Strona główna / Popularnonaukowe / Peter Higgs. Poszukiwania boskiej cząstki

Aktualności

05.07.2022

Spotkanie z Piotrem Borlikiem w Gdańsku

W poniedziałek 18 lipca o godz. 18:00 zapraszamy do Nadbałtyckiego Centrum Kultury (ul. Korzenna 33/35, Gdańsk) na spotkanie z Piotrem Borlikiem, autorem książki "Labirynt".

Wywiady

04.07.2022

"Gdy ją odnajdą". Wywiad z Lią Middleton

Zapraszamy do przeczytania wywiadu z Lią Middleton. Z autorką książki "Gdy ją odnajdą" rozmawiał Bartosz Soczówka.

Posłuchaj i zobacz

04.07.2022

Rozmowa z Marcinem Margielewskim

Nowy odcinek naszego podcastu to rozmowa Justyny Dżbik-Kluge z Marcinem Margielewskim, autorem książki "Wyrwana z piekła talibów".

Bestsellery

TOP 20

  1. Żadanica Katarzyna Puzyńska
  2. Wyrwana z piekła talibów Marcin Margielewski
  3. Arabska zdrajczyni Tanya Valko

Peter Higgs. Poszukiwania boskiej cząstki

Ian Sample

Prolog

Z górskiej miejscowości Crozet we wschodniej Francji rozciąga się zapierający dech w piersiach widok na okolicę. Można stąd podziwiać położone wśród pól wioski i gospodarstwa oraz prowadzące do nich kręte, wąskie drogi. Nie ma tu nic niezwykłego, poza grupką nowoczes­nych budynków tworzących w oddali olbrzymi okrąg.
Nie jest to jednak zwyczajne miejsce. Pod niektórymi z tych budynków znajdują się głębokie szyby, prowadzące w dół do największego i najbardziej skomplikowanego urządzenia, jakie ludzkość kiedykolwiek skonstruowała. Gdyby jakiś olbrzym wydarł je z wnętrza ziemi i ustawił pionowo niczym wielką obręcz, sięgałoby w kierunku nieba na wysokość ponad ośmiu kilometrów. Włączenie tego urządzenia do prądu wiąże się z koniecznością zapłacenia rachunku za pobór takiej ilości energii, jaką zużywa średniej wielkości miasto.
Tu właśnie mieści się Wielki Zderzacz Hadronów – akcelerator, którego wybudowanie pochłonęło wiele miliardów dolarów. Skonstruowali go uczeni z CERN-u, czyli Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych, mieszczącej się na przedmieściach Genewy. Kosztami budowy tego giganta podzieliło się ponad dwadzieścia krajów, a doprowadzenie całego przedsięwzięcia do końca zajęło ponad dziesięć lat. Dziesięć tysięcy uczonych pracujących tutaj i w laboratoriach na całym świecie ma bezpośredni dostęp do informacji wypływających z tego urządzenia.
W jego środku rozpędza się fragmenty atomów do prędkości o włos tylko mniejszych od prędkości światła, po czym doprowadza się do ich zderzenia czołowego i bezlitośnie rozbija się je o siebie. Te starannie zaaranżowane akty przemocy pozwalają odtworzyć warunki, jakie panowały we Wszechświecie w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu, czyli po kosmicznej eksplozji, z której narodził się Wszechświat. Wśród tych ulotnych odprysków pierwotnego ognia uczeni poszukują rozwiązania najgłębszych tajemnic przyrody.
Jedna z takich zagadek, chyba najbardziej intrygująca, nie daje naukowcom spokoju już niemal od półwiecza. Powiedzmy to bez owijania w bawełnę: uczeni nie potrafią wyjaśnić, dlaczego materia waży tyle, ile waży. Doszli już blisko, a nawet bardzo blisko, do uzyskania odpowiedzi na to pytanie, ale wciąż czegoś im brakuje. Dobrze wiedzą dlaczego. Jeśli rozbijemy coś na kawałki, na pył, a potem na atomy i dalej, na fragmenty atomów, to w końcu dotrzemy do najmniejszych elementów składowych materii. Zdumiewająca, żenująca prawda jest jednak taka, że naukowcy nie wiedzą, dlaczego te cząstki, z których wszystko się składa, mają w ogóle jakąś masę.
