóch najważniejszych zespołów zbierających i analizujących dane z LHC. W każdej z tych grup pracuje ponad trzy tysiące badaczy, których większość śledzi teraz w napięciu te wydarzenia na ekranach monitorów komputerowych rozsianych po całym globie. Wystąpienia są transmitowane na żywo nie tylko do Melbourne – za pośrednictwem Internetu każdy, kto tylko chce, może razem z uczonymi poznać uzyskane wyniki. Trudno nie zauważyć, że to odpowiednie medium do świętowania sukcesu współczesnej Wielkiej Nauki – są to w końcu międzynarodowe badania, w których wykorzystuje się najnowsze zdobycze techniki, a gra toczy się o niezwykle wysoką stawkę.

W wystąpieniach Gianotti i Incandeli można było wyczuć ślady zdenerwowania, ale przedstawiane przez nich fakty mówiły same za siebie. Na początku oboje podziękowali z całego serca licznej grupie inżynierów i uczonych, bez których przeprowadzenie tych doświadczeń nie byłoby możliwe. Następnie wyjaśnili, dlaczego powinniśmy uwierzyć w wyniki, które za chwilę zaprezentują – pokazali, że rozumieją działanie wykorzystywanych urządzeń, a analiza danych została przeprowadzona dokładnie i rzetelnie. Dopiero po takim starannym przygotowaniu gruntu Gianotti i Incandela przedstawili rezultat poszukiwań.

Oto i on. Kilka wykresów, które dla niewtajemniczonych wyglądają zupełnie niepozornie, można jednak na nich zauważyć jedną, powtarzającą się cechę: wystąpienie większej, niż oczekiwano liczby zdarzeń (grup cząstek powstających w pojedynczym zderzeniu) o określonej energii. Wszyscy obecni na sali fizycy od razu wiedzieli, co to oznacza – wykryto nową cząstkę. Wielki Zderzacz Hadronów pokazał nam fragment przyrody, którego dotychczas nikomu nie udało się zobaczyć. Incandela i Gianotti przedstawili następnie wyniki żmudnej analizy statystycznej, która ma za zadanie oddzielić prawdziwe odkrycia od niefortunnych zbiegów okoliczności i w przypadku obu zespołów ostateczny werdykt brzmiał jednoznacznie: Mamy odkrycie.

Oklaski. W Genewie, w Melbourne i na całym świecie. Udało się zebrać tak dokładne i jednoznaczne dane, że nawet uczeni od wielu lat biorący udział w tych pracach nie mogą w to uwierzyć. Walijski fizyk Lyn Evans, który jak nikt inny przyczynił się do pokonania początkowych trudności i doprowadzenia całego przedsięwzięcia do szczęśliwego końca, przyznał, że „zupełnie go zatkało”, gdy zobaczył niespotykaną zgodność wyników uzyskanych w obu detektorach[2].

Ja również byłem tamtego dnia w CERN-ie. Wcieliłem się w rolę dziennikarza i dotarłem do pomieszczenia dla prasy znajdującego się tuż obok głównej sali. Dziennikarze nie powinni oklaskiwać relacjonowanych przez siebie wydarzeń, ale zgromadzeni w CERN-ie reporterzy ulegli magii chwili. Nie był to jedynie sukces CERN-u, czy nawet fizyki – było to osiągnięcie całej ludzkości.

Wydaje się, że wiemy, co udało się nam odkryć: nową cząstkę elementarną o nazwie „bozon Higgsa” (nazwaną tak na cześć szkockiego fizyka Petera Higgsa). Osiemdziesięciotrzyletni Higgs również znajdował się na sali i był wyraźnie poruszony:

– Nie sądziłem, że zdarzy się to jeszcze za mojego życia – wyznał[3].

Wśród zaproszonych gości było także kilku innych, starszych już fizyków, którzy razem z Higgsem przedstawili tę samą koncepcję w 1964 roku. Nazwy teorii fizycznych nie zawsze oddają sprawiedliwość ich twórcom, ale w tej chwili wszyscy mogli cieszyć się z osiągniętego sukcesu.

