Nobel za „wymyślenie” cząstki, którą odkryto pół wieku później

Grzegorz Jasiński: O bozonie Higgsa, czy jak to niektórzy mówią "boskiej cząstce" ostatnio ze względu na badania w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w laboratorium CERN mówiono dość dużo. Nagroda dla profesorów Higgsa i Englerta nie jest niespodzianką. Ale może zacznijmy od tego, by powiedzieć, co tak naprawdę blisko pięćdziesiąt lat temu właśnie oni i jeszcze jeden ze współautorów, który niestety nie doczekał nagrody Nobla, wymyślili - niezależnie od siebie.

Maciej Skrzypek: Nagroda, tak jak sformułował to komitet noblowski, została przyznana za odkrycie mechanizmu, który przyczynia się do naszego zrozumienia pochodzenia masy cząstek elementarnych. Można powiedzieć, że jest to ukoronowanie właściwie pół wieku prac, które teoretycy prowadzili nad konstrukcją Modelu Standardowego - tak to nazywamy. Modelu oddziaływań fundamentalnych, który model właściwie na jednej kartce papieru potrafi opisać całą naszą wiedzę o przyrodzie. Potrafi opisać te trzy podstawowe siły natury: siłę elekromagnetyczną, którą wszyscy znamy z życia codziennego, siły jądrowe, które powodują, że materia w ogóle istnieje, czy też siły, które nazywamy oddziaływaniem słabym - odpowiadające za takie np. zjawiska jak promieniotwórczość. Oczywiście jest jeszcze czwarta siła, czyli grawitacja, ale ona ciągle wymyka się naszemu pełnemu zrozumieniu na tym kwantowym poziomie. I teraz bozon Higgsa jest ostatnią brakującą cegiełką w tej układance. Rola mechanizmu Higgsa, który jest w pewnym sensie tutaj synonimem, polega na tym, że on nadaje wszystkim cząstkom elementarnym masę. Powoduje to, że wszystko jest ciężkie, a wiemy, że w przeciwnym razie nie istnielibyśmy pewnie, tak jak istniejemy.
W pierwszym rzędzie dotyczy to tych cząstek, z których my jesteśmy zbudowani: elektronów, kwarków, tych, które składają się na jądra atomowe, na atom. Ale również, co jest istotne, może nawet bardziej fundamentalne, pole Higgsa nadaje masę cząstkom, które odpowiadają za oddziaływania. Cząstkom, które jak mówimy przenoszą te oddziaływania między sobą - mam tutaj na myśli oddziaływania słabe, te najtrudniej dla nas dostępne, bo rzeczywiście najsłabsze tak jak i nazwa wskazuje. Tutaj trzeba od razu porównać, że pokrewnym oddziaływaniem słabym jest oddziaływanie elektromagnetyczne - to, które otacza nas wszędzie, ono jest o wiele, wiele silniejsze od oddziaływania słabego. A dlaczego? Ano dlatego, że jego nośnik, cząstka, która przenosi oddziaływanie, czyli foton, została pokrzywdzona - nie dostała masy od pola Higgsa. Na tym polega ten mechanizm, który nazywamy mechanizmem Englerta-Brouta-Higgsa, za który została przyznana Nagroda Nobla. Oczywiście równolegle z tym mechanizmem czy też jego manifestacją (poza tym, że mamy masy) jest samo zaistnieje bozonu Higgsa. To jest ta hipoteza, która sformułował Higgs w 1964 roku. Pięćdziesiąt lat trwało, zanim udało się tę cząstkę doświadczalnie znaleźć. Ale w momencie, kiedy ją znaleźliśmy, mamy pewność, że ten mechanizm zaproponowany przez uczonych w 1964 roku jest prawdziwy - po prostu dzieje się w naturze.

Wyjaśnijmy to, że mówimy czasem o polu Higgsa, czasem o cząstce Higgsa. To jest cząstka, która jest związana z tym polem, tak jak inne dużo bardziej, dużo lepiej znane cząstki są związane z innymi polami.