W 1964 roku pewien fizyk ślęczał nad równaniami w swoim gabinecie w Edynburgu, gdy nagle natknął się na rozwiązanie, które zdaniem większości uczonych może być odpowiedzią na to pytanie. Peter Higgs wyobraził sobie niewidzialne pole sięgające do każdego zakątka kosmosu. Na początku czasu było ono nieaktywne, ale gdy nowo powstały Wszechświat zaczął się rozszerzać i ochładzać, przebudziło się do życia i wyraźnie zaznaczyło swoją obecność. W tym momencie podstawowe składniki materii utraciły swą nieważkość i stały się ciężkie. Bezmasowe cząstki zyskały masę. Konsekwencje tego zdarzenia możemy dostrzec wszędzie wokół nas. Są podstawą naszego istnienia.
Bez tego pola Wszechświat wypełniałaby gwałtowna zawierucha cząstek pędzących na wszystkie strony z prędkością światła. Znane nam atomy i cząsteczki nigdy by nie powstały. Kosmiczna materia nigdy nie utworzyłaby skupisk i nie powstałyby galaktyki, gwiazdy ani planety. Wszechświat nie miałby znanej nam struktury – życie nigdzie nie mogłoby się w nim zagnieździć.
Pewien uczony z CERN-u powiedział mi kiedyś, że owo pole jest niczym śnieg, który nocą przykrył ten sielski francusko-szwajcarski krajobraz. Wyobraźmy sobie pole śniegu, rozciągające się bez końca we wszystkich kierunkach. Promienie światła przemierzają je tak, jakby miały na nogach narty: mkną przez nie bez najmniejszego wysiłku. Niektóre cząstki mają rakiety śnieżne i pokonują drogę nieco wolniej. Inne zaś brną przez śnieg boso i podążają do swego celu w ślimaczym tempie. Masa cząstki jest po prostu miarą tego, jak bardzo grzęźnie ona w tym polu.
Wielki Zderzacz Hadronów zaprojektowano w celu ustalenia raz na zawsze, jaka jest prawdziwa natura pola, które wyobraził sobie Peter Higgs. Urządzenie powinno wytworzyć w tym polu zmarszczki, a ich przejawem będą cząstki zwane bozonami Higgsa. Są one owymi płatkami śniegu wypełniającymi kosmiczne zaśnieżone pole i ostatecznym dowodem, jakiego uczeni potrzebują, by wyjaśnić, dlaczego materia w ogóle coś waży.
Nie tylko w CERN-ie poszukuje się tej cząstki. Na przedmieściach Chicago uczeni pracujący w Fermilabie, gdzie znajduje się drugi pod względem mocy zderzacz na świecie, obrali sobie jej wykrycie za główny cel badań. Trwające już kilkadziesiąt lat poszukiwania po obydwu stronach Atlantyku są największym wyścigiem w dziejach współczesnej fizyki.
Odkrycie cząstki Higgsa będzie nie tylko powodem do dumy. Cząstka ta jest ostatnim brakującym elementem Modelu Standardowego – zbioru praw opisujących wszystkie znane cząstki Wszechświata. To jednak nie wszystko. Coraz większa rzesza uczonych wierzy, że cząstka Higgsa nie tylko rozwiąże zagadkę masy, ale także utoruje drogę do odkrycia świata cząstek i sił, których nawet nie potrafimy sobie do końca wyobrazić.
Ulotna natura i olbrzymie znaczenie cząstki Higgsa natchnęły pewnego fizyka, laureata Nagrody Nobla, do nadania jej górnolotnego przydomka: boska cząstka. Jeśli przeczytacie tę książkę, przekonacie się, że mało spraw tak silnie jednoczy fizyków, jak niechęć do tej nazwy. Ich nienawiść do niej może się jedynie równać z zachwytem autorów nagłówków prasowych, dla których stała się ona wybawieniem zupełnie innego rodzaju.
Książka ta jest opowieścią o tym, jak Wszechświat uzyskał swoją masę i jak pewna idea, zapisana w zeszycie niemal pół wieku temu, stała się głównym celem ogólnoświatowych, niezwykle kosztownych poszukiwań, w które zaangażowano tysiące uczonych i największe, najbardziej skomplikowane urządzenia, jakie kiedykolwiek powstały. Jakkolwiek by na to patrzeć, jest to historia o niebagatelnej wadze.

