10 let po velikem odkritju: Iz Higgsovega bozona se lahko še veliko naučimo

Poglobljeno 09. Jul 202206:00 > 10. Jul 2022 14:591 komentar
Delite:
Naznanitev odkritja Higgsovega bozona v Cernu leta 2012
Foto: Seminar, na katerem so 4. julija 2012 predstavili odkritje Higgsovega bozona. (CERN)

Pred desetimi leti so znanstveniki v Cernu sporočili, da so dokazali obstoj do takrat še nikoli videnega "božjega delca" – Higgsovega bozona, temeljnega gradnika vesolja, ki izhaja iz časa velikega poka pred milijardami let. Kakšno je bilo vzdušje ob odkritju, zakaj so bili nekateri razočarani, kakšen pomen ima odkritje po 10 letih, katera so odprta vprašanja, kako daleč smo od razumevanja vesolja in kaj si obetajo od ponovnega zagona trkalnika, s katerim je Cern zopet vstopil v tekmo za prebojnim odkritjem?

V Cernu, največjem svetovnem laboratoriju za fiziko delcev, se na tisoče znanstvenikov trudi razvozlati nerešene skrivnosti fizike. Na francosko-švicarski meji, le streljaj od Ženevskega jezera, je globoko pod zemljo njihovo ključno orožje – LHC (Large Hadron Collider), obročast predor z obsegom 27 kilometrov, ki je najmočnejši pospeševalnik delcev na svetu.

Eksperiment CMS v Cernu
Foto : Detektor CMS v Cernu (CERN)

Pospeševalnik izstreljuje delce (protone) drug proti drugemu z visokimi energijami in skorajda svetlobno hitrostjo, pri čemer vsako sekundo ustvari več sto milijonov trkov delcev.

Na ta način znanstveniki poustvarjajo razmere, ki so zelo podobne tistim v prvih trenutkih vesolja, po velikem poku, kar omogoča njihovo podrobnejše preučevanje.

Z izjemno visokimi energijami, ki jih lahko ustvari LHC, lahko tako znanstveniki dobijo vpogled v skrite zakonitosti in lastnosti ter raziskujejo skrivnostne pojave, kot sta temna snov in temna energija, za kateri znanstveniki predvidevajo, da obstajata, vendar nobene od njiju še niso dokazali ali odkrili.

vesolje
Foto : Esa

Cern podobno kot drugi pospeševalniki delcev poustvarja naravne pojave v vesolju – v nadzorovanih laboratorijskih pogojih, kar omogoča njihovo podrobnejše preučevanje. V celotnem vesolju poteka več kot deset milijonov poskusov, podobnih LHC, na sekundo.

Piše se leto 2012: Našli smo skrivnostni delec

Čeprav ima LHC veliko različnih nalog, je bila njegova prednostna naloga jasna – iskanje Higgsovega bozona, skrivnostnega delca, enega temeljnih gradnikov vesolja, ki se v več pogledih razlikuje od vseh doslej opaženih delcev in je povezan s številnimi neodgovorjenimi vprašanji v fiziki …

Da so ta dolgo iskani Higgsov bozon našli, so iz Cerna sporočili 4. julija pred desetimi leti. Odkrili so ga sodelavci skupin ATLAS in CMS na velikem hadronskem trkalniku (LHC) skoraj pol stoletja po tem, ko je škotski fizik Peter Higgs prvi napovedal morebitni obstoj tega delca.

Veliko odkritje so razkrili na dogodku, ki je po pričevanju nekaterih udeležencev bolj kot na znanstveni simpozij spominjal na rock koncert – ljudje so stali v dolgi vrsti, da bi lahko prisostvovali dogodku, nekaj jih je tam celo prespalo, da le ne bi ostali pred zaprtimi vrati polnega Cernovega avditorija.

Naznanitev odkritja Higgsovega bozona v Cernu leta 2012
Foto : CERN

Higgsov bozon pogosto opisujejo tudi kot božji delec, kar pa ni vzdevek, ki bi ga delcu nadeli fiziki, marsikateri med njimi bi ob omembi božjega delca celo zavili z očmi. Razlaga, ki se najpogosteje omenja, je, da je Nobelov nagrajenec za fiziko Leon Lederman Higgsov delec poimenoval “od boga prekleti delec” (angleško goddamn particle).