Czym więc jest ów bozon Higgsa? Jest cząstką elementarną, a takich nie ma zbyt wiele. W dodatku jest bardzo szczególnym rodzajem cząstki. We współczesnej fizyce wyróżnia się ich trzy rodzaje. Pierwszy stanowią cząstki materii, takie jak elektrony i kwarki, tworzące atomy, z których zbudowane jest wszystko, co widzimy wokół siebie. Drugi to cząstki pośredniczące przenoszące grawitację, elektromagnetyzm i oddziaływania jądrowe, dzięki którym cząstki materii utrzymują się blisko siebie. Ostatni, trzeci rodzaj stanowi cząstka Higgsa, będąca klasą sama dla siebie.

O znaczeniu cząstki Higgsa decyduje nie to, czym jest, ale to, co robi. Cząstka ta powstaje za sprawą pola wypełniającego całą przestrzeń, które nazywamy „polem Higgsa”. Wszystko, co istnieje w znanym nam Wszechświecie i porusza się w przestrzeni, musi przemierzać pole Higgsa. Ono istnieje w każdym miejscu i czai się niewidzialne gdzieś w tle. Fakt ten nie jest bez znaczenia: bez pola Higgsa elektrony i kwarki byłyby bezmasowe, tak jak fotony, cząstki światła. Gdyby tak było, również one poruszałyby się z prędkością światła i nie mogłyby tworzyć atomów ani cząsteczek, nie mówiąc już o jakichkolwiek znanych nam istotach żywych. Pole Higgsa nie jest aktywnym czynnikiem biorącym udział w oddziaływaniach zwyczajnej materii, ale jego obecność w tle ma kluczowe znaczenie. Bez niego świat wyglądałby zupełnie inaczej. I teraz udało nam się je odkryć.

W tym miejscu muszę jednak zamieścić pewne zastrzeżenie. Tak naprawdę udało nam się zdobyć dowody na istnienie cząstki przypominającej bardzo cząstkę Higgsa. Ma ona właściwą masę, a także powstaje i rozpada się mniej więcej tak, jak należałoby się tego spodziewać po bozonie Higgsa. Na razie jest jednak jeszcze za wcześnie na to, by móc z całą pewnością stwierdzić, że uczeni zaobserwowali prostą cząstkę Higgsa, której istnienie przewidują podstawowe modele. Nie można wykluczyć, że jest to coś bardziej skomplikowanego – może nawet część złożonej struktury powiązanych ze sobą cząstek. Nie ulega jednak wątpliwości, że odkryliśmy jakąś nową cząstkę, która zachowuje się tak, jak powinien się zachowywać bozon Higgsa. Na potrzeby tej książki przyjmiemy więc, że 4 lipca 2012 roku był dniem, w którym ogłoszono odkrycie bozonu Higgsa. Jeśli w przyszłości okaże się, że rzeczywistość jest bardziej złożona, to tym lepiej dla wszystkich – fizycy uwielbiają niespodzianki.

Uczeni mają nadzieję, że odkrycie cząstki Higgsa będzie początkiem nowej epoki w fizyce cząstek. Wiemy, że fizyka jest bardzo skomplikowana i nie potrafimy jej obecnie w pełni wyjaśnić. Badanie cząstki Higgsa pozwoli nam zajrzeć do światów, których nikt jeszcze nie widział. Fizycy doświadczalni, tacy jak Gianotti i Incandela, mają nowy obiekt badań. Teoretycy, tacy jak Hewett – nowe wskazówki pozwalające konstruować lepsze modele. W naszych dążeniach do zrozumienia Wszechświata udało nam się wreszcie zrobić olbrzymi, od dawna wyczekiwany krok naprzód.