Maciej Skrzypek: Tak. Nasz opis kwantowy polega na tym, że tak jak o świetle - zwykle wyobrażamy sobie światło jako falę, jako coś co nas otacza - nie myślimy w kategorii cząstek. Ale są zjawiska, są takie sytuacje, gdy mówimy o jego kwantowej naturze, mówimy o tym, że są to fotony. Że są to cząstki, które mają takie cechy jak np. elektron, który raczej utożsamiamy z cząstką, choć oczywiście on też jest polem i też ma własności, które nazywamy falowymi. To jest tylko kwestia sytuacji, w jakiej się z tym obiektem stykamy.

Anna Kaczmarska: Z tym jest właśnie związana taka zabawna historia. Kiedy publikowano papiery dotyczące właśnie mechanizmu Higgsa w 1964 roku, pierwsi byli Brout i Englert - oni po raz pierwszy zaproponowali istnienie pola skalarnego, które byłoby odpowiedzialne za nadawanie mas cząstkom, a potem we wrześniu Higgs wysłał dwie, 200-stronnicowe publikacje. Druga z nich została odrzucona przez recenzenta, profesora Nambu, który z resztą dostał potem Nagrodę Nobla (w 2008 roku). Recenzent sugerował rozwinięcie tematu i powiedzenie, jakie mogłyby być fizyczne implikacje takiego pola. Wtedy Peter Higgs dodał krótki akapit, gdzie zaczął mówić o wzbudzeniu tego pola Higgsa. Przejawem tego wzbudzenia byłaby cząstka Higgsa. Wtedy po raz pierwszy pojawiła się idea cząstki Higgsa. Pamiętajmy, że nie ta cząstka nadaje masę, tylko pole Higgsa. Cząstka jest tylko, jak gdyby wzbudzeniem tego pola. Cząstki przechodząc przez pole Higgsa, które wypełnia cały nasz świat, nabierają masy.

Trzeba było blisko 50 lat gigantycznych inwestycji, gigantycznej budowy, skomplikowanej aparatury by wreszcie tę cząstkę Higgsa zobaczyć.

Anna Kaczmarska: Czwartego lipca ubiegłego roku zelektryzowała nas wszystkich wiadomość, że dwa duże eksperymenty Wielkiego Zderzacza Hadronów, ATLAS i CMS, "widzą" dowody sygnału pochodzącego od masywnego nowego bozonu z masą ok. 126 Gev. Nie ogłoszono wtedy jeszcze, że jest to bozon Higgsa. Tych przypadków było niewiele, tła do tych procesów były olbrzymie. Musieliśmy się upewnić, że to, co widzimy, to jest naprawdę bozon Higgsa, że ta cząstka, którą znaleźliśmy ma takie właściwości, jakie przewiduje Model Standardowy dla bozonu Higgsa. Zostało to ogłoszone w marcu tego roku, kiedy eksperymenty ATLAS i CMS przeanalizowały mniej więcej dwa i pół raza więcej danych, niż było użytych do odkrycia tego bozonu. I wydaje się, że to, co widzimy, to jest właśnie bozon Higgsa. Oczywiście jeszcze sporo pozostało do zmierzenia i chcemy być tak naprawdę pewni, że ta cząstka to jest ten bozon, który przewiduje Model Standardowy. Są bowiem jeszcze różne teorie wychodzące poza Model Standardowy jak np. sławna supersymetria, które przewidują w różnych swoich modelach różne wersje bozonów Higgsa, różną ich liczbę, ale są też takie, które przewidują swój najlżejszy bozon Higgsa mniej więcej w tym obszarze masy jak ten, który widzimy. Musimy być jednak naprawdę stuprocentowo pewni, że to, co widzimy, to jest Model Standardowy, a nie fizyka spoza Modelu Standardowego. Do tego jednak potrzeba bardzo dużo danych. Żeby pomierzyć te nowe właściwości, wszystkie właściwości musimy czekać na ponowne uruchomienie akceleratora w 2015 roku.

Cokolwiek by to nie było, to już jakby nie kwestionuje tego teoretycznego przewidywania, które sformułowali Englert i Higgs. Decyzja Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk jest takim potwierdzeniem, że tę część teorii już uznajemy, że jest na pewno prawdziwa.

