Opomba urednika: Peter Higgs in Francois Englert sta 8. oktobra 2013 za svoje delo na Higgsovem bozonu prejela Nobelovo nagrado za fiziko. Spodaj naš znanstveni kolumnist Brian Greene razlaga znanost, ki stoji za odkritjem.
Iz te zgodbe
[×] ZAPRTA
Detektor ATLAS, eden od dveh poskusov, kako opaziti nedosegljivi Higgsov bozon pri razbijanju delcev na CERN-ovem velikem hadronskem trkalniku, tehta kar sto 747 curkov in ima več kot 1800 kilometrov kabla. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Kompaktni muonski magnet na velikem hadronskem trkalniku ujame delce v dejanju. (Michael Hoch / CERN) 
Nazaj k risalni plošči: Fizik Peter Higgs je izrisal svojo znamenito enačbo, ki opisuje izvor mase delcev. Pol stoletja bi trajalo, da se to izkaže. (Stuart Wallace / Splash News / Newscom) 
Skupina sodeluje z detektorjem ATLAS, enim od dveh poskusov, da bi opazila neučinkovit Higgsov bozon pri razbitju delcev. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Pred namestitvijo so deli detektorja CMS bivali v čistilni sobi v CERN-u. (Maximilien Brice, Michael Hoch, Joseph Gobin / CERN) 
Magnet v detektorju CMS proizvaja magnetno polje 100.000-krat močnejše od Zemljinega. (Gobin / CERN) 
Posnetek detektorja CMS - eden od dveh poskusov za odkrivanje podpisov Higgsovega bozona. (Gobin / CERN) 
Čeprav se Higgsov bozon zdi na kratko, da bi ga bilo mogoče neposredno zaznati, lahko fiziki na CMS sklepajo o njegovem obstoju s preučevanjem tušev delcev, ki so ostali po trčenju protonov-protonov. (T. McCauley, L. Taylor / CERN) 
Foto galerija
Sorodne vsebine
- Umetnost in znanost trčita v odkritje Higgonovega bozona
Znana zgodba iz fizikov fizikov pripoveduje o 5-letnem Albertu Einsteinu, ki je bolan v postelji, od očeta je prejel igrače kompas. Dečka so tako nevidne sile pri delu zmedle in očarale, da so igro kompasa preusmerili proti severu, kadarkoli je bil njen položaj za počitek moten. Ta izkušnja, pozneje bi rekel Einstein, ga je prepričala, da je narava globoko skrita, in ga spodbudila, da je preživel svoje življenje, da bi jo razkril.
Čeprav je zgodba stara več kot stoletje, se je zagoreli mladi Einstein srečal s ključno tematiko sodobne fizike, ki je bistvena za najpomembnejši eksperimentalni dosežek na področju zadnjih 50 let: odkritje, pred letom julija letos, Higgsovega bozona.
Naj pojasnim.
Znanost na splošno, zlasti fizika, pa iščeta vzorce. Izvlecite vzmet dvakrat daleč in dvakrat začutite upor. Vzorec. Povečajte prostornino, ki jo predmet zaseda, medtem ko ohranja njegovo maso fiksirano, in večja ko plava v vodi. Vzorec. S skrbnim opazovanjem vzorcev raziskovalci odkrivajo fizikalne zakone, ki jih je mogoče izraziti v jeziku matematičnih enačb.
Jasen vzorec je viden tudi pri kompasu: Potegnite ga in igla spet usmeri proti severu. Lahko si predstavljam mladega Einsteina, ki misli, da mora obstajati splošni zakon, ki določa, da so obešene kovinske igle potisnjene proti severu. Toda tak zakon ne obstaja. Kadar je v območju magnetno polje, nekateri kovinski predmeti doživljajo silo, ki jih poravna po smeri polja, ne glede na to, v kateri smeri se zgodi. In Zemljino magnetno polje se kaže proti severu.