S tem vzdevkom naj bi se želel pošaliti iz tega, kako težko je ta delec odkriti, in tako naj bi želel poimenovati tudi svojo knjigo, ki je izšla v devetdesetih letih prejšnjega stoletja. Založniki naj bi nato naslov spremenili v “Božji delec”, od koder se je vzdevek razširil.

Znanstvenik v prvih vrstah odkritja: Bilo je precej fantastično

Namig za obstoj Higgsovega bozona so zaznali že leta 2011, leto kasneje pa so z novimi podatki in analizami to tudi potrdili. Znanstveniki v prvih vrstah odkritja, med katerimi je tudi priznani nemški eksperimentalni fizik dr. Markus Klute s Karlsruhe Institute of Technology, so za odkritje vedeli že mesec dni pred svetovno javnostjo.

Nemški eksperimentalni fizik Markus Klute
Foto : Dr. Markus Klute (osebni arhiv)

“To je bilo fantastično obdobje. Zelo napeto, ko nihče ne želi narediti napake in ko dela 24 ur na dan, da bi prišel do rezultata,” se spominja dr. Klute, ki se je v tistem času ukvarjal z eksperimentom CMS. Ta je še danes glavni fokus njegovega raziskovanja. Skupaj s svojo raziskovalno skupino na ameriškem MIT, kjer je takrat deloval, je odigral osrednjo vlogo pri odkritju Higgsovega bozona.

Dr. Klute je bil tako med prvimi, ki so videli, da je pred njimi izjemno odkritje, da so našli skrivnostni delec. Spominja se velikega vznemirjenja, ko so s študenti prvič pogledali podatke in zagledali presežek dogodkov, ki je nakazoval na obstoj Higgsovega bozona. “Bilo je precej fantastično,” pravi Klute.

Jasno je bilo, da so priča nečemu izjemnemu, kar se zgodi enkrat v življenju. “To je bilo nekaj, s čimer smo se kot skupnost ukvarjali 50 let. Prva ideja za pospeševalnik LHC je prišla v 80. letih in dolgo je trajalo, da smo z mednarodnimi prizadevanji zgradili vse te eksperimente. In ko prideš do te točke, ko dosežeš odkritje, za katero je bila naprava zgrajena, je to res nekaj fantastičnega, velikega, česar ni mogoče preseči,” pomen tega dogodka opisuje Klute.

Fantastičen dosežek, a z nekaj grenkega priokusa

Kot pojasni Klute, je bil presenečen, da je bil Higgsov bozon videti natančno tako, kot so pričakovali. Ob tem sicer izjemnemu odkritju je bilo zato tudi nekaj grenkega priokusa, da niso našli česa nenavadnega, presenetljivega, nekaj onkraj standardnega modela fizike osnovnih delcev.

“Bil sem v nekakšnem stanju žalosti po odkritju, ker sem tako zelo upal, da bomo vendarle dobili namig za novo fiziko, kar je odkritje za nekaj trenutkov postavilo na stranski tir. Toda ko to prespiš in premisliš, je odkritje samo po sebi tako fantastično. Narave ne ustvarjam, temveč jo opazujem, nanjo ne morem vplivati,” pravi Klute.

Vloga slovenskih raziskovalcev

Kot poudari dr. Marko Mikuž z odseka za eksperimentalno fiziko osnovnih delcev na Institutu Jožef Stefan, ki v Cernu vodi skupino slovenskih raziskovalcev, je bilo odkritje Higgsovega bozona postopen proces, plod dolgoletnih raziskav in priprav, del katerih so bili tudi slovenski raziskovalci.

Ti že od leta 1996 sodelujejo pri eksperimentu ATLAS na LHC. Glavni prispevek slovenskih raziskovalcev je bila gradnja poddetektorja SCT v samem osrčju več kot 50-metrskega detektorja ATLAS.