Jest to opowieść o ludziach, którzy poświęcili swoje życie badaniom ostatecznej natury rzeczywistości – a cząstka Higgsa jest jej kluczowym elementem. Są wśród nich teoretycy, siedzący przy biurku z ołówkiem w ręku, rozmyślający o abstrakcyjnych ideach, których przy życiu utrzymuje tylko mocna kawa i zacięte dyskusje z kolegami. Są także inżynierowie, którzy wyciskają z urządzeń i układów elektronicznych maksimum tego, na co pozwala współczesna technika. Przede wszystkim jednak są w tej grupie fizycy doświadczalni, potrafiący umiejętnie wykorzystać te urządzenia i idee do odkrycia czegoś nowego. Zaawansowane badania fizyki współczesnej wiążą się z koniecznością wykonania projektów o budżecie wynoszącym miliardy dolarów, których realizacja zajmuje całe dziesięciolecia. W takiej sytuacji uczeni muszą być gotowi do nadzwyczajnego poświęcenia i grania o wysoką stawkę. Gdy wszystko to jest na swoim miejscu – świat się zmienia.

Życie jest piękne. Wychylmy jeszcze jeden kielich szampana.

1 Wpis JoAnne Hewett na blogu „Cosmic Variance” z 11 września 2008 roku: http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2008/09/11/giddy-physicists/.

2 Wywiad z Lynem Evansem przeprowadzony 4 lipca 2012 roku.

3 Wywiad z Peterem Higgsem z 10 lipca 2012 roku, zamieszczony na portalu internetowym magazynu „New Scientist”, http://www.newscientist.com/article/dn22033-peter-higgs-boson-discovery-like-being-hit-by-a-wave.html.

Rozdział 1

Sedno

W którym zastanawiamy się, dlaczego grupa utalentowanych i pracowitych ludzi poświęciła życie na poszukiwanie obiektów tak małych, że nie można ich zobaczyć.

Fizyka cząstek to dziwna dziedzina. Tysiące ludzi wydają miliardy dolarów na budowę olbrzymich urządzeń o średnicy wielu kilometrów, które służą do rozpędzania cząstek subatomowych do prędkości bliskich prędkości światła, a następnie rozbijania ich o siebie. Wszystko po to, by móc odkryć i zbadać inne cząstki subatomowe, które w zasadzie nie mają żadnego znaczenia dla nikogo, poza fizykami cząstek.

Tak przynajmniej wygląda to z jednego punktu widzenia. A oto spojrzenie z innego: Fizyka cząstek jest najczystszym przejawem ludzkiego zainteresowania światem, w którym żyjemy. Ludzie zawsze stawiali pytania, a za sprawą badań zapoczątkowanych przez Greków ponad dwa tysiące lat temu wrodzona nam potrzeba poznawania otoczenia przekształciła się w systematyczny, ogólnoświatowy wysiłek mający na celu odkrycie podstawowych praw rządzących Wszechświatem. Fizyka cząstek ma swoje bezpośrednie źródło w naszej nieodpartej potrzebie zrozumienia świata. To nie cząstki motywują nas do działania, ale ludzkie pragnienie zrozumienia wszystkiego, czego nie wiemy.

Początek XXI wieku jest momentem zwrotnym. Poprzedniego naprawdę zaskakującego odkrycia w akceleratorze cząstek dokonano w latach siedemdziesiątych XX stulecia – ponad trzydzieści pięć lat temu. (Podanie dokładnej daty wymagałoby doprecyzowania, co uważamy za „zaskakujące”). Nie wynika to stąd, że fizycy doświadczalni popadli w jakiś letarg – wręcz przeciwnie: bezustannie usprawniali aparaturę doświadczalną i badali obszary, które jeszcze przed chwilą wydawały się nieosiągalne. Problem polegał na tym, że nie udało im się zobaczyć nic nieoczekiwanego. Dla uczonych, którzy pragną wciąż być zaskakiwani, taka sytuacja jest nie do zniesienia.