Primer je preprost, lekcija pa globoka. Naravni vzorci včasih odražajo dve prepleteni lastnosti: temeljni fizični zakoni in vplivi okolja. Gre za različico narave narave proti negi. V primeru kompasa, ločitev obeh ni težavna. Z manipulacijo z magnetom zlahka zaključite, da usmerjenost magneta določa smer igle. Lahko pa obstajajo tudi druge situacije, ko so vplivi iz okolja tako razširjeni in tako zunaj naše zmožnosti manipulacije bi bilo veliko težje prepoznati njihov vpliv.
Fiziki pripovedujejo prispodobo o ribah, ki preiskujejo zakone fizike, vendar tako navajeni na svoj vodni svet, da ne upoštevajo njegovega vpliva. Ribe se močno borijo, da bi razložile nežno drsenje rastlin in lastno lokomotiranje. Zakoni, ki jih navsezadnje najdejo, so zapleteni in neuporabni. Potem se ena briljantna riba prebije. Mogoče kompleksnost odraža preproste temeljne zakone, ki delujejo v kompleksnem okolju - takšnem, ki je napolnjen z viskozno, nestisljivo in prodorno tekočino: ocean. Sprva se pronicljive ribe ignorirajo, celo zasmejijo. A počasi tudi drugi spoznajo, da njihovo okolje, ne glede na njegovo poznavanje, pomembno vpliva na vse, kar opazujejo.
Ali se prispodoba bliža domu, kot smo si morda mislili? Mogoče obstajajo še druge, subtilne, a prodorne lastnosti okolja, ki jih do zdaj nismo pravilno razumeli? Odkritje Higgsovega delca Velikega hadronskega trkalnika v Ženevi je fizike prepričalo, da je odgovor odmeven da.
Pred skoraj pol stoletja sta Peter Higgs in peščica drugih fizikov poskušala razumeti izvor osnovne fizične lastnosti: mase. Maso si lahko predstavljate kot privlečenje predmeta ali, natančneje, kot upor, ki ga nudi spreminjanju njegovega gibanja. Pritisnite na tovorni vlak (ali pero), da povečate njegovo hitrost, odpornost, ki jo čutite, pa odraža njegovo maso. Na mikroskopski ravni masa tovornega vlaka prihaja iz njegovih sestavnih molekul in atomov, ki so sami zgrajeni iz temeljnih delcev, elektronov in kvarkov. Toda od kod prihajajo množice teh in drugih temeljnih delcev?
Ko so fiziki v šestdesetih letih prejšnjega stoletja modelirali vedenje teh delcev z enačbami, ukoreninjenimi v kvantni fiziki, so naleteli na uganko. Če bi si predstavljali, da so delci brez mase, potem bi vsak izraz v enačbah kliknil v popolnoma simetričen vzorec, kot so nasveti popolne snežinke. In ta simetrija ni bila le matematično elegantna. Pojasnila je vzorce, razvidne iz eksperimentalnih podatkov. Toda - in tu je uganka - so fiziki vedeli, da imajo delci maso, in ko so spremenili enačbe, da bi upoštevali to dejstvo, je bila matematična harmonija pokvarjena. Enačbe so postale zapletene in neprijetne ter še huje nedosledne.
Kaj storiti? Tu je ideja, ki jo je podal Higgs. Ne odlagajte mase delcev po grlu lepih enačb. Namesto tega imejte enačbe nedotaknjene in simetrične, vendar upoštevajte, ali delujejo v posebnem okolju. Predstavljajte si, da je ves vesolj enakomerno napolnjen z nevidno snovjo - zdaj se imenuje Higgsovo polje -, ki izvaja sile vleke na delce, ko pospešijo skoznjo. V prizadevanju za povečanje njegove hitrosti pritisnite na temeljni delček in to vlečno silo bi po mnenju Higgsa občutili kot upor. Ustrezno bi upor razlagali kot maso delcev. V mislih si omislite ping-pong kroglico, potopljeno v vodo. Ko pritisnete na žogico za ping-pong, se bo počutila veliko bolj masivno kot zunaj vode. Njegova interakcija z vodnim okoljem ima za posledico maso. Torej z delci, potopljenimi v Higgsovem polju.
