Neznana znamenitost

Znanstvena skupnost, še posebej fiziki, je bila prejšnji teden v nestrpnem pričakovanju. V Evropskem centru za jedrske raziskave (CERN) v Ženevi v Švici so namreč pripravili poseben seminar, na katerem so znanstveniki predstavili najnovejše rezultate lova na Higgsov bozon, ki drugim delcem podeljuje maso. Pred začetkom predstavitve se je celo šušljalo, da so Higgsov bozon že našli. Na koncu se je izkazalo, da vendarle še vedno niso zbrali dovolj podatkov, da bi lahko to z gotovostjo trdili. Vendar pa na odpiranje šampanjcev baje ne bo treba več dolgo čakati. In glede na to, da naj bi v kratkem dokazali obstoj Higgsovega bozona, bi bilo dobro, da tudi širša javnost izve, zakaj točno bodo pokali šampanjci.

V naravi obstajajo štiri osnovne interakcije, prek katerih lahko delci delujejo drug na drugega – gravitacija, elektromagnetizem ter močna in šibka jedrska sila. Gravitacija je privlak med objekti zaradi njihovih mas, elektromagnetizem predstavljajo interakcije med električno nabitimi delci. Močna jedrska sila je najmočnejša sila v naravi in skrbi za stabilnost atomskih jeder, a deluje zgolj na zelo majhnih razdaljah. Šibka jedrska sila se pojavlja le v nekaterih jedrskih procesih in je med drugim odgovorna za del naravne radioaktivnosti, saj povzroča tako imenovane beta razpade atomskih jeder.

Leta 1970 so fiziki odkrili, da med dvema od teh štirih sil, elektromagnetizmom in šibko jedrsko silo, obstaja močna povezava, ki je nakazovala, da so elektrika, magnetizem, svetloba in nekatere vrste radioaktivnosti vse le različne manifestacije ene sile. Nad določeno mejno energijo namreč elektromagnetna in šibka jedrska sila postaneta eno – elektrošibka sila. A ta mejna energija je izjemno visoka in ustreza 1.000.000.000.000.000 stopinjam Kelvina. Tako visoko temperaturo pa je vesolje imelo le takoj po velikem poku.

Predpostavka, da se »združevalna« teorija elektromagnetne in šibke jedrske sile izide, je, da osnovni delci, gradniki atomov (elektroni, kvarki, nevtrini …), nimajo mase. To pa dokazano ne drži. Tukaj nastopi škotski fizik Peter Higgs. Skupaj s kolegi je postavil hipotezo, da osnovni delci takoj po velikem poku (ko je bila temperatura nad kritično) dejansko niso imeli mase. Ko se je vesolje dovolj ohladilo, da elektromagnetna in šibka jedrska sila nista bili več združeni v elektrošibko silo, ko je prišlo do »zloma simetrije« med njima, pa so osnovni delci (foton, osnovni delec svetlobe, je izjema) dobili maso. To maso pa jim je podelil Higgsov mehanizem. Z ohlajanjem naj bi se v vesolju ustvarilo nevidno Higgsovo polje, ki je vseprisotno. Masa delcev je odvisna od stopnje njihove interakcije s Higgsovim poljem, od sklapljanja z njim. Bolj se delec sklaplja s Higgsovim poljem, večjo maso ima. Če Higgsovo polje nanj ne vpliva – kot v primeru fotona –, mase nima. Kazalec obstoja Higgsovega polja naj bi bil Higgsov bozon, edini preostali, še neodkriti osnovni delec, ki pa mora obstajati, da se računi znotraj standardnega modela osnovnih delcev izidejo. A doslej ga še nihče ni dokazano zaznal. Za nastanek Higgsovega bozona je potrebne ogromno energije, silno močan trk dveh protonov, in pospeševalnik LHC v CERN-u je prvi na svetu, ki jo lahko zagotovi. Njegova naloga je poustvariti razmere, ki so v vesolju vladale takoj po velikem poku.

Tudi če je energija, ki se sprosti ob trku protonov, dovolj velika, je nastanek Higgsovega bozona sila redek proces. »Le v približno enem od 10 milijard trkov namreč nastane Higgsov bozon. Večina trkov je tako povsem nezanimivih in pomenijo le oviro pri iskanju Higgsovega bozona,« pojasnjuje dr. Jure Zupan z ljubljanske Fakultete za matematiko in fiziko. Dodatna težava pri odkrivanju Higgsovega bozona je v tem, da po nastanku v trenutku razpade. O njegovem obstoju lahko zato sklepamo le na podlagi delcev, ki nastanejo ob njegovem razpadu. A kljub temu so znanstveniki v CERN-u vse bliže potrditvi njegovega obstoja. Kot pravi dr. Zupan, so prejšnji teden predstavljeni rezultati zelo prepričljivi, da Higgsov bozon obstaja in da ima maso, približno 125-krat večjo kot proton. »Pravzaprav je zasebno kar veliko raziskovalcev prepričanih, da resnično vidijo razpade Higgsovega bozona. A da bodo lahko to brez dvoma potrdili, bo treba še počakati, da zberejo dodatno število trkov v prihodnjem letu.«

