Szef NCBJ o Higgsie: z jego nazwiskiem związana “boska cząstka” i szalona pogoń za nią

Fizykom bardzo więc zależało, by zaobserwować tę cząstkę podczas zderzeń w akceleratorach.

Prof. Peter Higgs zmarł w Edynburgu, w wieku 94 lat. Uczony wraz z Francois Englertem otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2013 r. za teorię, która wyjaśnia, skąd się bierze masa cząstek elementarnych. Jej słuszność potwierdziło odkrycie bozonu Higgsa, zwanego też "boską cząstką".

“To był człowiek, z którego nazwiskiem związano boską cząstkę oraz szaloną pogoń za tą cząstką przez wiele, wiele lat” - komentuje w rozmowie z PAP prof. Krzysztof Kurek. I tłumaczy, że opisana w 1964 r. cząstka Higgsa nazywana jest boską cząstką, bo to ona jest odpowiedzialna za generowanie masy w teorii, czyli za pojawienie się masywnych cząstek elementarnych.

“Największym osiągnięciem Petera Higgsa było zaproponowanie tzw. mechanizmu Higgsa. Ten mechanizm umożliwił wprowadzenie mas cząstek do teorii cząstek elementarnych - tzw. Modelu Standardowego” - komentuje badacz.

Model Standardowy to najbardziej spójna teoria z zakresu fizyki kwantowej. Opisuje trzy z czterech oddziaływań podstawowych obserwowanych w naturze: oddziaływania elektromagnetyczne, słabe i silne (ale nie obejmuje grawitacji).

“Bez cząstki Higgsa i zaproponowanego mechanizmu nie byłoby możliwe używanie i opis oddziaływań w ramach Modelu Standardowego” - ocenia fizyk.

Aby więc potwierdzić słuszność tej ważnej teorii lub obalić ją, budowano kolejne generacje akceleratorów cząstek. “Brakowało bezpośredniej obserwacji cząstki Higgsa – postawienia takiej kropki nad "i" dla Modelu Standardowego” - komentuje prof. Kurek.

Badacz przypomina, że masa cząstki Higgsa nie była znana, a teoria przewidywała tylko jej zakres. Przy poszukiwaniu cząstki Higgsa istotnym parametrem jest energia zderzeń – im jest ona większa, tym cięższy bozon można wykryć. Przez lata zwiększano więc energię akceleratorów, aby cząstkę Higgsa zaobserwować.

"Gdybyśmy zbadali całe te wyznaczone 'widełki masy', a cząstki Higgsa dalej byśmy nie wykryli, to znaczyłoby, że mechanizm nadawania masy działa inaczej, niż to przewidywał Model Standardowy” - opowiada dyrektor NCBJ.

W 2012 r. CERN ogłosił, że w Wielkim Zderzaczu Hadronów - prawie na samym końcu dozwolonego obszaru energii - znaleziono w końcu cząstkę Higgsa. Nie było więc już wątpliwości, że Higgs miał rację. Rok później uhonorowano go więc Nagrodą Nobla.

Prof. Kurek tłumaczy, na czym polegało odkrycie Higgsa. "Fizycy mieli problem z pogodzeniem dwóch sprzeczności: pięknej symetrii, która leżała u podstaw Modelu Standardowego i z „psuciem” (naruszeniem) tej symetrii przez obecność mas obserwowanych cząstek elementarnych. Dopiero zaproponowanie przez Petera Higgsa cząstki Higgsa - i mechanizmu naruszania przez nią symetrii Modelu Standardowego - spowodowało, że można było pogodzić masy cząstek z symetrią. Udało nam się sformułować spójny obraz, Model Standardowy, który świetnie opisuje świat oddziaływań elementarnych - z wyjątkiem grawitacji, którego w tym modelu nie ma” - powiedział.

Zaproponowany przez Petera Higgsa mechanizm Higgsa był wyjaśnieniem, w jaki sposób została popsuta ta symetria, która - jak odkryli naukowcy - istniała kiedyś we Wszechświecie.

We współczesnej teorii oddziaływań nie tylko ważne jest bowiem, jakie występują cząstki, ale są one opisywane przez tzw. pola kwantowe. Teoria jest dobrze zdefiniowana dopiero, kiedy określi się stan podstawowy takich pól - czyli stan próżni. W przypadku większości znanych nam cząstek stan próżni jest stanem symetrycznym. A cząstka Higgsa jest przejawem pola, które narusza tę symetrię poprzez swój stan próżni.

“Może istnieć jawne naruszenie symetrii - np. piękna rozeta witrażowa w katedrze Notre Damme w Paryżu jest wspaniale symetryczna. Ale gdyby wybić w niej część witrażu, symetria zniknie, bo wybita „dziura” jawnie zniszczy tę symetrię. Ale jest też inny, niejawny sposób naruszania symetrii, którą wykazuje bozon Higgsa” - mówi prof. Kurek.

I opisuje sytuację, w której na kartce rysujemy okrąg i w jego środku stawiamy ołówek na samym czubku grafitu tak, by przez chwilę zachował on równowagę. Można to nazwać stanem quasi-stabilnym. Stan ten jest w dodatku symetryczny względem narysowanego okręgu (widziany z każdego punktu okręgu ołówek tak samo wygląda) . To jednak nie jest dla tego układu stan o najniższej energii, bo najmniejsze zaburzenie „przewróci” ołówek. Leżący na kartce ołówek nie wykazuje już symetrii, bo leży w konkretnym i losowym położeniu na okręgu. Ten stan leżącego ołówka jest stanem o niższej energii, stabilnym ale nie jest stanem symetrycznym. Takie naruszenie symetrii poprzez stan podstawowy (stan próżni w teorii pola kwantowego) nazywa się ukrytym albo spontanicznym naruszeniem symetrii.

“Pole cząstki Higgsa ma niesymetryczny stan próżni, czyli narusza symetrię modelu Standardowego w sposób spontaniczny. Połączenie własności symetrii teorii i takiego spontanicznego naruszenia symetrii przez pole cząstki Higgsa nazywa się mechanizmem Higgsa i umożliwia nadawanie mas cząstek. A to pozwala na opis rzeczywistego, obserwowanego świata, gdzie cząstki są masywne” - precyzuje prof. Kurek.

Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ agt/