Innymi słowy, sednem problemu nie było to, że doświadczenia są nieodpowiednie, ale raczej to, że teoria jest zbyt dobra. W wyspecjalizowanym świecie współczesnej nauki „fizyk doświadczalny” i „teoretyk” mają do odegrania zupełnie różne role, szczególnie w fizyce cząstek. Bezpowrotnie minęły już czasy omnibusów, choć jeszcze na początku XX wieku genialny fizyk, na przykład Włoch Enrico Fermi, mógł zaproponować nową teorię oddziaływań słabych, a potem zająć się czymś zupełnie innym i pokierować budową urządzenia umożliwiającego przeprowadzenie pierwszej sztucznej łańcuchowej reakcji jądrowej. Obecnie rola teoretyków fizyki cząstek polega na zapisywaniu na tablicy równań, które ostatecznie przekształcą się w konkretne modele. Ich sprawdzenie jest już zadaniem dla fizyków doświadczalnych, którzy gromadzą dane z niezwykle dokładnych urządzeń. Najlepsi teoretycy uważnie śledzą przebieg doświadczeń, a fizycy doświadczalni przyglądają się pracom teoretyków, ale nikt nie może być mistrzem w obu dziedzinach.

W latach siedemdziesiątych uczeni wprowadzili ostatnie poprawki do naszej najlepszej teorii fizyki cząstek, która znana jest pod wyjątkowo nieciekawą nazwą: „Model Standardowy”. To właśnie Model Standardowy opisuje kwarki, gluony, neutrina i wszystkie pozostałe cząstki elementarne, o których mogliście słyszeć. Tak jak w przypadku sław Hollywood i charyzmatycznych polityków, teorie naukowe stawia się na piedestale tylko po to, by móc je potem z niego strącić. Nikt nie zostanie słynnym fizykiem, gdy udowodni, że jakaś teoria jest poprawna – aby zyskać sławę, należy pokazać, że dana teoria jest błędna, albo zaproponować w jej miejsce coś lepszego.

Jednak Model Standardowy uparcie opiera się wszelkim atakom. Już od kilku dziesięcioleci wszystkie doświadczenia, jakie możemy przeprowadzić tu, na Ziemi, nieodmiennie potwierdzają jego przewidywania. Już całe nowe pokolenie fizyków cząstek zdążyło pokonać wszystkie szczeble kariery naukowej, od studenta do profesora, bez odkrycia lub wyjaśnienia jakiegoś nieznanego zjawiska. Oczekiwanie na coś nowego stało się trudne do zniesienia.

Teraz jednak wszystko ulega zmianie. Wielki Zderzacz Hadronów zderza ze sobą cząstki z energią, jakiej nigdy wcześniej nie udało nam się osiągnąć, i dzięki temu zapoczątkował nową epokę w fizyce. Nie chodzi tu tylko o to, że energia ta jest wyższa. Ważne jest to, że LHC osiągnął energię, o której fizycy marzyli od wielu lat, ponieważ spodziewają się w niej znaleźć nowe cząstki przewidywane przez teorię, a jeśli szczęście dopisze, to również kilka niespodzianek. Jest to energia, w której skrywa swoje tajemnice siła nazywana „oddziaływaniem słabym”.

Gra toczy się o wysoką stawkę. Gdy wkracza się po raz pierwszy na nieznany teren, wszystko może się zdarzyć. Powstało całe mnóstwo rywalizujących ze sobą modeli teoretycznych próbujących przewidzieć, co odkryje LHC. Trudno stwierdzić, co możemy zobaczyć, zanim spojrzymy. Wśród wszystkich tych spekulacji główne miejsce zajmuje bozon Higgsa – niepozorna cząstka będąca jednocześnie ostatnim brakującym kawałkiem Modelu Standardowego i pierwszym przebłyskiem świata wykraczającego poza tę teorię.

WIELKI WSZECHŚWIAT Z MAŁYCH KAWAŁKÓW

W południowej Kalifornii, na wybrzeżu Oceanu Spokojnego, jakieś półtorej godziny jazdy samochodem z mojego domu w Los Angeles, znajduje się magiczne miejsce, w którym spełniają się marzenia: Legoland. Zwiedzając Wyspę Dinozaurów, Miasto Zabaw i inne atrakcje, dzieci mogą podziwiać skomplikowany świat zbudowany z klocków Lego, czyli z maleńkich plastikowych elementów, które można ze sobą łączyć na nieskończenie wiele sposobów.