Rozdział 1. Długa droga do Princeton

Podróż do Princeton mogła zabrać większą część dnia, i to przy założeniu, że dopisze mu szczęście. Droga ciągnie się na północ, wzdłuż wschodniego wybrzeża, wokół rozległej zatoki Chesapeake, i dalej do Waszyngtonu, Baltimore i Filadelfii, by w końcu dotrzeć do miasta, w którym mieszkał kiedyś największy fizyk wszech czasów – Albert Einstein.
Peter Higgs spakował parę ubrań, teczkę pełną notatek i zszedł do samochodu razem ze swoją żoną Jody i sześciomiesięcznym synem Christopherem. Wrzucił walizkę na tylne siedzenie i uważnie przestudiował mapę drogową. Upewniwszy się, że zna całą trasę na pamięć, uruchomił auto i odjechał na północny wschód, wzdłuż obsadzonych drzewami ulic, w kierunku wjazdu na autostradę. Miasto budziło się do życia w promieniach porannego, wiosennego słońca.
Był 14 marca 1966 roku. Higgs, fizyk z Uniwersytetu w Edynburgu, rok wcześniej wziął urlop naukowy i przyjechał do Chapel Hill w Karolinie Północnej, by prowadzić badania na tutejszym uniwersytecie . Ich wynikami zwrócił na siebie uwagę pewnego wybitnego uczonego, który zaprosił go do wygłoszenia referatu w Instytucie Badań Zaawansowanych w Princeton, jednym z czołowych ośrodków naukowych na świecie, gdzie sam Einstein pracował przez długi okres. Temat wystąpienia miał być kontrowersyjny: Higgs odkrył źródło pochodzenia masy.
Ta podróż okazała się czymś więcej niż tylko kolejnym wyjazdem naukowym. Stała się początkiem całego ciągu wydarzeń, które sprawiły, że Higgs znalazł się w samym centrum zainteresowania środowiska naukowego, i przygotowały grunt pod największe poszukiwania w dziejach nowoczesnej fizyki. Od dziesięcioleci tysiące uczonych poszukują cząstki, która stanowi podstawę teorii Higgsa. Wykorzystują do tego urządzenia o wartości miliardów dolarów, które montuje się w wielo­kilometrowych podziemnych tunelach. Przyświeca im jedna myśl: znaleźć cząstkę Higgsa i w ten sposób rozwiązać zagadkę pochodzenia masy.
Przez całe stulecia uczeni nie mieli nawet pojęcia, że masa może mieć jakieś źródło, przynajmniej nie we współczesnym znaczeniu tego określenia. Słowo masa oznaczało jedynie wielkość mówiącą o tym, ile materii ma dany obiekt, materia zaś to było tylko uczone określenie na wszelkiego rodzaju „rzeczy”. Kawał kamienia ma większą masę od bochenka chleba (no, chyba że piekarz miał akurat ciężki dzień) i to wszystko. Znaczenie masy było tak intuicyjne i namacalne, że nikt poważnie się nad nim nie zastanawiał.
Takie niejasne i niedoprecyzowane pojęcia masy pojawiły się już w starożytności i były dalej rozwijane w średniowieczu. Idzi Rzymianin, wybitny teolog i jeden z najbardziej wpływowych myślicieli końca XIII wieku, dokonał ważnego pojęciowego kroku, wprowadzając rozróżnienie między wymiarami obiektu a ilością zawartej w nim materii . Bryła lodu na przykład bez wątpienia zmienia kształt, gdy się topi, tworząc wodę, która paruje, skrapla się i ponownie zamarza. Jednak we wszystkich tych przypadkach ilość materii jest taka sama, bez względu na to, jaką ma postać – mówił. Obserwacja ta, z pewnością prowadząca do ożywionych teologicznych dyskusji na temat transsubstancjacji, jest odzwierciedleniem współczesnych definicji objętości i masy.
Na początku XIV wieku paryski filozof Jan Buridan wykorzystał pojęcie masy do opisu rzuconego przedmiotu, zauważając, że jego pęd zależy od tego, ile zawiera materii i z jaką prędkością go wyrzucono . Johannes Kepler, niemiecki astronom z XVI wieku, posunął się jeszcze dalej, twierdząc, że planety trzymają się swoich orbit i nie rozpierzchają w kosmosie niczym kule na stole bilardowym jedynie za sprawą bezwładności wynikającej z ich olbrzymich mas.
Mimo tych ważnych osiągnięć dawnych filozofów i astronomów pojęcie masy nie miało ścisłego znaczenia aż do 1687 roku, gdy Isaac Newton położył podwaliny pod mechanikę klasyczną, publikując swoje całkowicie nieprzystępne dzieło – Principia . Newton stwierdził, że masa jest własnością materii, wynikającą z objętości i gęstości danego obiektu. Masa ciała decyduje o jego bezwładności, czyli o tym, jak bardzo opiera się ono przed wprawieniem w ruch, a także o tym, jak silnie odczuwa wpływ grawitacji. Z tych definicji Newton wyprowadził podstawowe prawa dynamiki.