Marko Mikuž v Cernu
Foto : Dr. Marko Mikuž (levo) v drobovju detektorja Atlas. (osebni arhiv)

Mikuž se razkritja velikega odkritja dobro spominja. Čeprav je bil 4. julija na največji konferenci s področja fizike visokih energij v Melbournu, so prek prenosa v živo spremljali ta dogodek, zato je bilo navdušenje podobno, kot če bi bili tam. “Veselje in sproščenost ob tem odkritju sta bila skorajda taka kot na seminarju v Cernu. Bil si med kolegi in delil si veselje ob naznanitvi tega odkritja.”

Higgsov bozon – manjkajoči delec sestavljanke

“Odkritje Higgsovega delca in posledično tudi učinkov Higgsovega polja je tako epohalno, da mu nič, kar se je v fiziki delcev v zadnjih 10 letih dogajalo, ne seže do kolen,” pomen odkritja ocenjuje redni profesor na Univerzi v Cincinnatiju dr. Jure Zupan, ki se ukvarja s teoretično fiziko visokih energij.

Fizik Jure Zupan v Cernu
Foto : Dr. Jure Zupan (osebni arhiv)

Odkritje Higgsovega bozona je bilo namreč ključnega pomena za fiziko delcev, za katero je Higgsov bozon predstavljal manjkajoči del standardnega modela fizike osnovnih delcev – teoretičnega modela, ki pomeni okvir za naše sedanje razumevanje osnovnih delcev in sil narave. Dotlej so namreč znanstveniki znali razložiti obstoj vesolja s 17 osnovnimi elementi, manjkal pa je še zadnji, ključni element – Higgsov bozon.

Kot pojasni Klute, Higgsov bozon ni katerikoli delec, temveč najpomembnejši delec, ker naj bi bil izvor ene ključnih lastnosti vseh stvari – mase. Brez njega ne bi bilo zvezd, planetov in s tem vseh nas.

Higgsov bozon
Foto : CERN

LHC ustvari en Higgsov bozon na približno milijardo trkov, pri čemer je njegova obstojnost tako kratkotrajna, da znanstveniki njegove lastnosti proučujejo posredno, prek sekundarnih delcev, na katere razpade. Na sliki so sledi dveh visokoenergijskih fotonov, izmerjenih z eksperimentom CMS.

Odkritje je tako spremenil svet fizike delcev in odprl vrata, ki so bila do njegovega odkritja zaprta. Na ta račun se je fizika v zadnjih desetih letih spremenila bolj kot v prejšnjih 30, je na novinarski konferenci pred obletnico (30. junij) dejal Gian Giudice, vodja oddelka za teoretično fiziko v Cernu.

Da je bil to eden največjih dosežkov znanosti, je potrdila tudi odločitev, da fizikoma Francoisu Englertu in Petru Higgsu, ki sta pred skoraj 50 leti napovedala obstoj delca, podelijo Nobelovo nagrado za fiziko.

François Englert in Peter Higgs
Foto : François Englert in Peter Higgs ob podelitvi Nobelove nagrade. (PROFIMEDIA)

Z odkritjem Higgsovega bozona potrdili obstoj Higgsovega polja

Pomen odkritja ni bil (le) v tem, da je bil najden nov, dolgo pričakovani delec, temveč predvsem v tem, da je obstoj tega delca prvi neposredni dokaz, da nas obdaja nova vrsta temeljnega polja, znanega kot Higgsovo polje, ki je ena glavnih komponent standardnega modela fizike osnovnih delcev, pojasni slovenska raziskovalka dr. Liza Mijović, ki na Fakulteti za fiziko in astronomijo v Edinburgu vodi skupino za eksperimentalne raziskave Higgsovega bozona.

Prikaz Higgsovega polja
Foto : Ilustracija Higgsovega polja (CERN)

Higgsovo polje je vse okoli nas, prežema ves prostor oziroma celotno vesolje in daje drugim delcem maso. Interakcija s Higgsovim poljem, prek katere delci dobijo maso, je znana kot Brout-Englert-Higgsov mehanizem oziroma Higgsov mehanizem, kot ga najpogosteje omenjajo.

Dokaz obstoja Higgsovega polja je lahko le Higgsov bozon sam, zato so si ga znanstveniki prizadevali najti skoraj pol stoletja. “Higgsovo polje lahko namreč odkrijemo le tako, da ga vznemirimo, podobno, kot če bi vrgli kamen v vodo in videli valovanje. Higgsov bozon je manifestacija takšne motnje – nekakšen val na tej površini,” pojasnjuje Mujić.