Pod wieloma względami Legoland przypomina prawdziwy świat. Widzimy wokół siebie różnorodne substancje: drewno, plastik, tkaniny, szkło, metal, powietrze, wodę i organizmy żywe. Są to bardzo różne obiekty o zupełnie odmiennych właściwościach. Jeśli jednak przyjrzeć im się z bliska, odkryjemy, że w istocie substancje te wcale tak bardzo się od siebie nie różnią. Wszystkie są w gruncie rzeczy różnymi kombinacjami niewielkiej liczby podstawowych elementów. Tymi klockami materii są cząstki elementarne. Podobnie jak budynki w Legolandzie, stoły, samochody, drzewa i ludzie są przykładem zdumiewającej różnorodności, jaką można uzyskać z niewielkiej liczby prostych elementów połączonych ze sobą w różnorodny sposób. Pojedynczy atom jest około biliona razy mniejszy od klocka Lego, ale obowiązujące w jego przypadku zasady są podobne.

Zwykle nie zastanawiamy się nad tym, że materia składa się z atomów. O tym fakcie dowiadujemy się w szkole przy okazji przeprowadzania doświadczeń chemicznych w pracowni z układem okresowym pierwiastków na ścianie. W takiej sytuacji łatwo można przeoczyć, jak bardzo jest to zdumiewające. Istnieją rzeczy twarde i miękkie, lekkie i ciężkie. Niektóre substancje są ciekłe, inne są ciałem stałym, a jeszcze inne występują w stanie gazowym. Spotykamy też przedmioty przezroczyste i zupełnie nieprzepuszczające światła. Wreszcie istnieją przecież organizmy żywe i przedmioty martwe. Jednak we wszystkich tych wypadkach substancje tworzące owe organizmy i przedmioty zbudowane są z tego samego rodzaju elementów. W układzie okresowym pierwiastków widnieje około stu pozycji i wszystko wokół nas zbudowane jest z różnych kombinacji tych atomów.

Dążenie do wyjaśnienia świata poprzez niedużą liczbę jego podstawowych elementów jest bardzo starym pomysłem. W wielu starożytnych kulturach – babilońskiej, greckiej, hinduskiej i innych – zakładano, że wszystko jest zbudowane z dość spójnego zbioru pięciu „żywiołów”. Najbardziej znane z nich to ziemia, powietrze, ogień i woda, ale oprócz nich był jeszcze piąty, niebiański żywioł: eter, zwany też kwintesencją. Arystoteles nadał tej koncepcji, podobnie jak wielu innym ideom, postać skomplikowanego systemu pojęciowego. Twierdził, że każdy żywioł dąży do osiągnięcia swojego naturalnego stanu – na przykład ziemia zwykle spada, a powietrze się unosi. Próbował też wyjaśnić różne substancje, które widzimy wokół siebie, jako efekt wymieszania żywiołów w różnych proporcjach.

Demokryt, filozof grecki żyjący przed Arystotelesem, zasugerował, że wszystko, co znamy, zbudowane jest z pewnych maleńkich, niepodzielnych elementów, które nazwał „atomami”. Losy historii nauki tak się niefortunnie potoczyły, że John Dalton, chemik działający na początku XIX stulecia, przyjął właśnie to określenie jako nazwę podstawowych elementów tworzących pierwiastki chemiczne. Zatem obiekt, który obecnie nazywamy atomem, wcale nie jest niepodzielny – składa się z jądra zbudowanego z protonów i neutronów, wokół którego krąży grupa elektronów. Nawet protony i neutrony nie są niepodzielne: złożone są z mniejszych elementów nazywanych „kwarkami”.