Newton intuicyjnie rozumiał masę i materię na dużo głębszym poziomie, niż można wnioskować na podstawie Principiów. Uważał, że wszystkie obiekty składają się z maleńkich, niezniszczalnych cząstek stworzonych przez Boga. Mają one różne kształty i rozmiary, a ich kombinacje prowadzą do powstania różnych postaci materii. Człowiek może jedynie mieć nadzieję, że uda mu się tworzyć nowe kształty i formy z takich zlepków niewiarygodnie małych cząstek.
Niemal dwadzieścia lat po opublikowaniu Principiów Newton pozwolił sobie na snucie rozważań na temat natury materii, które zawarł w swym kolejnym wielkim i bardziej już przystępnym dziele – w Optyce: „Wydaje się możliwe – pisał – że Bóg na początku ukształtował materię z litych, masywnych, twardych, nieprzenikalnych i ruchomych cząstek […] tak wytrzymałych, że nigdy nie ulegną zużyciu ani nie rozpadną się na kawałki” .
Jego rozważania na temat materii wcale nie były tak bardzo odległe od prawdy. Dzisiaj uczeni uważają, że materię tworzy garstka cząstek, które są niemal niezniszczalne. Naukowcy potrzebowali ponad pół wieku na odkrycie najbardziej podstawowych składników materii, które tworzą wewnętrzną strukturę atomów. Ich różne kombinacje prowadzą do powstania pierwiastków chemicznych układu okresowego: atomów tworzących metale, kryształy, ciecze i gazy, umożliwiających uzyskanie niemal nieskończonej listy różnych cząsteczek.
Te ostateczne składniki materii nazywamy cząstkami podstawowymi lub elementarnymi i, z definicji, nie można ich już rozbić na mniejsze kawałki. Pierwszą z tych cząstek odkrył w 1897 roku Joseph John Thomson z Laboratorium Cavendisha na Uniwersytecie w Cambridge . Jak wielu ówczesnych fizyków, Thomsona intrygowała natura świetlistych promieni, które pojawiają się po przyłożeniu napięcia do szklanej rurki wypełnionej rozrzedzonym gazem. Promienie wybiegają od katody, czyli od ujemnie naładowanej elektrody, i podążają w kierunku anody, która ma ładunek dodatni. Wszyscy głowili się nad tym, z czego składają się owe promienie.
Aby zbadać te dziwne „promienie katodowe”, Thomson przeprowadził serię doświadczeń. W jednym z eksperymentów posłużył się czterdziestocentymetrową rurką szklaną pokrytą na jednym z końców farbą fluorescencyjną. Zmodyfikował też nieco anodę, robiąc w niej szczelinę, tak by niektóre promienie wybiegające z katody mogły przez nią przejść i utworzyć jasną plamkę po uderzeniu w fosfor. Mistrzowskim posunięciem było umieszczenie na drodze promieni drugiego zestawu elektrod. Po podłączeniu tych elektrod do baterii Thomson zauważył, że plamka odsuwa się od ujemnej płytki i zbliża do dodatniej.
Dalsze doświadczenia pozwoliły ustalić, że promienie katodowe składają się ze strumieni niewielkich, ujemnie naładowanych cząstek. Thomson nazwał je elektronami – określenie to wprowadził dwadzieścia lat wcześniej Irlandczyk George Johnstone Stoney – i zasugerował, że są one wszechobecnymi składnikami znanych już atomów. Ośmielony tym odkryciem Thomson zaproponował model atomu przypominający ciasto z rodzynkami. Wyobraził sobie mianowicie, że atomy są dodatnio naładowanymi kulami materii z zanurzonymi w nich maleńkimi, ujemnymi elektronami.
Okazało się jednak, że Natura nie zamawiała takiego atomowego ciasta . Pomysł Thomsona legł w gruzach, gdy pochodzący z Nowej Zelandii chemik i fizyk Ernest Rutherford ogłosił światu zdumiewającą wieść, że atomy składają się głównie z pustki. W 1911 roku ustalił, że wbrew koncepcji Thomsona prawie cała masa atomu skupia się w znajdującym się w jego środku dodatnio naładowanym jądrze. W tym samym dziesięcioleciu Rutherford zbadał jądro jeszcze dokładniej i zdobył dowody przemawiające za istnieniem w jego środku nowego rodzaju cząstek – dodatnio naładowanych protonów.