Ilustracija Higgsovega mehanizma

Predstavljajmo si, da množica fizikov na sliki, ki tiho klepetajo, predstavlja prostor napolnjen s Higgsovim poljem.

Analogija Higgsovega polja
Foto : CERN

V sobo vstopi slavni znanstvenik, ki s tem, ko se premika skozi sobo, povzroča motnje in z vsakim korakom pritegne kopico občudovalcev. Ob tem se poveča njegov upor pri gibanju, drugače povedano, pridobi maso, tako kot delec, ki se giblje skozi Higgsovo polje …

Analogija Higgsovega polja
Foto : CERN

Odkritje Higgsovega bozona šele začetek

Čeprav je bilo odkritje Higgsovega bozona nedvomno izjemno pomembno, to ni bil konec, temveč šele začetek raziskovanja. Vse od leta 2012 si tako znanstveniki prizadevajo izrisati čim bolj natančen portret tega delca. Tako danes med drugim vedo, da ima maso 125 milijard elektronvoltov, kar pomeni, da je 130-krat masivnejši od protona ter da ima ničelni spin in je torej edini osnovni delec brez spina.

Hkrati pa Higgsov bozon ni le predmet raziskav, temveč je v zadnjih desetih letih postal močno orodje za preučevanje načinov, kako osnovno Higgsovo polje vpliva na temeljne delce standardnega modela fizike osnovnih delcev, pravi Marko Mikuž.

Eksperiment Atlas v Cernu
Foto : Eksperiment ATLAS v Cernu (CERN)

Kot pojasni dr. Jure Zupan, so se o naravi Higgsovega delca v zadnjih deset letih veliko naučili s preciznimi meritvami kolegov na LHC, bilo pa je tudi nekaj presenečenj.

“Zdi se, da živimo v vesolju, ki je precej ’blizu roba’. Za le okoli deset odstotkov spremenjene interakcije Higgsa z najtežjim kvarkom (top kvarkom) bi pomenile, da bi se naše vesolje hitro spremenilo v obliko, ki ne omogoča življenja (prek razpada vakuuma). Zelo zanimivo je tudi, da se do zdaj vse meritve lastnosti Higgsovega bozona ujemajo s standardnim modelom, tudi z zelo lahkimi delci.

Med osrednjimi vprašanji, ki še vedno ostajajo nerazrešena, pa po besedah Lize Mijović ostaja vprašanje, kako nekateri delci dobijo maso (ali se to pri vseh delcih zgodi prek Higgsovega mehanizma ali ne), vprašanje, ali lahko Higgsov bozon razpade na nove Higgsove bozone – od česar je odvisna stabilnost in s tem usoda našega vesolja, in kakšna je življenjska doba Higgsovega bozona.

Znanstveniki se nadejajo, da bi z natančnejšimi raziskavami Higgsovega bozona ne le bolje razumeli delce, temveč prišli do fizike onkraj standardnega modela fizike osnovnih delcev, o kateri tudi po desetih letih od odkritja še nimajo sledi.

“Po eni strani je to razočaranje, po drugi strani pa gre za fantastičen uspeh teorije – standardnega modela. Vsi eksperimenti v zadnjih letih se namreč ujemajo z našo teoretično sliko, in to, da je človeštvo tega sposobno, da imamo abstrakten model, teorijo, ki perfektno opiše naravo, ni slabo, temveč je fantastično,” meni Klute.

Teče tretji krog tekme za odkritje nove fizike

Po treh letih mirovanja zaradi vzdrževanja in nadgradnje je LHC ponovno začel tekmo za odkritje nove fizike. V torek so ga namreč znova zagnali, s čimer se je začelo novo, tretje obdobje zbiranja podatkov za fiziko v pospeševalniku.

Tokrat so ga zagnali z največjo energijo doslej, 13,6 teraelektronvolta (TeV), v primerjavi z … več kot ob zadnjem, drugem zagonu leta. Zaradi vseh nadgradenj ima tudi največjo natančnost doslej in s tem največjo možnost za nova odkritja kot kdajkoli prej.