Leta 1964 je Higgs predložil prispevek v ugleden časopis za fiziko, v katerem je to idejo matematično formuliral. Papir je bil zavrnjen. Pa ne zato, ker je vseboval tehnično napako, ampak zato, ker je premisa nevidnega nečesa, kar je prežemalo vesolje, v interakciji z delci, da bi zagotovila njihovo maso, no, vse skupaj se je zdelo kot množica pretirane špekulacije. Uredniki časopisa so menili, da "fizika nima očitnega pomena."
Toda Higgs je vztrajal (in njegov revidirani papir se je tisto leto pojavil v drugi reviji) in fiziki, ki so si vzeli čas za preučevanje predloga, so postopoma spoznali, da je bila njegova ideja kap genija, ki je dovolila, da imajo svojo torto in jo tudi pojedo . V Higgsovi shemi lahko temeljne enačbe ohranijo svojo neokrnjeno obliko, ker se umazano delo zagotavljanja delcev mase preusmeri v okolje.
Medtem ko še nisem bil priča začetni zavrnitvi Higgsovega predloga leta 1964 (no, bil sem naokoli, vendar le komaj), lahko dokažem, da se je do sredine osemdesetih ocenila ocena. Skupina za fiziko se je večinoma popolnoma zamislila, da obstaja prostor, ki prežema Higgsovo polje. Dejansko sem v podiplomskem študiju, ki sem ga zajel, znan kot standardni model fizike delcev (sestavljeni so kvantni enačbi fiziki, da opišejo delce snovi in prevladujoče sile, s katerimi vplivajo drug na drugega), profesor predstavil Higgsa polje s tako gotovostjo, da dolgo časa nisem imel pojma, da bi jo bilo treba še poskusno vzpostaviti. To se zgodi v fiziki. Matematične enačbe lahko včasih povedo tako prepričljivo zgodbo, na videz lahko izžarevajo resničnost tako močno, da se ujamejo v govorni svet delovnih fizikov, še preden obstajajo podatki, ki bi jih potrdili.
Povezavo z resničnostjo pa je mogoče samo s podatki. Kako lahko testiramo Higgsovo polje? Tukaj prihaja Veliki hadronski trkalnik (LHC). Na stotine metrov pod Ženevo, Švica, čez francosko mejo in nazaj, je LHC skoraj 17 kilometrov dolg krožni tunel, ki služi kot dirkališče za lomljenje delcev snovi. LHC je obkrožen z okoli 9000 superprevodnimi magneti in je dom pretočnih horde protonov, ki se v obe smeri vrtijo po tunelu, ki jih magneti pospešijo, da bi se le sramežljivo spremenili s svetlobno hitrostjo. S takšnimi hitrostmi protoni okoli 11.000 krat vsako sekundo vijugajo po tunelu in, ko jih usmerjajo magneti, v trenutku utripajo na milijonske trke. Zaradi trkov pride do ognjemetnih razpršil delcev, ki jih detektorji mamuta zajamejo in posnamejo.
Ena glavnih motivacij za LHC, ki je stal približno 10 milijard dolarjev in vključuje tisoče znanstvenikov iz več deset držav, je bilo iskanje dokazov za področje Higgsa. Matematika je pokazala, da če je ideja prava, če smo resnično potopljeni v ocean Higgsovega polja, potem bi siloviti trki delcev morali preusmeriti polje, kolikor bi dve trkajoči podmornici drsali vodo okoli njih. In tako pogosto bi moralo biti džogiranje ravno prav, če bi odplaknili delček polja - drobna kapljica Higgsovega oceana -, ki bi bil videti kot dolgo iskani Higgsov delček.
Izračuni so tudi pokazali, da bi bil Higgsov delec nestabilen, razpadel bi na druge delce v manjši količini sekunde. Znanstveniki, oboroženi z zmogljivimi računalniki, so v vrtincu trkajočih delcev in napihnjenih oblakov trdnih delcev iskali Higgsov odtis prsta - vzorec razpadnih produktov, ki jih narekujejo enačbe.
