Tragom zvezda

Elementarne čestice – Higsov bozon

Svi ljudi, bez obzira na to bili naučnici u formalnom smislu te reči ili ne, imaju trajnu potrebu da stvaraju slike (odnosno, naučnim rečnikom rečeno, modele i teorije) o svetu u kome živimo i koji nas okružuje, uključujući celokupni svemir pa čak i spekulacije o drugim svetovima. Mnoštvo činjenica, koje iskustveno nosimo u sebi, svesno i nesvesno pretvaramo u različite slike o svetu. U životu takve slike često iskazujemo, pamtimo i prenosimo drugima kroz muziku ili druga umetnička dela ali i naučnim modelima i teorijama.

Ovako nekako bi trebalo da izgleda – atom

Priroda nam postaje jednostavnija u svojoj pojavnosti onoliko koliko smo uspešni u izgradnji odgovarajućeg modela, odnosno teorije. Pitanja o temeljnim gradivim elementima svega što postoji u prirodi, njihovim svojstvima i zakonitostima povezivanja u veće sisteme – pokazuju se pitanjima od posebnog značenja za čoveka. Još i pre antičkih vremena pa sve do danas iz različitih zapisa se lako uočava kako su mnogi pojedinci i grupe tragali za odgovorima o temeljnim gradivim elementima, njihovim merljivim svojstvima, zakonitostima njihovih interakcija i povezivanja u složenije sisteme materije, uključujući njihova grupna ponašanja u različitim uslovima unutar složenih sistema. Takva istraživanja i razmišljanja su redovno vodila do temeljnih pitanja o početku stvaranja svemira, razvoju, kao i njegovom mogućem kraju. Sa različitim intenzitetom i oblicima, tim pitanjima su se bavili, literarno rečeno, gotovo svi ljudi.

Istorijski pregled razvoja fizike elementarnih čestica

Pre nekoliko hiljada godina, tokom antičkog doba, sve su do tada poznate merljive činjenice upućivale na to da je svet napravljen od četiri temeljna gradivna elemenata: zemlje, vode, vazduha i vatre. Za svaki taj element se smatralo da ima svoje određeno prirodno mesto u svemiru kao i odgovarajuće zakonitosti prirodnog ponašanja. Tadašnja zapažanja su upućivala da je Zemlja u centru sveta, nakon čega slede redom: voda, vazduh i vatra, pa u tom smislu i njihova prirodna kretanja – na primer, zemlje prema središtu sveta, a vatre prema Suncu i zvezdama. Savremenim rečnikom bi rekli da su se sve do tada poznate merljive činjenice mogle objasniti pomoću modela četiri osnovna gradivih elemenata, koji su povezani odgovarajućim zakonima. Nekoliko hiljada godina kasnije, tokom 18. i 19. veka, elementarni delovi materije postajali su sve brojniji te su dobili naziv – atomi, sve u skladu s nastojanjima tadašnjih naučnika da potvrde ideju antičkih filozofa o postojanju nedeljivih elemenata materije. U to vreme se znalo za postojanje nekoliko desetina različitih vrsta takvih elemenata (elementarnih čestica), odnosno atoma. S vremenom ih se otkrivalo sve više i više, pa su ih tadašnji naučnici, radi boljeg razumevanja, smeštali u brojne i različite periodične sisteme elemenata. Nama je najpoznatija ona tabela elemenata koja je izrasla iz predloga D. I. Mendeljejeva. Sve su te tabele toliko dobro prikazivale do tada poznate elemente (atome) da su bile korisne i u predviđanjima otkrića novih elemenata – sve do današnjih dana. Stvaranje tako velikog broja osnovnih elemenata istovremeno je dovodio do sve veće sumnje u njihovu istinsku elementarnost.

