W akceleratorze LHC właśnie odkryto cząstkę Higgsa. Odkryto – czy wyprodukowano?
Cząstkę Higgsa zaobserwowano po raz pierwszy, zatem jest to odkrycie. Lecz jest to cząstka nietrwała i nie istnieje poza akceleratorem LHC – zatem także ją wyprodukowano. Pamiętajmy, że stabilnych cząstek elementarnych jest niewiele, wszystkie pozostałe musimy tworzyć i bozon Higgsa niczym się tu nie wyróżnia.
Trzeba jednak mieć świadomość, że bozon Higgsa to nie „jeszcze jedna cząstka elementarna”. To cząstka wyjątkowo ważna, szczególna, ponieważ jest pierwszym zaobserwowanym przejawem istnienia w naturze pewnego pola kwantowego, dotychczas nieznanego, które jest obecne w każdym punkcie przestrzeni i odpowiada za to, że cząstki elementarne mają masę. Krótko mówiąc, odkrycie bozonu Higgsa to dowód, że pole nadające cząstkom elementarnym masę nie jest wymysłem teoretyków. Ono naprawdę istnieje.
Doświadczalne próby wykrycia nowych cząstek elementarnych są często porównywane z szukaniem igły w stogu siana.
Gdyby to było takie łatwe... Akcelerator LHC wraz z detektorami jest najbardziej skomplikowanym urządzeniem zbudowanym przez człowieka, co już dużo mówi o skali trudności stawianych fizykom cząstek przez naturę. Dalej, ilość informacji rejestrowanej w LHC w jednej sekundzie przekracza ilość informacji przekazywanej w tym samym czasie przez wszystkie telefony komórkowe świata. To istny potop informacyjny. Trzeba z niego wyłowić tylko najciekawsze zdarzenia. Robią to specjalne układy elektroniczne. Na decyzję, czy coś jest warte zapamiętania, czy nie, mają mniej niż jedną miliardową sekundy. Tych wyselekcjonowanych i zapisywanych przypadków i tak jest ogromnie dużo.
W przeciwieństwie do fizyków doświadczalnych, którzy muszą budować bardzo skomplikowane detektory, my, teoretycy, mamy znacznie bardziej komfortowe warunki pracy. Możemy ,,założyć nogi na biurko’’ i czekać na informacje, które napływają za pośrednictwem internetu.
Praca idealna?
Nie do końca. My mamy własne narzędzia do analizy danych, numeryczne i analityczne. Z kolei zespoły realizujące doświadczenia w LHC mają dane, które publikują w pracach naukowych, oraz strony w internecie, gdzie zamieszczają wstępne i dodatkowe informacje. Rzecz w tym, że te dane są tylko częściowe. Jest ich dużo, znacznie więcej niż kiedyś, ale nadal żaden zespół nie publikuje całości informacji, choćby dlatego, że samo udostępnienie tych wszystkich terabajtów danych wymagałoby ogromnego wysiłku. Dlatego teoretycy, tacy jak my, pracujący nad wnioskami wypływającymi z doświadczalnych poszukiwań, widzą dość fragmentaryczny obraz tego, co naprawdę zarejestrowano w LHC. W efekcie musimy się trochę napracować, żeby odtworzyć brakującą część danych. Nasza grupa z NCBJ stara się to robić z jak największą dokładnością i odnosimy tu sukcesy. Dlatego też możemy mieć pewne zaufanie do naszych przewidywań.
Żyjemy więc w pewnej symbiozie z grupami doświadczalników. Mówimy im na przykład: „Słuchajcie, prawie udało się nam odtworzyć wasze wyniki, ale tu i tu wychodzą jeszcze jakieś dziwne rzeczy. Macie pomysł, co z tym zrobić?”. Wtedy oni odpowiadają, że na przykład może tu chodzić o jakiś efekt czysto doświadczalny, po czym wspólnie wypracowujemy, jak można go uwzględnić w przybliżony sposób w naszych teoretycznych rachunkach – aż wreszcie osiągamy to, co trzeba. W końcu nasza praca jest także w interesie doświadczalników: po to zbierają dane, żeby te były wykorzystywane poprawnie.
Gdy dane są już odtworzone...