Razlaga Higgsovega bozona za laike je zahtevna naloga, s katero ima težave tudi prenekateri profesor fizike, sploh če se primarno ne ukvarja s fiziko delcev. O razlagi, ki bi jo lahko razumel vsak, obstaja zanimiva zgodba. Leta 1993 je takratni britanski minister za znanost William Waldegrave opazil, da ministrstvo veliko denarja namenja za iskanje Higgsovega bozona. Ker se mu ni niti sanjalo, kaj naj bi to bilo, je fizikalno skupnost izzval – tisti, ki mu bo najbolje razložil, za kaj gre, dobi steklenico šampanjca. Z razlago za telebane oziroma »kvazipolitično razlago«, kot jo je naslovil, je zmagal fizik David J. Miller. Gre pa takole.

Za nastanek Higgsovega bozona je potrebne ogromno energije, silno močan trk dveh protonov, in pospeševalnik LHC v CERN-u je prvi na svetu, ki jo lahko zagotovi.

Predstavljajte si zabavo politične stranke, katere udeleženci so enakomerno razporejeni po prostoru. Vstopi predsednik stranke in se napoti na drugo stran prostora. Vsi člani stranke, ki se jim približa, ga nagovarjajo, se obračajo k njemu, mu segajo v roko. Okoli njega nastaja gneča. Ko gre mimo njih, se spet enakomerno razporedijo po prostoru. Zaradi gneče okoli sebe ima predsednik stranke večjo maso in se težje giblje po prostoru. To je Higgsov mehanizem. Ko se delec giblje skozi Higgsovo polje, se okoli njega ustvari »gneča«, ki mu daje maso in ga s tem upočasnjuje. Če ne bi imel mase, bi se nenehno gibal s svetlobno hitrostjo.

Za razlago Higgsovega bozona Miller nadaljuje zgodbo. Predstavljajte si, da se v prostoru, v katerem so enakomerno razporejeni člani politične stranke, razširi govorica. Tisti, ki so pri vratih, jo slišijo prvi, nato pa se obrnejo in se pomaknejo k bližnjim sosedom, ki bi jo prav tako želeli slišati. Ti po enakem postopku govorico sporočijo naprej itd. Tako v množici nastane val skupkov ljudi. Ti skupki imajo, tako kot v primeru obiska predsednika stranke, svojo maso. Higgsov bozon je pravzaprav val v Higgsovem polju. Tako kot za vsak drug osnovni delec namreč tudi za Higgsov bozon velja, da ga lahko opišemo tudi kot valovanje polja, ki mu pripada.

Pogosto vprašanje, ki si ga zastavljajo laiki ob novicah o skorajšnjem odkritju Higgsovega bozona, je, kako naj bi to zadevalo mene in moj vsakdan. Kot pravi dr. Zupan, je to zelo zahtevno vprašanje. »Gre za raziskave, ki jih ne opravljamo zaradi znanih aplikacij, ampak ’le’ zaradi čiste želje po znanju – izboljšanju našega poznavanja sveta, ki nas obdaja.« Po njegovih besedah je težko napovedati, ali bo odkritje Higgsovega bozona spremenilo naš vsakdanjik čez desetletje, dve desetletji, stoletje ali sploh kadarkoli. Pri tem spomni na slavni odgovor Michaela Faradaya, odkritelja elektromagnetizma, ki je leta 1850 na vprašanje ministra za finance Velike Britanije, češ, kakšno uporabno vrednost ima elektrika, odgovoril: Nekega dne boste lahko zanjo zaračunavali davke. »Povsem mogoče, da bo kaj takega veljalo tudi za Higgsov bozon čez stoletje, dve ...«

Higgsov bozon je v medijih večinoma poimenovan »božji delec«. Če tega poimenovanja ne bi bilo, bi bilo verjetno zanimanje zanj in za dogajanje v CERN-u nekoliko manjše. Dejansko pa znanstvenikom, tudi Petru Higgsu, to poimenovanje večinoma ni všeč. Morebitno odkritje Higgsovega bozona namreč še zdaleč ne bo dalo dokončnega odgovora na vprašanje o življenju, vesolju in sploh vsem. Za popularno poimenovanje se ima Higgsov bozon zahvaliti ameriškemu fiziku Leonu Ledermanu, ki ga je na začetku 90. let vključil v naslov svoje knjige »Božji delec: Če je vesolje odgovor, kaj je potem vprašanje«. Upravičil ga je z zapisom, da je Higgsov bozon ključen za fiziko, za razumevanje strukture snovi, pa vendar tako izmuzljiv. V šali pa je dodal, da je drugi razlog ta, da mu založnik knjige ni pustil nasloviti z »Od boga prekleti delec«, čeprav bi si glede na njegovo zlobno naravo in stroške, ki jih povzroča, to zaslužil.