V zgodnjih jutranjih urah 4. julija 2012 sem se z okoli 20 drugimi zaporniki zbral v konferenčni sobi v centru za fiziko v Aspenu, da sem si v Ženevi ogledal tiskovno konferenco v živo v prostorih velikega hadronskega trkalnika. Približno šest mesecev prej sta dve neodvisni skupini raziskovalcev, zadolženih za zbiranje in analizo LHC podatkov, objavili močan pokazatelj, da so našli Higgsov delec. Govorice, ki zdaj letijo po fizični skupnosti, so bile, da imajo ekipe končno dovolj dokazov, da lahko zagovarjajo dokončno trditev. Skupaj z dejstvom, da je bil Peter Higgs sam od njega povabljen, da se odpravi v Ženevo, je bilo dovolj motivacije, da ostanejo do 3. ure zjutraj, da bi sporočilo slišali v živo.
In ko se je svet hitro naučil, so bili dokazi, da je bil Higgsov delček odkrit, dovolj močni, da so prestopili prag odkritja. Z delcem Higgsa, ki je zdaj uradno najden, je občinstvo v Ženevi izbruhnilo divji aplavz, prav tako naša mala skupina v Aspenu in nedvomno na desetine podobnih srečanj po vsem svetu. Peter Higgs je brisal solzo.
Z letom zadnjega vpogleda in dodatnimi podatki, ki so samo še bolj okrepili zadeve Higgsa, je to, kako bi povzel najpomembnejše posledice odkritja.
Prvič, že dolgo vemo, da v vesolju živijo nevidni prebivalci. Radijski in televizijski valovi. Zemljino magnetno polje. Gravitacijska polja. Toda nobena od teh ni trajna. Noben ni nespremenljiv. Noben ni enakomerno prisoten po vsem vesolju. V tem pogledu je Higgsovo polje bistveno drugačno. Verjamemo, da je njegova vrednost enaka na Zemlji kot blizu Saturna, v Orionovi meglici, v celotni Andromedini galaksiji in povsod drugje. Kolikor lahko rečemo, je Higgsovo polje neizbrisno vtisnjeno na prostorsko tkanino.
Drugič, Higgsov delec predstavlja novo obliko materije, o kateri smo že desetletja na široko pričakovali, a je nikoli nismo videli. V začetku 20. stoletja so fiziki spoznali, da imajo delci poleg svoje mase in električnega naboja še tretjo določilno značilnost: njihovo vrtenje. Toda za razliko od otrokovega vrha je vrtenje delca lastna lastnost, ki se ne spremeni; sčasoma se ne pospeši ali upočasni. Vsi elektroni in kvarki imajo enako vrtilno vrednost, medtem ko je spiranje fotonov - delcev svetlobe - dvakrat več kot elektronov in kvarkov. Enačbe, ki opisujejo Higgsov delec, so pokazale, da - za razliko od drugih osnovnih delcev - sploh ne bi smel biti zavrten. Podatki z velikega hadronskega trkalnika to zdaj potrjujejo.
Vzpostavitev obstoja nove oblike materije je redek dosežek, rezultat pa ima resonanco na drugem področju: kozmologiji, znanstvenem preučevanju, kako se je celotno vesolje začelo in razvijalo v obliko, ki smo ji danes priča. Dolga leta so bili kozmologi, ki so preučevali teorijo velikega poka, zatajili. Sestavili so trden opis, kako se vesolje razvija od delne sekunde po začetku, vendar niso mogli dati nobenega vpogleda v to, kaj je gnalo prostor, da bi se začeli širiti. Kakšna sila bi lahko pritisnila tako močan navzven? Za ves svoj uspeh je teorija velikega praska pustila praske.
V osemdesetih letih prejšnjega stoletja so odkrili možno rešitev, ki zvoni glasen Higgsian zvon. Če je območje prostora enakomerno prepojeno s poljem, katerega delci so sestavni iz nerjavnosti, potem Einsteinova teorija gravitacije (splošna teorija relativnosti) razkrije, da se lahko ustvari močna odbojna sila - udar in ob tem velika. Izračuni so pokazali, da je bilo težko uresničiti to idejo s samim Higgsovim poljem; dvojna dolžnost zagotavljanja mase delcev in podžiga breg predstavlja veliko breme. Toda pronicljivi znanstveniki so spoznali, da lahko s postavitvijo drugega "Higgsovega" polja (ki ima isti izginjajoči spin, vendar različne mase in interakcije) lahko razdelijo breme - eno polje za maso in drugo za odbojni potisk - in ponudijo prepričljiva razlaga praska. Zaradi tega teoretični fiziki že več kot 30 let intenzivno raziskujejo kozmološke teorije, v katerih takšna Higgsova polja igrajo bistveno vlogo. Tisoč člankov iz revij je bilo napisanih, ki razvijajo te zamisli, in milijarde dolarjev so bile porabljene za opazovanja v vesolju, ki iščejo - in iščejo - posredne dokaze, da te teorije natančno opisujejo naše vesolje. Potrditev LHC, da vsaj eno takšno polje dejansko obstaja, torej generira kozmološko teoretiziranje na veliko trdnejši temelj.
