Tragom zvezda

Higsov bozon

Jedna od bitnih stvari koja dugo nije imala eksperimentalnu potvrdu a deo je slagalice nastanka univerzuma je teorija Pitera Higsa, britanskog fizičara koji je šestdesetih godina 20-og veka predložio teoriju o nevidljivom ali sveprisutnom pozadinskom polju koje prožima čitav svemir. Naime, predvideo je da u jednom takvom sveprisutnom polju čestice koje nose silu mogu stupiti u interakciju s njim i praktično nailaziti na otpor svom kretanju i usporavati. Usled toga te čestice mogu da se ponašaju kao da su teške, kao da imaju masu. Fizičar Stiven Vajnberg, a kasnije i Abdus Salam su primenili tu ideju na model slabe i elektromgnetne sile koji je ranije predložio Šeldon L. Glašou, i sve se uklopilo. Ta ideja se može primeniti i na ostale čestice u prirodi, uključujući i na one koje sačinjavaju protone i neutrone, kao i osnovne čestice kao što su elektroni.

Simplifikovan opis dejstva Higsovog bozona

Polja su u osnovi teorijskog okvira za veliki deo moderne fizike. Elektromagnetno polje nam je svima poznato i uočljivo. Živimo usred radijskih i TV emisija, u mreži mobilne telefonije, u Sunčevoj toploti i svetlosti. Fotoni su elementrani delovi elektromagnetnih polja i možemo ih smatrati prenosnicima elektromagnetne sile. Gravitaciono polje nam je takođe poznato jer neprekidno nas drži prikovane za površinu Zemlje. Osim u more elektromagnetnih polja, uronjeni smo i u more gravitacionih polja; preovladava ono Zemljino ali osećamo i gravitaciono polje Sunca, Meseca i drugih planeta. Kao što su fotoni prenosnici elektromagnetne sile, verujemo da postoje i gravitoni, čestice prenosnici gravitacione sile. Ove čestice još nisu otkrivene, ali to možda i nije ništa neobično, jer je gravitacija najslabija od svih sila prirode. Osim ovih dobro poznatih polja prirodnih sila, postoje još dve prirodne sile, jaka nuklearna i slaba nuklearna sila. One takođe prenose svoj uticaj poljima. Nuklearne sile su manje poznate zato što deluju samo u atomskim i subatomskim razmerama. Ipak, njihov uticaj na svakodnevni život kroz nuklearnu fuziju zbog koje Sunce sija, nuklearnu fisiju u atomskim reaktorima i radioaktivni raspad elemenata poput uranijuma ili plutonijuma nije ništa manje važan. Polja jake i slabe nuklearne sile se zovu Jang-Milsova polja po Č.N.Jangu i Robertu Milsu, koji su pedesetih godina prošlog veka razradili njihove teorijske koncepte. Kao što se elektromagnetna polja sastoje od fotona, gravitaciona, veruje se od gravitona, polja jake i slabe sile takođe imaju čestične sastavne delove. Čestice jake sile nazivaju se gluoni, a slabe W i Z bozoni.

Piter Higs u Cernu


Teorijski okvir zasnovan na poljima primenjuje se i na materiju. U glavnim crtama, talasi verovatnoće u kvantnoj mehanici takođe se mogu shvatiti kao polja u prostoru koja pružaju verovatnoću da je neka čestica na jednoj ili drugoj lokaciji. U Cernu je dokazano da pored ovih polja postoje i nikad detektovana polja, koja u poslednjih dvadeset godina igraju glavnu ulogu u modernoj kosmološkoj misli i u fizici elementarnih čestica. Polja reaguju na temperaturu uglavnom isto kao i obična materija. Što je temperatura veća, to će vrednost polja silovitije da varira, gore-dole. Na ledenoj temperaturi karakterističnoj za duboki kosmos u ovom trenutku (2.7 stepeni iznad apsolutne nule), pa čak i na višim temperaturama kao što su na Zemlji, varijacije polja su neznatne. Ali temperatura nakon Velikog praska nije bila tih vrednosti. Veruje se da je u trenutku 10-43 sekundi nakon Velikog praska temperatura bila 1032 Kelvina, pa su se polja žestoko kolebala. Kako se kosmos širio i hladio, početna ogromna gustina i zračenje postojano su opadali, kosmičko prostranstvo je postajalo sve praznije i kolebanja polja su bila sve prigušenija. Za većinu polja to znači da su im se vrednosti približile nuli. E, tu sada na scenu stupa Higsovo polje. Istraživači su zaključili da je to vrsta polja koje je imalo svojstva slična drugim poljima na visokim temperaturama neposredno posle Velikog praska – neobuzdano je variralo. Međutim, smatra se da, kada je temperatura svemira dovoljno pala, Higsovo polje se kondezovalo u određenu vrednost različitu od nule u čitavom kosmosu. Tu pojavu nazivamo formacijom nenulte očekivane vrednosti Higsovog polja u vakuumu ili Higsov okean. Proces kojim Higsovo polje poprima vrednost različitu od nule u celom kosmosu – formirajući Higsov okean – naziva se spontano narušavanje simetrije i jedan je od najvažnijih pojmova koji su se pojavili u poslednjim decenijama teorijske fizike 20. veka.
Pošto sada znamo da Higsovo polje postoji i da ima vrednost različitu od nule onda je logično očekivati da ga osećamo. Kako ga osećamo? Šta god pokušamo da uradimo moramo da uložimo neki napor. Da pokrenemo neki predmet, da ga zaustavimo, da mu promenimo smer neophodno je uložiti neki rad, a sve zbog toga što svako od tih tela ima masu. Još od Njutna, preko Maha i Ajnštajna, naučnici su pokušavali da odrede i postave kriterijum mirovanja, da odrede šta je ubrzanje. Međutim, kada su to uspeli, kada je napokon gravitaciono polje postalo referentni okvir mirovanja i ubrzanja niko nije ponudio mehanizam kojim predmeti stiču svoju masu – svoju inerciju- taj atribut koji se protivi ubrzanju. Tek kasnije, odgovor je stigao u vidu Higsovog polja.