To właśnie kwarki i elektrony są rzeczywistymi atomami w takim sensie tego słowa, w jakim rozumiał je Demokryt – są niepodzielnymi składnikami materii. Obecnie nazywa się je jednak cząstkami „elementarnymi” lub „fundamentalnymi”. Protony i neutrony jądra atomowego zbudowane są z dwóch rodzajów kwarków, nazywanych żartobliwie kwarkami „górnymi” i „dolnymi”. Zatem do zbudowania dowolnej materii, jaką możemy zobaczyć wokół siebie, potrzebne są tylko trzy rodzaje cząstek elementarnych: elektrony, kwarki górne i kwarki dolne. To pewien postęp w stosunku do pięciu żywiołów starożytnych filozofów i duży krok naprzód w stosunku do układu okresowego pierwiastków.

Sprowadzenie całego świata do trzech rodzajów cząstek byłoby jednak pewną przesadą. Choć prawdą jest, że elektrony oraz kwarki górne i dolne wystarczą do wyjaśnienia budowy samochodów, rzek i szczeniąt, to jednak nie są to jedyne cząstki, jakie udało nam się odkryć. Tak naprawdę istnieje dwanaście różnych rodzajów cząstek materii: sześć kwarków, które odczuwają wpływ oddziaływania silnego i są zamknięte w większych skupiskach, takich jak protony i neutrony, oraz sześć „leptonów”, które mogą się przemieszczać samodzielnie w przestrzeni. Oprócz tego mamy także cząstki pośredniczące, które utrzymują wymienione przed chwilą cząstki w różnych kombinacjach znanych nam z otoczenia. Bez cząstek pośredniczących, które przenoszą oddziaływania, świat byłby bardzo nudny – pojedyncze cząstki przemierzałyby przestrzeń po linii prostej, w żaden sposób ze sobą nie oddziałując. Mamy więc dość niewielki zbiór składników pozwalający wyjaśnić wszystko, co widzimy wokół siebie, ale mówiąc szczerze, mógłby on być prostszy. Współcześni fizycy cząstek bardzo chcieliby uzyskać jeszcze lepszy wynik.

BOZON HIGGSA

Tak wygląda właśnie Model Standardowy fizyki cząstek: dwanaście cząstek materii plus grupa cząstek pośredniczących, które utrzymują je razem. Nie jest to być może najpiękniejszy obraz świata, ale pasuje do danych. Zgromadziliśmy wszystkie elementy potrzebne do opisania otaczającej nas rzeczywistości, przynajmniej tu, na Ziemi. W kosmosie natrafiamy na dowody istnienia zjawisk takich jak ciemna materia i ciemna energia, które uparcie przypominają nam, że wciąż jeszcze wszystkiego nie zrozumieliśmy – tych aspektów rzeczywistości zapewne nie da się wyjaśnić za pomocą Modelu Standardowego.

Większa część Modelu Standardowego dzieli się elegancko na cząstki materii i cząstki pośredniczące. Bozon Higgsa jest jednak inny. Cząstka ta, nazwana tak na cześć Petera Higgsa, jednego z kilku uczonych, którzy w latach sześćdziesiątych wysunęli hipotezę jej istnienia, jest w pewnym sensie brzydkim kaczątkiem. Ściśle rzecz biorąc, jest to cząstka pośrednicząca, ale różni się od pozostałych tego rodzaju cząstek, które udało nam się lepiej poznać. Z punktu widzenia fizyki teoretycznej bozon Higgsa wygląda jak coś sztucznie dodanego w przypływie fantazji do pięknej struktury. Bez cząstki Higgsa Model Standardowy byłby wzorcowym przykładem piękna i cnoty, jednak w takiej postaci, jaką ma obecnie, panuje w nim pewien bałagan. W dodatku odnalezienie czynnika odpowiedzialnego za ten bałagan okazało się nie lada wyzwaniem.

Dlaczego więc tak wielu fizyków było przekonanych, że bozon Higgsa musi istnieć? Na tak postawione pytanie słyszy się zwykle odpowiedzi w stylu: „by nadać masę innym cząstkom” lub „by złamać symetrie”, co jest zgodne z prawdą, ale trudno to tak od razu zrozumieć. Najważniejsze jest to, że bez bozonu Higgsa Model Standardowy wyglądałby zupełnie inaczej i w niczym nie przypominałby rzeczywistego świata. Natomiast z bozonem Higgsa pasuje do rzeczywistości jak ulał.