Ta se sumnja pokazala opravdanom nakon što je pred kraj 19. veka otkrivena “sićušna” čestica – elektron. U tom trenutku svi atomi su prestali biti nedeljivi osnovni elementi materije, a tu su ulogu preuzeli elektroni i “ostaci” različitih atoma – jezgra atoma. To bi značilo da bi, kad bismo imali nameru da se ispravno koristimo originalnom idejom antičkih filozofa o pojmu atoma, hemijski elementi bi trebali izgubiti ukorenjeni naziv – atom (grč.: nedeljiv). Početkom 20. veka, kada je otkriven proton, a nakon toga i neutron, svet se naučnicima na trenutak učinio vrlo jednostavnim, s obzirom na broj različitih elementarnih čestica koje ga izgrađuju. To je bilo “zlatno” doba fizike elementarnih čestica. Uz već tada uvedenu česticu svetlosti – foton, sva se poznata materija, uključujući i onu kratko stvorenu u naučnim eksperimentima, mogla prikazati kao kombinacija protona, neutrona i elektrona. Na primer, zlato i olovo razlikuju se samo u broju protona, neutrona i elektrona, s tim da čak broj elektrona nije ključan u razlikovanju zlata i olova. S druge strane, puno je teže bilo s razumevanjem zakona koji opisuju interakciju tih elementarnih čestica. Jedine dve do tada poznate osnovne interakcije (elektromagnetna i gravitaciona) nisu mogla objasniti vezivanja tih elementarnih čestica (protona, neutrona i elektrona) u veće sisteme, tj. atomska jezgra, atome i molekule, kao i druge makroskopske složene sisteme. Dodatni problemi su nastali i zbog potrebe uvođenja hipotetičke „nevidljive“ čestice (ital. neutrino: nešto maleno i neutralno) kako bi se zadovoljio zakon očuvanja energije, količine kretanja i ugaone količine kretanja. Vrlo kratko je trajalo zadovoljstvo naučne zajednice zbog maloga broja elementarnih čestica, jer se daljim istraživanjima tokom 20. veka otkrila (bolje reći, u kratkim vremenskim intervalima stvorila u naučnim eksperimentima) brojna grupa novih vrlo egzotičnih (čudnih, stranih, šarmantnih i s drugim egzotičnim nazivima) elementarnih čestica.

Brojnost novootkrivenih „elementarnih“ čestica još je jednom dovela u sumnju njihovu istinsku elementarnost te je podstakla potrebu daljeg detaljnog istraživanja u tom smislu (tokom 1960-ih čak su dobile i popularan naziv – the particle zoo). Filozofski gledano, jednostavno je teško prihvatiti, ili je čak potpuno neprihvatljivo, da elementarnost u temeljnom smislu nose stotine različitih čestica. Sve je to dalje dovelo do stvaranja novog modela elementarnih čestica – standardnog modela, kojim se do tada mnoštvo čestica objasnilo kombinacijom manjeg broja elementarnih čestica (ukupno 61 elementarna čestica unutar standardnog modela).

