Inne odcinki serii:

Cztery zaskoczenia (1): Biologia (systematyka i ewolucja)

Cztery zaskoczenia (2): Astronomia

Cztery zaskoczenia (3): Chemia

Cztery zaskoczenia (4a): Fizyka

Cztery zaskoczenia (4b): Fizyka

4. LHC i polowanie na bozon Higgsa

Po co wydaje się 7,5 mld euro na budowę zderzacza cząstek? Bo właściwie nie ma innego sposobu na popchnięcie fizyki naprzód. Testowanie przewidywań istniejących teorii (zanim znajdzie się w nich luki wskazujące na konieczność uzupełnienia lub zmiany modelu) wymaga eksperymentów w zakresie olbrzymich energii. Wielki Zderzacz Hadronów (Large Hadron Collider, LHC) to kolisty tunel o średnicy 8.5 km i długości 26,7 km na granicy szwajcarsko-francuskiej, w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych (CERN). Tysiące magnesów nadprzewodzących chłodzonych ciekłym helem rozpędzają w nim dwie przeciwbieżne wiązki protonów do takiej prędkości, że każdy z protonów uzyskuje energię kinetyczną 6,5 TeV (6,5 biliona elektronowoltów). Odpowiada to prędkości (względem ścian tunelu) 0,99999999 c, czyli o 3,1 m/s poniżej prędkości światła. W czterech punktach obwodu LHC trajektorie wiązek przecinają się i protony zderzają się czołowo.

Jaka, z punktu widzenia protonu obiegającego LHC, jest prędkość protonu nadlatującego z przeciwka „na czołówkę”? Wbrew pozorom nie jest to wartość bliska podwójnej prędkości światła, bo w teorii względności nie mamy prostego dodawania prędkości, tylko ich relatywistyczne składanie, którego wynik nigdy nie przekracza c. W tym przypadku jest to ok. 0,99999999999999995 c – mniej więcej o 15 nanometrów na sekundę (innymi słowy o niecałe pół metra na rok) mniej niż prędkość światła. Żeby jeszcze bardziej zbliżyć się do c, trzeba by było zainwestować jeszcze więcej energii w rozpędzanie protonów. Nie jest to łatwe, bo pobór mocy przez LHC w trakcie działania i tak już wynosi 200 MW.

Kiedy zderzacz został oddany do użytku w 2010 r., nadawał protonom każdej wiązki energię 3,5 TeV – a było to i tak cztery razy więcej niż poprzedni rekord. Obecną wartość osiągnięto po kilku upgrade’ach sprzętu. Planowany jest kolejny, wymagający kilkuletniego wyłączenia, podczas którego LHC zostanie częściowo przebudowany. W 2027 r. energia protonów ma wzrosnąć do ok. 7 TeV w każdej wiązce, ale przede wszystkim ma dziesięciokrotnie wzrosnąć „jasność” wiązek, czyli liczba zderzeń na sekundę i centymetr kwadratowy przekroju. Jest to ważne, bo LHC generuje całe morze informacji o produktach zderzeń, a fizycy poszukują wśród nich zjawisk skrajnie rzadkich, świadczących o zachodzeniu zdarzeń bardzo mało prawdopodobnych (obserwowanych np. raz na bilion zderzeń), a za to ciekawych. A zatem im więcej rejestrowanych zderzeń, tym większa szansa, że któreś z nich okaże się takim „rzadkim ptakiem”.

Chyba każdy słyszał o tym, że sztandarowym sukcesem LHC było (uzyskane w 2012 r.) potwierdzenie istnienia bozonu Higgsa, jednego ze „świętych Grali” fizyki cząstek elementarnych. LHC powstał między innymi po to, żeby przeprowadzić łowy na tę konkretną cząstkę. Rezultatem była nagroda Nobla przyznana rok później dwóm spośród sześciu teoretyków, którzy przewidzieli istnienie bozonu Higgsa niemal pół wieku wcześniej, w 1964 r. Jednym z nich był rzecz jasna Peter Higgs, którego nazwisko przylgnęło do bozonu i związanej z nim teorii „mechanizmu Higgsa” i „pola Higgsa”. Regulamin noblowski, ograniczając liczbę osób jednocześnie nagradzanych w danej dziedzinie, niestety często krzywdzi uczonych, którzy niezależnie opublikowali podobne wnioski.

