Polowanie na Higgsa

Polowanie na Higgsa

Dodano:   /  Zmieniono: 
Tysiąc siedmiuset fizyków ze 150 uniwersytetów i laboratoriów szuka cząstki Higgsa.
- Albo znajdziemy bozon Higgsa, albo konieczna będzie drastyczna rewizja całej naszej wiedzy o świecie - stwierdza z determinacją Jim Virdee, fizyk z Imperial College of London, kierujący współpracą setek fizyków z 33 krajów, którzy zmierzają do wytropienia tej cząstki.
Jeden z największych eksperymentów, jakie kiedykolwiek zostały przeprowadzone w fizyce, przygotowywany jest od kilku lat. Ma się rozpocząć w 2005 r. i trwać 15-20 lat. - Ja sam zajmuję się tym już pół życia i nie jestem wyjątkiem - mówi prof. Virdee. Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek CERN pod Genewą skupia połowę wszystkich fizyków zajmujących się cząstkami wysokich energii. Pracują tu na stałe lub przyjeżdżają na dłuższe i krótsze pobyty, biorąc udział w eksperymentach. - Wszyscy wierzą, że uda nam się dopaść Higgsa. To jest przedsięwzięcie światowej rangi. Jesteśmy przekonani, że jego wynikiem będzie rewolucja w fizyce - zapowiada Jim Virdee.
Czym jest cząstka Higgsa i dlaczego jej odnalezienie ma zmienić dotychczasowy obraz świata? Prawdę mówiąc, nikt z nas, laików, nie odczuwa dyskomfortu z powodu nie rozstrzygniętej kwestii, czy bozon Higgsa istnieje. Samo jednak zgromadzenie setek utalentowanych ludzi - fizyków, inżynierów, informatyków - którzy w stanie ekscytacji pracują latami, żeby odkryć jakąś drobinę tylko pośrednio dającą znać o swoim istnieniu, bo przecież nikt jej nie dotknie ani nie zobaczy, intryguje i budzi respekt. Zadziwiające są najwyższej próby urządzenia tworzone po to, by taką cząstkę można było wytropić. Detektor mający w eksperymencie Atlas zarejestrować pojawienie się bozonu Higgsa będzie wielkości pięciopiętrowego budynku. Ma mierzyć tory badanych cząstek z dokładnością do setnych części milimetra. W wewnętrznych czujnikach tego urządzenia znajdzie się ok. 10 mld tranzystorów, a ilość analizowanych przez nie w każdej sekundzie danych będzie porównywalna z ilością informacji, jakie byłyby generowane przez wszystkich ludzi na Ziemi, gdyby każdy z nich prowadził równocześnie dwadzieścia rozmów telefonicznych. Komputery analizujące te informacje, połączone milionami kabli z detektorem, będą online, czyli w czasie rzeczywistym, dokonywać wyboru tych zdarzeń, w których może się objawić bozon Higgsa. Będzie to polowanie z użyciem najbardziej wyrafinowanych zdobyczy współczesnej techniki, w wielu wypadkach dopiero tworzonych na użytek tych poszukiwań.
Bozon Higgsa nie jest zwykłym składnikiem materii, jakich we wszechświecie wiele. Jest cząstką, bez której dotychczasowy model budowy materii jest niekompletny. Mówiąc bez ogródek, bez Higgsa model ten kuleje i prędzej czy później musiałby się rozpaść. Model standardowy - tworzony przez ostatnie ćwierć wieku, obsypany nagrodami Nobla, uznany za jedno z najwyższych osiągnięć intelektualnych XX w. - wprowadzał porządek w pozorny chaos ciągle odkrywanych nowych składników materii, wiązał je z sobą, pokazywał, jak powstają z energii i jakie siły nimi rządzą. Jak każdy model, pozostawia jednak wiele zagadek. Jedną z nich jest kwestia o fundamentalnym znaczeniu, mianowicie: skąd się bierze masa? Dlaczego cząstki elementarne - elektron, proton, kwark - mają masę? I dlaczego te masy są różne? Z pewnością pytania tego nie stawia sobie nikt poza fizykami i może niektórymi filozofami. A przecież jest ważne. Każdy z nas ma masę. Gwiazdy mają tak wielkie masy, że przyciągając się nawet z ogromnych odległości, tworzą rozległe struktury - galaktyki, gromady galaktyk , Wielki Mur z milionów gromad. Zwierciadlanym odbiciem tej kwestii jest pytanie, dlaczego niektóre cząstki - na przykład foton (cząstka światła) - nie mają masy. Za bezcielesne, raczej zjawy niż cząstki materii, uważane były też do niedawna neutrina. Potrafią one przenikać bez przeszkód przez grube warstwy ołowiu, przez Ziemię; nas samych w każdej sekundzie przenikają strumienie neutrin pochodzących ze Słońca lub z promieniowania kosmicznego. Eksperyment przeprowadzony niedawno w Japonii w wielkim laboratorium Super Kamiokande zdaje się jednak wskazywać, że neutrina mają masę. Dlaczego tak znikomą, niemal nie do zmierzenia?