Savremena fizika elementarnih čestica

Kao i ostala polja nauke, i fizika ima svoje metode i postupke istraživanja. Jedine spoznaje u fizici koje se smatraju istinom jesu spoznaje koje dolaze od eksperimentalnih istraživanja, što vredi i za nove spoznaje o Higsovom bozonu i, eventualno, buduća otkrića supersimetričnih čestica. Poznato nam je da se tokom istorije vrlo često događalo da se, očekujući određeni rezultat u eksperimentalnim istraživanjima, događalo nešto potpuno neočekivano. To je dalje redovno dovodilo do razvoja novih modela i teorija. Svaki model ili teorija je naša slika stvarnosti koja se potvrđuje u nekim svojim delovima izvođenjem različitih eksperimenata. Jedina svojstva koja se fizikalnim eksperimentima mogu istraživati jesu merljiva svojstva. Ostali deo ukupne spoznaje u fizici nadopunjava se prihvatljivim teorijama. Fizika elementarnih čestica bavi se proučavanjem elementarnih delova materije, odnosno materije i zračenja. Kao širi pojam koristi se i naziv visokoenergetska fizika, jer su potrebne visoke energije čestica koje u međusobnim sudarima stvaraju potrebne uslove za takva istraživanja. Visokoenergetska fizika uz spomenutu brigu o otkrićima novih čestica i određivanja njihovih osnovnih svojstava dodatno uključuje istraživanja grupnih svojstava i ponašanja složenijih sistema, kao što su, na primer, hadronska materija i kvark-gluonska plazma. U današnje vreme, u okviru fizike elementarnih čestica, sve poznate eksperimentalne činjenice upućuju na to da se sva poznata materija može prikazati kao složen sistem izgrađen od dve grupe elementarnih gradivih čestica: od nekoliko vrsta kvarkova i leptona. Tu se još trebaju dodati grupe antikvarkova i antileptona (koji se u današnje vreme u svemiru pojavljuju verovatno tek nakratko, i to u posebnim okolnostima). Interakcija između navedenih elementarnih gradivih čestica ostvaruju se uz pomoć drugih vrsta elementarnih čestica, tzv. elementarnih bozona, tj. čestica interakcije koje se dalje svrstavaju u dve grupe gejdž-bozona, gluona, i gravitona (koji još nije dobio eksperimentalnu potvrdu). Navedene grupe elementarnih gradivih čestica (kvarkovi i leptoni) zajednički spadaju u grupu elementarnih fermiona, koji za razliku od elementarnih bozona imaju određena ograničenja u zauzimanju prostora s obzirom na ostale fermione. Zato se često u popularnim tekstovima prikazuju u modelu građevinskog materijala – kao gradivni blokovi, odnosno opeke (dva gradivna bloka ili više njih u istom trenutku ne mogu zauzimati isto mesto u prostoru). Takva ograničenja ne postoje za elementarne bozone – u isto vreme može ih biti proizvoljno mnogo u proizvoljno malom prostoru, odnosno mogu stvarati proizvoljno veliku gustinu energije (na primer, čestice svetlosti, fotoni). Navedeni elementarni bozoni, odnosno čestice osnovnih interakcija, nosioci su četiri osnovne sile prirode:

  • a) elektromagnetne,
  • b) slabe nuklearne,
  • c) jake nuklearne
  • d) gravitacione sile,

s tim da gravitaciona sila još uvek ima otvoreno pitanje povezano s opštom teorijom gravitacije.

Kako je otkriven Higsov bozon

U okviru savremene fizike elementarnih čestica postoji više slika, odnosno modela i teorija, kojima se većina poznatih eksperimentalnih činjenica može objasniti, a „najjednostavnija“ među tim slikama je tzv. standardni model, koji je nastao i razvijao se od sredine pa sve do kraja 20. veka. Naglašava se termin „većina poznatih činjenica“, jer se neke od eksperimentalnih činjenica pažljivo izdvajaju iz pokušaja objašnjavanja standardnim modelom.

Sudar čestica u LHC

Tu, na primer, pripadaju pitanja gravitacije, tamne materije, tamne energije i određena pitanja neutrina. Naime, već duže vreme je poznato da standardni model ne može dati sliku o svemu što se događa u svemiru, ni u prostornoj ni u vremenskoj dimenziji (zbog čega već od starta ostaje model, a nikada teorija). Ali, standardni model je bio i ostao vrlo zanimljiv i teorijskim i eksperimentalnim fizičarima elementarnih čestica jer su neka temeljna pitanja unutar tog modela ostala još uvek neodgovorena, a ona se u prvom delu odnose na ideju o postojanju još jedne čestice – tzv. Higsovog bozona. Higsov bozon je posebno zanimljiv zbog svoje specifične uloge unutar tog modela. Za teorijske fizičare standardni model je vrlo zanimljiv i kao oblik kvantne teorije polja i kao osnova za kreiranje novih bitno egzotičnijih modela i teorija.