Bozon Higgsa ma wielką masę – ok. 126 GeV/c² (porównywalną z masą atomu jodu; spośród znanych cząstek elementarnych tylko kwark t jest jeszcze cięższy) – i właściwie to wszystko, co ma, bo nie posiada ładunku elektrycznego ani kolorowego (związanego z oddziaływaniami silnymi). Ma także zerowy spin, czyli brak mu kwantowego odpowiednika momentu pędu. Krótko mówiąc, gdyby nie masa, bozon Higgsa bardzo skutecznie udawałby, że nie istnieje. Nawet w zakresie energii zderzeń dostępnym w LHC powstaje bardzo rzadko, a rozpada się po ok. 160 joktosekundach. Jedna joktosekunda (1 ys) to kwadrylionowa część sekundy. Żeby dać wyobrażenie o skali tych zjawisk: w czasie życia bozonu Higgsa światło przebywa drogę około jednej dwudziestej pikometra (to tylko 60 razy więcej niż promień protonu). Łatwo sobie wyobrazić, że polowanie na tak rzadką i płochliwą zwierzynę nie może być łatwe. Na szczęście produkty rozpadu bozonu Higgsa są bardzo charakterystyczne, co umożliwiło jego zarejestrowanie, określenie masy (zgodnej z przybliżonymi oczekiwaniami teoretyków) i potwierdzenie zerowego spinu.

Dlaczego bozon Higgsa jest ważny? Bo jest dowodem na istnienie pola Higgsa – szczególnego pola skalarnego o niezerowej wartości jednolicie wypełniającego „pustą przestrzeń” Wszechświata. Sprzężenie z tym polem, tzw. mechanizm Higgsa, wyjaśnia, dlaczego niektóre cząstki elementarne nabywają energii spoczynkowej objawiającej się jako masa (zgodnie ze wzorem m = E₀ ∕ c²). Bozon Higgsa jest kwantowym wzbudzeniem pola Higgsa (o ujemnej wartości ładunku słabego), czyli najmniejszą możliwą „zmarszczką”, jaką można zaobserwować na jego powierzchni, zainwestowawszy wiele energii w jej wywołanie. Skoro istnieją te zmarszczki, musi też istnieć ośrodek, który je tworzy. Niezerowa wartość pola Higgsa powoduje, że cząstki elementarne zdolne do wymiany wirtualnych bozonów Higgsa z polem Higgsa oscylują nieustannie między dwoma stanami, umownie nazywanymi lewoskrętnym i prawoskrętnym. Jest to źródło ich wewnętrznej energii niezanikającej w stanie spoczynku, czyli masy. Mechanizm Higgsa łamie symetrię między oddziaływaniami słabymi a elektromagnetycznymi, powodując, że nośniki tego pierwszego (bozony W i Z) są ciężkie, a foton jest bezmasowy.

Cząstki obdarzone masą odznaczają się inercją: jeśli nie działa na nie siła, mogą poruszać się ruchem jednostajnym z prędkością mniejszą niż c lub pozostawać w spoczynku. Można naiwnie sądzić na podstawie codziennego doświadczenia, że posiadanie masy jest czymś oczywistym dla każdego obiektu fizycznego. Tak jednak nie jest: istnieją przecież cząstki o masie dokładnie zerowej (foton, osiem typów gluonów i hipotetyczny grawiton), a masa hadronów (mezonów i barionów, czyli cząstek złożonych z parzystej lub nieparzystej liczby kwarków, w tym protonów i neutronów) bierze się niemal w całości z uwięzionej w nich energii skomplikowanych oddziaływań między składnikami. Wkład masy kwarków generowanej z pomocą pola Higgsa stanowi tylko drobny ułamek całkowitej masy hadronów.