Teoretycy próbowali ze wszystkich sił wymyślić teorie bez bozonu Higgsa lub takie, w których bozon ten wyglądałby zupełnie inaczej. Wiele z nich nie wytrzymało konfrontacji z rzeczywistymi danymi, a inne wydawały się nadmiernie skomplikowane. Żadna z tych propozycji nie była prawdziwym postępem.

A teraz go znaleźliśmy. A raczej coś, co bardzo go przypomina. W zależności od tego, jak ostrożny jest dany fizyk, usłyszymy, że „Odkryliśmy bozon Higgsa” albo że „Odkryliśmy cząstkę przypominającą bozon Higgsa”. W komunikacie z 4 lipca mówi się o cząstce, która zachowuje się w dużym stopniu tak, jak powinien się zachowywać bozon Higgsa – rozpada się na określone inne cząstki mniej więcej tak, jak tego oczekiwaliśmy. Jednak jej badania dopiero się rozpoczęły i w miarę jak będą napływały kolejne dane, można się spodziewać jeszcze niejednej niespodzianki. Fizycy nie chcą, żeby cząstka ta była bozonem Higgsa całkowicie zgodnym z przewidywaniami. Nauka jest zawsze bardziej interesująca i zabawna, gdy natrafiamy na coś nieoczekiwanego. W zebranych dotychczas danych można znaleźć pewne wskazówki, że ta nowa cząstka może nie być bozonem Higgsa takim, jakiego się spodziewaliśmy. Jedynie kolejne doświadczenia pokażą, jak jest naprawdę.

C.d. w pełnej wersji

Rozdział 2

W obliczu boskości

Dostępne w pełnej wersji

Rozdział 3

Atomy i cząstki

Dostępne w pełnej wersji

Rozdział 4

Historia akceleratorów

Dostępne w pełnej wersji

Rozdział 5

Największe urządzenie w historii

Dostępne w pełnej wersji

Rozdział 6

Wiedza płynąca ze zderzeń

Dostępne w pełnej wersji

Rozdział 7

Cząstki w falach

Dostępne w pełnej wersji

Rozdział 8

Po drugiej stronie pękniętego lustra

Dostępne w pełnej wersji

Rozdział 9

Głośne owacje

Dostępne w pełnej wersji

Rozdział 10

Głoszenie dobrej nowiny

Dostępne w pełnej wersji

Rozdział 11

Marzenia o Noblu

Dostępne w pełnej wersji

Rozdział 12

Poza horyzontem

Dostępne w pełnej wersji

Rozdział 13

Dlaczego warto o to walczyć

Dostępne w pełnej wersji

Dodatek 1

Masa i spin

Dostępne w pełnej wersji

Dodatek 2

Cząstki Modelu Standardowego

Dostępne w pełnej wersji

Dodatek 3

Cząstki i ich oddziaływania

Dostępne w pełnej wersji

Literatura uzupełniająca

Dostępne w pełnej wersji

Podziękowania

Dostępne w pełnej wersji

Ilustracje

Dostępne w pełnej wersji

Spis treści

Prolog

Rozdział 1. Sedno

WIELKI WSZECHŚWIAT Z MAŁYCH KAWAŁKÓW

BOZON HIGGSA

Rozdział 2. W obliczu boskości

Rozdział 3. Atomy i cząstki

Rozdział 4. Historia akceleratorów

Rozdział 5. Największe urządzenie w historii

Rozdział 6. Wiedza płynąca ze zderzeń

Rozdział 7. Cząstki w falach

Rozdział 8. Po drugiej stronie pękniętego lustra

Rozdział 9. Głośne owacje

Rozdział 10. Głoszenie dobrej nowiny

Rozdział 11. Marzenia o Noblu

Rozdział 12. Poza horyzontem

Rozdział 13. Dlaczego warto o to walczyć

Dodatek 1. Masa i spin

Dodatek 2. Cząstki Modelu Standardowego

Dodatek 3. Cząstki i ich oddziaływania

Literatura uzupełniająca

Podziękowania

Ilustracje