Takvi modeli i teorije uključuju sve dosadašnje eksperimentalne potvrde standardnog modela uz dodatna predviđanja postojanja novih hipotetičnih čestica, novih dimenzija i simetrija. Primeri takvih modela i teorija su: minimalno supersimetrično proširenje standardnog modela, supersimetrični model, teorija struna i M-teorija. Ideja o Higsovom bozonu Prof. Peter Higgs još početkom 1960-ih godina je predložio model koji je uključivao čestice za prenošenje osnovnih sila i mehanizme za stvaranje mase elementarnih čestica, što se dalje pažljivo razvijalo do današnjega standardnog modela. Kao što smo naveli, standardni model ukupno uključuje 61 elementarnu česticu, a one su organizovane u tri grupe: a) elementarne fermione (kao gradive elemente) – kvarkove i leptone; b) elementarne bozone (kao prenosioce osnovnih interakcija) – foton, W±, Z0 i osam gluona; pa c) Higsov bozon (električno neutralna elementarna čestica spina nula, s posebnom ulogom u standardnom modelu). Sve čestice standardnog modela su do danas dobile eksperimentalnu potvrdu. Higsov bozon ima posebnu ulogu u standardnom modelu, kojim se objašnjavaju mase drugih elementarnih čestica. Ta je uloga posebno istaknuta kroz objašnjenje zašto je masa fotona nula, dok su mase W (80,385 GeV/c2) i Z (91,188 GeV/c2) bozona vrlo velike. Razlika u tim masama između fotona i W i Z bozona je osnovni razlog zašto je elektromagnetna sila makroskopskih (literarno kazano – beskonačnih) dometa, a slaba nuklearna sila kratkodometna. Kad se danas govori o Higsovom bozonu, najčešće se misli na jednu česticu. Ali, može uključivati više elementarnih čestica, zavisno o modelu unutar koga se raspravlja, odnosno unutar kojeg se nastoje objasniti eksperimentalne činjenice. Kako što je ovde već navedeno, standardni model predviđa postojanje jednog Higsovog bozona, dok, na primer, minimalno supersimetrično proširenje standardnog modela predviđa postojanje pet elementarnih Higsovih bozona.

U skladu s kvantnom fizikom, u svim se modelima Higsov bozon opisuje poljem – Higsovim poljem, čija se čestična manifestacija može prepoznati u eksperimentima, tj. Higsovim bozonom. Proces interakcije Higsovog bozona s drugim česticama, unutar odgovarajućeg modela, rezultuje masom tih čestica, a taj se proces naziva Higsov mehanizam. Istraživanje svojstava Higgsovog bozona Jedno od osnovnih svojstava svih čestica je masa, pa to vredi i za Higsov bozon. Tim se u današnje vreme i fizici elementarnih čestica postavlja temeljno pitanje – kolika je masa Higsovog bozona. Kako su mase svih elementarnih čestica znatno manje od osnovne merne jedinice za masu (kilogram, kg), fizičari elementarnih čestica koriste drugu mernu jedinicu za masu – elektron-volt (/c2, po brzini svetlosti na kvadrat), gde se koristi poznati Ajnštajnov relativistički izraz ekvivalentnosti energije i mase E = mc2. Kako je Higsov bozon predviđen kao masivna čestica i kao čestica koja se nakon stvaranja vrlo brzo (gotovo trenutno) raspada u različite grupe reakcijskih čestica (tzv. kanale raspada), to ga je moguće prepoznati samo u pažljivo pripremljenim uslovima – uslovima velike energije akceleratora čestica (protona na LHC-u) te preciznih detektora za što veći broj čestica koje nastaju u takvim događajima. Takve uslove nalazimo na LHC-u (Large Hadron Collider) u CERN-u (Ženeva, Švicarska), danas najsloženijem i najskupljem akceleratorskom i detektorskom sistemu na svetu. Kako se, nakon što nastane u sudarima brzih čestica, gotovo trenutačno raspadne, Higsov bozon se može prepoznati jedino kroz svoje kanale raspada, tj. merenjem svojstva konačnih čestica koje nastaju njegovim raspadom (npr. kroz dva fotona, četiri elektrona ili druge, tačno određene, kanale raspada). Za određivanje osnovnog svojstva, mase čestice, primenjuju se jednostavni principi merenja energija svih nastalih reakcijskih čestica i njihovih količina kretanja, za koje se detaljnom analizom prepozna da su nastali u istom događaju. To je dovoljno za određivanje mase eventualne čestice iz koje su nastale takve detektovane čestice.