Nie można jednak w analogiczny sposób wyjaśnić masy cząstek naprawdę elementarnych takich jak bozony W i Z, leptony posiadające ładunek (elektron, mion, taon) i wszystkie kwarki. Równania fizyki cząstek byłyby doskonale symetryczne, gdyby wszelkie cząstki elementarne były bezmasowe. Co prawda Wszechświat, jaki znamy, nie istniałby w takim przypadku: nie byłoby atomów ani ludzi. Mechanizm Higgsa włączono do modelu standardowego, żeby wyjaśnić, w jaki sposób (w zakresie energii spotykanych w obserwowalnym Wszechświecie) powstały pewne fundamentalne asymetrie, a niektóre cząstki nieposiadające struktury wewnętrznej uzyskały masę. Nadal nie jest tylko pewne, skąd się bierze zadziwiająco maleńka, ale niezerowa masa neutrin, a także skąd się bierze masa samego bozonu Higgsa, za którą – co może się wydawać zaskakujące – nie odpowiada mechanizm Higgsa. Istnienie ciemnej materii (dotąd niewyjaśnionego składnika Wszechświata) każe podejrzewać, że istnieją mechanizmy generujące masę, o których jeszcze nic konkretnego nie wiemy.

Gdyby upolowanie bozonu Higgsa było jedyną racją istnienia LHC, już dziesięć lat temu można by go było zamknąć i zastanowić się, czy warto było wydać miliardy euro na potwierdzenie teorii z lat sześćdziesiątych. Czy opłaca się nadal ulepszać zderzacz, który spełnił swoją misję, i ładować w kolejne eksperymenty energię, która wystarczyłaby na potrzeby nowoczesnego miasta średniej wielkości? Jednak LHC dostarcza także innych cennych danych na temat budowy materii. W zderzeniach powstają liczne typy hadronów z najrozmaitszymi kombinacjami kwarków i ich stany wzbudzone, od czasu do czasu egzotyczne mezony (tetrakwarki) złożone nie z dwóch, ale z czterech kwarków oraz egzotyczne bariony (pentakwarki) złożone z pięciu kwarków; nie wszystkie dają się łatwo zinterpretować i opisać w ramach standardowej teorii. „Hadronowe zoo”, i tak już duże (pierwszy wielki wysyp hadronów nastąpił w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych), dzięki LHC powiększyło się o ok. 70 nowo odkrytych cząstek złożonych tego typu. Ich badanie znacznie wzbogaca wiedzę o oddziaływaniach silnych, umożliwiając także głębsze zrozumienie struktury cząstek bardziej swojskich, jak proton czy neutron.

Najbardziej ekscytujące byłoby odkrycie wśród analizowanych zderzeń anomalii świadczących o konieczności poważnego przemyślenia na nowo modelu standardowego, a może nawet podważających jego podstawy. Pewną nadzieję dają na przykład anomalie statystyczne zaobserwowane w procesach, w których biorą udział miony. Jednak istotność statystyczna tych obserwacji na razie nie jest na tyle przekonująca, żeby ogłosić jakiś przełom, więc trzeba poczekać na następne sesje robocze LHC.

I na tym kończę listę zaskoczeń fizycznych ostatniego półwiecza. Przepraszam, jeśli się rozgadałem.

Lektura dodatkowa dla Czytelników cierpliwych i nieco zaawansowanych:

https://www.kwantowo.pl/2017/07/09/bozon-higgsa-czyli-dawca-masy-czasu/

https://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/the-known-apparently-elementary-particles/the-known-particles-if-the-higgs-field-were-zero/

https://physics.mit.edu/wp-content/uploads/2021/01/physicsatmit_13_wilczek.pdf