Končno in morda najpomembnejše je, da je odkritje Higgsovega delca presenetljivo zmagalo matematično moč razkrivanja delovanja vesolja. To je zgodba, ki je bila v fiziki že večkrat rekapitulirana, a vsak nov primer navduši ravno tako. Možnost črnih lukenj je nastala iz matematičnih analiz nemškega fizika Karla Schwarzchilda; kasnejša opažanja so dokazala, da so črne luknje resnične. Kozmologija Big Bang je nastala iz matematičnih analiz Aleksandra Friedmanna in tudi Georgesa Lemaître; kasnejša opažanja so se tudi to vpogled izkazala za pravilno. Koncept proti materiji se je prvič pojavil iz matematičnih analiz kvantnega fizika Paula Diraca; kasnejši poskusi so pokazali, da je tudi ta ideja prava. Ti primeri dajejo občutek, kaj je pomenil veliki matematični fizik Eugene Wigner, ko je govoril o "nerazumni učinkovitosti matematike pri opisovanju fizičnega vesolja." Področje Higgsa se je pojavilo iz matematičnih raziskav, ki so iskale mehanizem za obdajanje delcev z maso. In znova se je matematika lotila letečih barv.
Kot teoretični fizik sem bil eden izmed mnogih posvečenih iskanju tega, kar je Einstein imenoval "enotna teorija" - globoko skritih povezav med vsemi naravnimi silami in materijo, o kateri je Einstein sanjal, dolgo potem, ko jo je fizika priklenila na skrivnostno delovanje kompasa - odkrivanje Higgsov je še posebej razveseljivo. Naše delo temelji na matematiki in doslej še ni stopilo v stik s eksperimentalnimi podatki. Nestrpno čakamo leto 2015, ko se bo nadgrajen in še zmogljivejši LHC ponovno vključil, saj obstaja velika možnost, da bodo novi podatki pokazali, da naše teorije gredo v pravo smer. Najpomembnejši mejniki bi vključevali odkritje razreda doslej nevidnih delcev (imenovanih "super-simetrični" delci), ki jih napovedujejo naše enačbe, ali namigne na divjo možnost prostorskih razsežnosti, ki presegajo tri, ki jih vsi doživljamo. Še bolj vznemirljivo bi bilo odkritje nečesa popolnoma nepričakovanega, ki bi nas vse pošiljal nazaj na naše deske.
Mnogi od nas poskušajo te matematične gore meriti že 30 let, nekateri celo dlje. Včasih smo občutili, da je združena teorija izven dosega roke, medtem ko resnično grizemo v temo. Za našo generacijo je velika spodbuda, da smo priča potrditvi Higgsovega, da smo priča matematičnim spoznanjem, starim štiri desetletja, ki jih uresničujejo kot popadki in razpoke v LHC detektorjih. Spominja nas, da vzamemo k srcu besede nobelovega nagrajenca Stevena Weinberga: "Naša napaka ni v tem, da svoje teorije jemljemo preveč resno, vendar jih ne jemljemo dovolj resno. Vedno je težko zavedati, da imajo ta števila in enačbe, ki jih igramo pri svojih mizah, nekaj skupnega z resničnim svetom. "Včasih imajo ta števila in enačbe nenavadno, skoraj mrzlo sposobnost osvetlitve sicer temnih kotičkov resničnosti. Ko se pojavijo, se toliko bolj približamo svojemu mestu v kozmosu.