Poteškoće stvara činjenica što je mnogo (milijarde) puta više onih događaja u kojima odabrani kanal raspada nastaje i bez postojanja Higsovog bozona. Dakle, otkriće nove čestice, Higsovog bozona, podrazumeva otkriće povećanog broja određenih događaja (na primer, dva visokoenergetska fotona s odgovarajućom količinom kretanja), nego što se takvi događaji predviđaju teorijom koja ne uključuje tu česticu koja se nastoji otkriti – u ovom slučaju, Higsov bozon. Detaljnom analizom i pažljivom selekcijom svih događaja, može se proračunati masa te nove čestice. Druga važna svojstva (npr. naelektrisanje, spin, paritet, i drugo) takve čestice se daljom analizom prikupljenih podataka pažljivo određuju. Kako se u subatomskom svetu događaji odvijaju uz odgovarajuću verovatnoću, to se u svim takvim analizama u fizici elementarnih čestica unapred dogovorilo kada se određeni događaj smatra značajnim. Po tom se dogovoru određeni događaj smatra značajnim, odnosno istinitim, ako upada unutar pet standardnih devijacija, što odgovara verovatnoći od oko 99,99994 %. Rezultati iz 2012. godine, koje su prezentovali CMS (Compact Muon Solenoid) i ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) kolaboracije, upravo sa oko pet standardnih devijacija predviđaju najmanje jednu novu česticu, Higsov bozon ili njemu sličnu česticu, s masom od oko 125 GeV, uz postojanje rezerve o nezanemarivoj razlici masa gledano kroz različite kanale raspada (dva fotona u odnosu na četiri leptona, dobijena iz prethodna dva Z bozona, od kojih je najmanje jedan virtuelan). S filozofske strane gledano, iz dva razloga je posebno zanimljiv kanal raspada Higsovog bozona u četiri leptona kroz prethodna dva Z bozona. Naime, kao i Higsov bozon, tako se i Z bozoni gotovo trenutno raspadaju. To znači da se svi oni raspadnu puno pre nego što stignu do prvih detektora. Tek leptoni koji nastaju raspadom Z bozona ostavljaju odgovarajući odziv na detektorima. Drugi filozofski zanimljiv deo u Z kanalu raspada Higsovog bozona je činjenica da su dva Z bozona (mase ukupno 2•91,188 GeV/c2 = 182,376 GeV/c2) ukupno značajno masivnija od Higsovog bozona (mase oko 125 GeV/c2). U klasičnoj slici taj proces je nemoguć jer narušava zakon očuvanja energije. Ali, zahvaljujući Hajzenbergovom principu neodređenosti u kvantnoj fizici, taj proces je moguć. Naime, Hajzenbergov princip neodređenosti dopušta narušavanje zakona očuvanja energije u odgovarajućim kratkim vremenskim intervalima. Običnim jezikom bi mogli reći da priroda dopušta „pozajmljivanje“ energije „niotkuda“, ali samo u vrlo kratkim vremenskim intervalima. Što se više energije „pozajmljuje“, to je vremenski interval – za koji se ta energija mora „vratiti“ – kraći (a sve je bez kamata). Osim navedenog cilja tih istraživanja, tj. otkrića Higsovog bozona, eksperimenti na LHC-u odvijaju se i radi istraživanja čestica izvan standardnog modela, kao što su supersimetrične čestice. Otkriće takvih čestica dovelo bi do potpuno novog razumevanja materije na osnovnom nivou, kao i građe i strukture celog svemira. Takođe, eksperimenti se odvijaju i radi istraživanja grupnih svojstava hadronske materije u ekstremnim uslovima visokih temperatura. Savremena istraživanja u fizici visokih energija, posebno istraživanja postojanja Higsovog bozona i kvark-gluonske plazme, uz pogled na istoriju fizike, stvaraju dobru osnovu i za preciznije razvijanje filozofskih koncepcija, pa time i stvaranja zdravog skepticizma tokom naučnih istraživanja.

RSS
Follow by Email
Facebook
Twitter