Anna Kaczmarska: Tak, jest to olbrzymi sukces, ponieważ proszę pomyśleć ktoś przedstawił jakąś teorię 50 lat temu i my pracowicie przez te 50 lat budowaliśmy kolejne eksperymenty, bo Higgsa szukał i LEP i potem Tevatron w Stanach Zjednoczonych, teraz LHC. Rozwijaliśmy nasze metody badawcze żeby wreszcie tą cząstkę znaleźć, to jest olbrzymi sukces bez względu na to, że chcielibyśmy widzieć jeszcze jakiś znak tej "nowej fizyki". Ponieważ wiemy, że Model Standardowy nie odpowiada na wiele naszych pytań jak np. o ciemną materię czy asymetrię pomiędzy materią, a antymaterią we Wszechświecie. Więc my wiemy, że ta nowa fizyka gdzieś jest, tylko jeszcze ciągle nie umiemy jej znaleźć.

Ta dzisiejsza nagroda Nobla, choć przyznana Belgowi i Szkotowi to także w pewnym sensie jest nagroda Nobla, którą i Polacy mogą się cieszyć, polskie środowisko naukowe, bo polscy fizycy i inżynierowie w budowę Wielkiego Zderzacza Hadronów i w te badania są niezwykle silnie zaangażowani.

Anna Kaczmarska: Tak, polska nauka jest bardzo zaangażowana w eksperymenty LHC, tutaj w Krakowie jesteśmy członkami eksperymentu ATLAS, fizycy w Warszawie należą do eksperymentu CMS. Nasza grupa składa się z badaczy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk, Akademii Górniczo-Hutniczej i ostatnio także Uniwersytetu Jagiellońskiego. Te wszystkie grupy brały czynny udział w projektowaniu naszego eksperymentu a potem w jego budowie. Braliśmy i bierzemy udział w części analiz fizycznych, to znaczy przez lata rozwijaliśmy tutaj różne algorytmy do poszukiwań cząstki Higgsa zanim jeszcze przyszły prawdziwe dane. Szukaliśmy najbardziej optymalnych rozwiązań, najlepszych strategii, rozwijamy tu różne algorytmy do rekonstrukcji cząstek jak np. ciężkie leptony tau. Cząstka Higgsa także rozpada się na dwa takie leptony tau. Ciągle to badamy, musimy udowodnić, że rzeczywiście taki rozpad istnieje, żebyśmy mogli powiedzieć, że jest to Higgs z Modelu Standardowego. Bierzemy udział także w projektowaniu, a teraz w utrzymaniu systemu wyzwalania, ponieważ nie możemy zapisywać każdego przypadku zderzeń proton-proton, musimy wybierać tylko te najbardziej interesujące. To nie jest takie proste i w tym także bierzemy udział, jesteśmy naprawdę bardzo aktywni. Poszukujemy też wreszcie Higgsa spoza modelu standardowego, supersymetrycznego, bierzemy udział także i w takich analizach.

Czy decyzja Akademii Szwedzkiej, żeby w tej chwili nagrodzić tylko teoretyków i nie próbować wybrać jakiegoś nazwiska z grona eksperymentatorów zamyka szansę na tę nagrodę dla eksperymentatorów w przyszłości, czy nie? Czy są szansę, że jednak i praca doświadczalna także zostanie doceniona?

Maciej Skrzypek: Ja wierzę, jestem przekonany, że za odkrycie cząstki, jako takiej, komitet przyzna  Nagrodę Nobla. Jest to naprawdę wielkie wydarzenie i dotychczas patrząc na szereg nagród, które były w przeszłości przyznawane, one były kierowane właśnie do ludzi, którzy poszczególne cząstki odkrywali. Niezależnie od tych, którzy tworzyli teorię. Mam nadzieję, że i tym razem tak będzie. Czy ta nagroda będzie przyznana konkretnym osobom, czy w jakiś sposób całej organizacji, całemu laboratorium, tego nie wiem, to już jest pytanie, na które Komitet będzie musiał odpowiedzieć.

Anna Kaczmarska: Konkretnym osobom to oczywiście trochę ciężko będzie ją przyznać, to jednak są olbrzymie grupy. Każdy eksperyment to jest około 3 tysięcy osób, które budowały, rozwijały ten eksperyment. Być może dadzą to całemu eksperymentowi albo Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN. Trochę tak czuliśmy takie ukłucie smutku, że tą trzecią "osobą" nagrodzoną dzisiaj nie był CERN.