...patrzymy, co z nich wynika dla przyszłej fizyki. Na przykład próbujemy przewidywać, jakie znaczenie ma odkrycie bozonu Higgsa o takich a nie innych cechach dla obecnych teorii fizycznych wykraczających poza Model Standardowy, który obecnie jest używany do opisu świata cząstek elementarnych. Wiemy bowiem, że wiele modeli ,,nowej fizyki’’ opartych na idei tzw. supersymetrii przewiduje istnienie kilku bozonów Higgsa. Jeden z nich powinien mieć masę około 100-130 gigaelektronowoltów. Jednak w wielu modelach o atrakcyjnych własnościach trudno jest przekroczyć granicę właśnie ok. 125-126 GeV!
Jeśli więc bozon Higgsa będzie w końcu miał masę poniżej 126 GeV, będzie to najmniej ciekawy wynik, bo nadal dużo nowych teorii pozostanie dozwolonych. Jeśli jednak po zebraniu większej ilości danych końcowa masa przesunie się w okolicę 128-130 GeV, możliwości teoretycznych nie pozostanie wiele. Ba, mogą odpaść te, które obecnie uważamy za najciekawsze, bo prowadzące do unifikacji fundamentalnych oddziaływań przyrody i wyjaśniające istnienie i ilość ciemnej materii we Wszechświecie. Masa bozonu Higgsa ok. 126 GeV może być też w potencjalnej sprzeczności właśnie z ilością ciemnej materii! Zatem nie tylko ważne jest odkrycie samego bozonu Higgsa, ale również to, jakie będą jego własności. Dopiero gdy je poznamy, będziemy rozumieli, jak zrobić kolejny krok, o którym już wiemy, że jest nieunikniony: jak zacząć pisać księgę z nową fizyką.
Jakie są praktyczne konsekwencje odkrycia bozonu Higgsa?
Jeśli ktoś liczy, że wkrótce opanujemy bezwładność i nasze samochody będą przyspieszać do setki w milisekundę, cóż, jest fantastą. Odkrycie bozonu Higgsa nie ma obecnie żadnego znaczenia praktycznego. Żadnego. To epokowe wydarzenie, ale tylko dla rozwoju fizyki.
Trzeba jednak pamiętać, że w chwili odkrycia wiele zjawisk i teorii fizycznych wydawało się kompletnie nieprzydatnych. Tak było na przykład z emisją wymuszoną, którą traktowano jako abstrakcyjną ciekawostkę, a która po kilkudziesięciu latach pozwoliła skonstruować lasery. Podobnie, nikt nie widział żadnych zastosowań dla wymyślonej przez Alberta Einsteina ogólnej teorii względności. Ale gdybyśmy dziś nie uwzględniali w obliczeniach zakrzywienia czasoprzestrzeni, systemy nawigacji satelitarnej nie mogłyby działać. A fale radiowe? Gdy je odkrywano, wydawały się ciekawostką bez znaczenia. Kto więc wie, co będziemy zawdzięczali odkryciu bozonu Higgsa za kilkadziesiąt czy kilkaset lat?
Dziś ważny jest jednak inny aspekt. Żeby odkryć bozon Higgsa, musieliśmy skonstruować największe, najbardziej skomplikowane urządzenie w dziejach. Budowa LHC wymusiła ogromny postęp technologiczny. I to on jest obecnie największym zyskiem. Pamiętajmy o tym choćby korzystając ze stron WWW, które wymyślono właśnie w CERN-ie, aby umożliwić dużym zespołom fizyków rozrzuconych po całym świecie efektywny udział w eksperymentach z zakresu fizyki cząstek elementarnych. Pozornie te eksperymenty nie miały żadnego znaczenia dla naszego codziennego życia. A przecież dziś dzięki WWW czytamy gazety, robimy zakupy i szukamy pracy.
Będą kolejne higgsy?
Być może – i być może będzie też wiele innych cząstek elementarnych. Struktura teorii supersymetrycznych wymaga, aby pól Higgsa było więcej niż jedno. Każde z tych pól byłoby inaczej wzbudzane. Możliwe więc, że w przyszłości znajdziemy nowe higgsy, o innych własnościach niż obecnie odkryty. Jeśli okaże się to prawdą, pewna część cząstek elementarnych miałaby masę wskutek oddziaływania z jednym polem Higgsa, a pewna – z innym. Czy tak jest skonstruowana nasza rzeczywistość? Na odpowiedź musimy poczekać zapewne kilka lat, bo będzie potrzeba dużo większej ilości danych i też większej energii w LHC. Ale pierwszy krok został już zrobiony!
Prof. dr. hab. Leszkiem Roszkowski kieruje w NCBJ międzynarodową grupą naukowców analizujących dane w poszukiwaniu nowych cząstek elementarnych.