W połowie lat trzydziestych fizycy sądzili, że poznali już główne składniki materii. Dowiedzieli się, że jądro tworzą protony i (z wyjątkiem wodoru, najprostszego z pierwiastków ) cząstki innego typu – a mianowicie obojętne elektrycznie neutrony, odkryte w 1932 roku przez angielskiego fizyka Jamesa Chadwicka . Wokół jądra zaś znajdują się ujemnie naładowane elektrony (jeden lub więcej). Taka interpretacja okazała się poprawna, ale niepełna. Później uczeni odkryli, że protony i neutrony wcale nie są cząstkami elementarnymi. W przeciwieństwie do elektronów składają się one z jeszcze mniejszych cząstek zwanych kwarkami.
Musiało upłynąć dużo czasu, zanim fizycy uznali, że kwarki istnieją naprawdę – niebagatelne znaczenie miał tutaj fakt, że nikomu nie udało się ich zobaczyć. Hipotezę ich istnienia wysunęli w 1964 roku amerykańscy fizycy Murray Gell-Mann i Georg Zweig, choć opracowali tę teorię zupełnie niezależnie . Fizycy ci uświadomili sobie, że zachowanie protonów i neutronów można by wyjaśnić, gdyby każda z tych cząstek zawierała trzy kwarki. Pomysł ten wciąż jeszcze budził kontrowersje, gdy w 1966 roku Peter Higgs przyjechał do Instytutu Badań Zaawansowanych. Dopiero kilka lat później kwarki uznano powszechnie za prawdziwe cząstki elementarne.
W ciągu następnych pięćdziesięciu lat po badaniach Thomsona dotyczących elektronu fizycy odkryli około dwustu różnych rodzajów cząstek – w większości były to pary lub trójki innych składników subatomowych . Coraz trudniej było zapanować nad taką obfitością cząstek, na szczęście w połowie lat siedemdziesiątych wszystko to uporządkowano w ramach modelu, który jest jednym z największych osiągnięć fizyki cząstek. Model ten, nazwany Modelem Standardowym – nazwa tak pospolita, że niemal obraźliwa – wyprowadza całą znaną materię z garstki prawdziwie podstawowych cząstek .
Według Modelu Standardowego istnieją dwadzieścia cztery podstawowe składniki materii. Należy do nich sześć rodzajów kwarków (górny, dolny, wysoki, niski, powabny i dziwny), które występują w trzech odmianach, różniących się własnością zwaną ładunkiem koloru . Ładunek koloru może być czerwony, zielony lub niebieski, jednak nazwy te nie mają żadnego znaczenia w potocznym, wizualnym rozumieniu tych określeń. Kwarki o różnych kolorach wzajemnie się przyciągają. Pozostałe sześć cząstek materii nazywa się „leptonami”. Jest to rodzina, w której skład wchodzą elektrony i nieuchwytne, niemal bezmasowe cząstki zwane neutrinami. Neutrina przechodzą bez najmniejszych problemów przez każdą przeszkodę, jaka znajdzie się na ich drodze. W naszym Wszechświecie stabilna, znana nam materia składa się z kwarków i elektronów.
Pozostałe cząstki opisywane przez Model Standardowy nie są składnikami materii, lecz istnieją, by wykonywać inne zadania. Cztery z nich są odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań – nazywamy je bozonami . Nie przelatujemy przez podłogę jedynie dlatego, że działa siła elektromagnetyczna, którą przenoszą fotony, czyli po prostu cząstki światła. Kwarki wewnątrz jąder atomowych utrzymują się razem za sprawą „oddziaływania silnego”, przenoszonego przez cząstki zwane gluonami – to bardzo odpowiednia nazwa, ponieważ pochodzi od angielskiego słowa glue – klej. Kolejne cząstki, wuony i zetony (zwane też bozonami W i Z), pośredniczą w przenoszeniu oddziaływania słabego, które odpowiada za rozpad pewnych pierwiastków promieniotwórczych . Model Standardowy dopełnia jeszcze jedna cząstka – hipotetyczna cząstka wynikająca z teorii Petera Higgsa, znana jako bozon Higgsa.
Nietrudno dojść do pochopnego wniosku, że Model Standardowy podsumowuje wszystko, co można powiedzieć na temat pochodzenia masy. Skoro cała stabilna materia, jaką znamy, składa się z kwarków i elektronów, to te cząstki elementarne muszą być ucieleśnieniem najmniejszych możliwych jednostek masy, prawda? A skoro tak, to one są źródłem masy. Można by więc obliczyć, jaką masę ma dowolny obiekt, sumując wkład całej tej niezliczonej ilości kwarków i elektronów w jego środku. Okazuje się, że to nie takie proste.
(…)