Aplavz ob ponovnem zagonu LHC 5. julija 2022
Foto : CERN

Aplavz, ko so detektorji velikega hadronskega trkalnika (LHC) vklopili vse podsisteme in začeli beležiti visokoenergijske trke pri energiji 13,6 TeV. Na fotografiji sta v sredini generalna dikretorica Cerna Fabiola Gianotti, ter Rolf-Dieter Heuer, ki je bil generalni direktor Cerna v času odkritja Higgsovega bozona.

V tretjem obdobju bodo znanstveniki opazovali prej nedostopne procese in izboljšali natančnost meritev številnih znanih procesov, ki obravnavajo temeljna vprašanja, kot je izvor asimetrije snovi in antimaterije v vesolju. Preučevali bodo lastnosti snovi pri ekstremnih temperaturah in gostotah ter iskali kandidate za temno snov in druge nove pojave.

Ni izključeno, da bo iz podatkov, ki so jih začeli zbirati v torek, izšlo veliko odkritje. Upamo, a ni zagotovila, pravi Klute.

Še več podatkov pa bo prinesel nadgrajeni trkalnik – tako imenovani High Luminosity LHC  (HC-LHC), ki naj bi deloval od leta 2028 do 2040. Ta bo še povečal število trkov delcev in zbral vsaj 10-krat več podatkov, kot so jih zbrali doslej, s čimer se bo močno povečala možnost odkritja redkih subatomskih delcev in njihovih interakcij.

100-kilometrski supertrkalnik prihodnosti

Za odgovore na nekatera od temeljnih vprašanj tudi nadgrajeni pospeševalnik ne bo dovolj, zato v Cernu že nekaj let načrtujejo nov, zmogljivejši supertrkalnik Future Circular Collider (FCC), ki bo nadomestil LHC.

Novi trkalnik The Future Circular Collider (FCC)
Foto : CERN

100-kilometrska naprava, ki naj bi jo zgradili v podzemnem predoru blizu lokacije Cerna, bi sčasoma lahko dosegla energijo trka 100 TeV, kar je približno šestkrat več od energije trka trenutno delujočega LHC. Z doseganjem izjemno visokih energij bi novi trkalnik omogočil doslej najgloblji vpogled v strukturo snovi in možnost odkritja novih delcev.

Novi trkalnik bo po Mikuževih besedah natančna tovarna Higgsovih bozonov, v kateri bodo Higgsov bozon preučili v podrobnosti. “Ne zato, da bi potrdili standardni model, ker to postaja že dolgočasno, temveč da bi izvedeli, kaj se dogaja onkraj, da bi izvedeli, kaj je temna snov.” Higgsov bozon bo tako, podobno kot v astrofiziki gravitacijski valovi, služil kot nekakšen sel ali posrednik do informacij iz vesolja, natančneje do temne snovi.

Lahko da zaradi prenizkih energij v HC-LHC in novi tovarni Higgsovih bozonov ne bodo neposredno videli, bodo pa morda lastnosti Higgsovega bozona povedale, kje delce temne snovi iskati, ugotavlja Mikuž.

Sklep o gradnji novega trkalnika so v Cernu potrdili leta 2020, vendar ta odločitev še ni dokončna, pojasnjuje Mikuž. Za trkalnik v vrednosti vrtoglavih 21 milijard evrov namreč Cern še nima sredstev, prav tako velik del tehnologije, ki jo bo potreboval končni stroj, še ni razvit in bo predmet intenzivnega preučevanja v prihodnjih desetletjih.

Gradnja novega predora in trkalnika naj bi se po napovedih začela leta 2038. Najprej naj bi Cern zgradil trkalnik elektronov in pozitronov z energijami trkov, prilagojenimi za čim večjo proizvodnjo Higgsovih bozonov. Kasneje v tem stoletju pa bi prvo napravo nadomestili s trkalnikom protonov in protonov, ki bi dosegel energije trkov 100 TeV.

Slovenija odložila polnopravno članstvo v Cernu

Cern ima trenutno 23 polnopravnih držav članic, sedem pridruženih članic in tri pridružene članice na poti k polnopravnem članstvu – med njimi je tudi Slovenija. Sporazum med Slovenijo in Cernom o podelitvi statusa pridružene članice kot predhodne faze članstva sta decembra 2016 v Ženevi podpisali tedanja ministrica za izobraževanje Maja Makovec Brenčič in generalna direktorica Cerna Fabiola Gianotti. DZ ga je ratificiral marca 2017.