Dotychczas istnieje tylko jedna koncepcja mogąca wyjaśnić pochodzenie masy. Nazywa się ją "mechanizmem Higgsa", od nazwiska fizyka, który ją zaproponował. Zgodnie z tą koncepcją cała przestrzeń wszechświata wypełniona jest polem Higgsa, podobnie jak przenika ją pole elektromagnetyczne. Cząstki tworzące materię uzyskiwałyby masę poprzez interakcje z polem Higgsa. Jeśli to oddziaływanie jest silne, cząstki byłyby ciężkie, zyskiwałyby dużą masę. Cząstki wchodzące w słaby kontakt z polem Higgsa pozostawałyby lekkie, o niewielkiej masie. Jak jednak stwierdzić, czy takie pole istnieje? Dowodem powinna być cząstka przenosząca siły tego pola, nazwana bozonem Higgsa. Żeby móc ją zaobserwować, trzeba ją stworzyć. Potrzebne są do tego ogromne energie, skupione na bardzo małej przestrzeni. Przez długi czas uważano to zadanie za niemożliwe do realizacji. Badacze pracujący w Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek pod Genewą mają jednak doświadczenie w osiąganiu celów graniczących z nieprawdopodobieństwem. Tu na przykład stale produkuje się antymaterię (ponad 10 mln cząstek na sekundę), tu pracuje największy na świecie magnes, ważący więcej niż wieża Eiffla, tu udaje się uzyskać próżnię doskonalszą niż istniejąca między Ziemią a Księżycem. Utworzone wkrótce po wojnie międzynarodowe centrum badawcze skupia już naukowców z dwudziestu państw. Polska jest jedynym państwem Europy Wschodniej, które przez dwadzieścia kilka lat (od 1963 r. do 1990 r.) korzystało ze statusu oficjalnego obserwatora. W 1991 r. staliśmy się członkiem CERN. W laboratorium pod Genewą pracuje kilkudziesięciu polskich fizyków, a współpracuje z nim stukilkudziesięciu innych. Status obserwatorów mają m.in. Stany Zjednoczone, Rosja i Japonia. Grupa amerykańska w CERN liczy około tysiąca osób i jest największą grupą narodowościową. Nawet tak potężnego kraju jak Stany Zjednoczone nie stać na budowanie w pojedynkę olbrzymich urządzeń do badania elementarnych składników materii. Najważniejszym z tych narzędzi do polowań jest akcelerator, urządzenie do przyspieszania cząstek. Nadając im dużą prędkość, zwiększa się niesioną przez nie energię, a z niej mogą powstać egzotyczne cząstki, obecne na przykład tylko tuż po Wielkim Wybuchu. Akcelerator pod Genewą jest gigantycznym urządzeniem liczącym 27 km obwodu, umieszczonym 100 metrów pod ziemią w tunelu mającym kształt okręgu. Przyspieszone cząstki pędzące w dwóch wiązkach z przeciwnych kierunków zderza się z sobą, by jeszcze zwiększyć porcję energii, jaka się w tym miejscu ujawnia. Jest to kontynuacja żartobliwej rady wybitnego fizyka Richarda Feynmana, którą polskim dziennikarzom przypomniał Ryszard Gokieli, jeden z polskich naukowców prowadzących eksperymenty w CERN. "Jeśli nie wiesz, z czego składa się zegarek, weź ich kilka i uderzaj jednym o drugi. Wypadnie to, co mają w środku: kółka, wskazówki, trybiki". Z akceleratora w Genewie "wypadło" wiele nieznanych cząstek elementarnych, między innymi bozony W i Z, poszukiwane po to, by teoria opisująca pewien typ oddziaływań między cząstkami w mikroświecie mogła się okazać spójna i "elegancka".
W wielkim podziemnym akceleratorze o inicjałach LEP (Large Electron Positron Collider ) już od lat zamieniano energię zderzeń na materię nieznanych cząstek. Kilkupiętrowe detektory (w tym jeden o nazwie DELPHI, zbudowany przez polskich naukowców i inżynierów) wykryły ok. 20 mln poszukiwanych przez fizyków cząstek Z przenoszących tzw. siły słabe w przyrodzie.
Ten sam podziemny tunel i części olbrzymiego akceleratora zostaną wykorzystane do zbudowania Wielkiego Zde- rzacza Hadronów (Large Hadron Collider). Hadrony to - w przeciwieństwie do elektronów - cząstki ciężkie, na przykład protony stanowiące części składowe jąder atomowych. Rozpędzone hadrony niosą większą energię i z ich zderzeń mogą się tworzyć cząstki o dużej masie - jak poszukiwany bozon Higgsa.
Large Hadron Collider jest największą na świecie inwestycją służącą nauce. W eksperymentach Atlas i CMS, podczas których będzie wykorzystywane to urządzenie, bierze udział kilkaset instytucji naukowych z trzydziestu kilku krajów - również z Polski. Żeby kierować wiązką ciężkich i rozpędzonych cząstek w wielkim akceleratorze, trzeba je trzymać w krańcowo silnym polu magnetycznym, potężniejszym niż kiedykolwiek używane w fizyce. Będą je wytwarzać magnesy nadprzewodzące, działające w temperaturach zbliżonych do zera bezwzględnego.
Wszystko po to, by znaleźć cząstkę Higgsa? Bozon świadczący o istnieniu "pola masy" jest tylko częścią większej całości. Fizycy są przekonani, że natura egzaminowana w wielkim akceleratorze nie tylko odpowie na pytanie o pochodzenie masy, lecz sprawi im także wiele innych niespodzianek.

Więcej możesz przeczytać w 15/1999 wydaniu tygodnika Wprost.

Archiwalne wydania tygodnika Wprost dostępne są w specjalnej ofercie WPROST PREMIUM oraz we wszystkich e-kioskach i w aplikacjach mobilnych App StoreGoogle Play.

 0

Spis treści tygodnika Wprost nr 15/1999 (854)

  • Playback 11 kwi 1999 Wicemarszałek Sejmu Marek Borowski (SLD) i rzecznik SLD Andrzej Urbańczyk 13