Umetničko viđenje Higsovog polja

Svi atomi koji čine ruke, noge, mišiće pa i predmet koji podižemo načinjeni su od protona, neutrona i elektrona. Protoni i neutroni se sastoje od manjih čestica – kvarkova. Dakle, kada podižemo neki predmet u stvari pokrećemo sve te elektrone i kvarkove a Higsovo polje stupa u interakciju s njima i odupire se njihovom ubrzanju. Dakle, tako osećamo Higsov okean. Sile kojima svi delujemo hiljadu puta na dan kako bismo promenili brzinu ovog ili onog predmeta – kako bismo ih ubrzali – su sile koje se suprotstavljaju otporu Higsovog okeana. Kada je reč o poznatoj materiji koja se sastoji od gomila fundamentalnih čestica, postoji još jedan važan izvor mase. Kvarkove koji čine protone i neutrone drži na okupu jaka nuklearna sila: gluoni struje između kvarkova i lepe ih. Eksperimenti su pokazali da ovi gluoni imaju veliku energiju, a kako iz Ajnštajnove teorije sledi da se energija može izraziti preko mase zaključujemo da gluoni u protonima i neutronima velikim delom učestvuju u ukupnoj masi ovih čestica. Dakle, preciznije bi bilo zamisliti da sila otpora u Higsovom okeanu daje masu fundamentalnim česticama poput elektrona i kvarkova, ali kada se ove čestice kombinuju u kompozitne čestice poput protona, neutrona i atoma, u igru ulaze i drugi izvori mase.
Pretpostavlja se da stepen u kome se Higsov okean odupire ubrzanju čestice zavisi od vrste čestice. To je važno, jer sve poznate vrste fundamentalnih čestica imaju poznatu masu. Na primer, dok se protoni i neutroni sastoje od dve vrste kvarkova (gornjih i donjih, proton se sastoji od dva gornja i jednog donjeg kvarka, nautron čine dva donja kvarka i jedan gornji) naučnici su s vremenom u eksperimentima izvedenim u ubrzivačima čestica otkrili još četiri vrste kvarkova, mase od 0.0047 mase protona do 189 puta veće mase od protonske. Smatra se da se takva razlika u masama može objasniti time što različite vrste čestica stupaju u interakcije različite jačine s Higsovim okeanom. Ako se čestica kreće neometano kroz Higsov okean, uz neznatne ili nikakve interakcije, nailaziće na neznatan ili nikakav otpor. Dobar primer je foton. Fotoni potpuno neometano prolaze kroz Higsov okean i zato nemaju masu. Najteži kvark (takozvani vršni), mase 350 000 puta veće od mase elektrona, stupa u 350 000 puta jaču interakciju s Higsovim poljem i zato ima veću masu. Ovo nam pruža osnovu za razmišljanje o tome zašto jedna čestica ima drugačiju masu od neke druge čestice, ali još uvek nemamo fundamentalno objašnjenje načina na koji poznate čestice stupaju u interakcije s Higsovim okeanom. Zato nema ni fundamentalnog objašnjenja zašto poznate čestice imaju upravo one mase otkrivene u eksperimentima. Međutim, uglavnom se veruje da bi bez Higsovog okeana sve fundamentalne čestice bile kao fotoni i uopšte ne bi imale masu. U stvari, možda je u prvim trenucima svemira tako i bilo.
Otkriće Higsovog bozona potvrđuje mnoge ideje koje se tiču inflatorne teorije Velikog praska. Ideja da je veoma rani svemir prošao kroz period širenja nadsvetlosnom brzinom, nazvan inflacija, koji je u osnovi stvorio skoro sav prostor i materiju u vidljivom svemiru gotovo ni od čega, uveliko se oslanja na mogućnost da je u ranom dobu odmah neprikosnoveno zavladalo neko drugo polje, vrlo slično Higsovom polju.