Slovenija je postala pridružena članica Cerna
Foto : Maja Makovec Brenčič in Fabiola Gianotti ob podpisu sporazuma. (CERN)

Po pridobitvi statusa pridružene članice bi Slovenija po petih letih, torej že letos, lahko postala polnopravna članica Cerna. A kot so pojasnili na ministrstvu, je Slovenija lani zaprosila za podaljšanje statusa pridružene članice. Polnopravna članica pa naj bi predvidoma postala v letu 2024.

Kot so pojasnili na ministrstvu za izobraževanj, znanost in šport, so se za status, ki omogoča postopen proces krepitve statusa članstva, odločili zaradi visoke članarine, relativno majhne skupine slovenskih raziskovalcev na tem področju ter želje, da bi slovensko gospodarstvom čim bolj angažiralo pri pridobivanju projektov s Cernom in tako upravičilo visoko članarino. V letu 2022 bo namreč ta znašala približno 1,8 milijona evrov, v letu 2023 pa najmanj okoli 2,2 milijona evrov. Polna članarina naj bi po trenutnih kriterijih znašala dobre tri milijone evrov.

Dvomi o smiselnosti superdragega supertrkalnika

Vsi niso prepričani o smiselnosti superdragega supertrkalnika, ki bi sicer morda lahko popeljal v novo dimenzijo fizike in razumevanja sveta. Nekateri se sprašujejo, ali je novo fiziko s takšno napravo sploh mogoče doseči ali smo dosegli stekleni strop.

Ena bolj glasnih kritičark je dr. Sabine Hossenfelder, teoretična fizičarka na Inštitutu za napredne študije v Frankfurtu v Nemčiji, ki meni, da novi trkalnik ni dobra zamisel in da znanstveni izkupiček še zdaleč ni zagotovljen. “Govorimo o desetinah milijard. Mislim le, da trenutno ni dovolj znanstvenega potenciala za izvajanje takšnih študij,” ocenjuje.

Klute, ki sodeluje pri pripravah na novi trkalnik, se zaveda, da takšen projekt odpira ne le tehnološka ali fizikalna vprašanja, temveč tudi vprašanje podpore v družbi. Skeptikom odgovarja, da je to dobra investicija, ki prinaša pomemben donos, saj s tem med drugim izobražujejo veliko mladih ljudi na področju fizike in tehnologije, poleg tega se med procesom razvijajo tehnologije, ki so v korist celotni družbi. Hkrati pa s tem dokazujejo, da države lahko družno, v miru, sodelujejo pri zelo kompleksnih problemih, kar upa, da se bo prevedlo tudi na druga pomembna vprašanja, kot je podnebna kriza.

Veliki hadronski trkalnik, LHC
Foto : CERN

“Družba mora investirati v kulturo, umetnost in temeljne raziskave, saj so to vrednote človeštva,” je prepričan Klute.

Tudi Liza Mijović poudarja, da je snovanje novih eksperimentov smiselno, ker še vedno ne razumemo 95 odstotkov našega vesolja in ker vemo, da nova fizika, ki bi nam to pomagala razumeti, obstaja, le odkriti jo je treba.

Nova fizika je za vogalom

Odkritje Higgsovega bozona je bilo gotovo eden od vrhuncev kariere nemškega fizika Kluteja, a upa, da prihaja še kaj več.

“Na področju fizike visokih energij in fizike delcev imamo veliko odprtih vprašanj in močno se trudimo, da najdemo odgovore z LHC in drugimi eksperimenti. Upam, da se bo še začasa mojega življenja zgodilo še eno odkritje te vrste. Pomembno vprašanje je temna snov, in z njim se zelo sistematično ukvarjamo.”

“Nova fizika je za vogalom, a ne vemo, kje ta vogal je /…/ Če bi moral staviti na kaj, bi rekel, da nam bo Higgsov bozon dal namige, kje bi lahko našli novo fiziko.”

Komentari

Vaš komentar