Higgsova odisejada

Ko je na povratku iz Troje Odisej skoraj že dospel do domače Itake, ga je izpred znane mu obale odpihnilo neukrotljivo neurje. Odneslo ga je tako daleč, da se je mukoma vrnil šele čez več let, da bi s pomočjo sina Telemaha zahteval zakonske pravice pred vsiljivimi snubci. Se morda slavna epska zgodba ponavlja v iskanju izmuzljivega Higgsovega delca, še zadnjega gradnika, ki bi dopolnil sliko standardnega modela osnovnih gradnikov in interakcij med njimi? Tik pred zaprtjem trkalnika LEP v Ženevi, enega glavnih igralcev v odkrivanju lastnosti delcev standardnega modela, so namreč raziskovalci tega laboratorija zaznali prve indikacije za mogoče odkritje Higgsovega delca. 

Kljub močnim pritiskom raziskovalcev, da bi obratovanje trkalnika LEP podaljšali v leto 2001, pa se je vodstvo laboratorija odločilo končati dobo LEP-a ter nemudoma začeti z izgradnjo novega pospeševalnika LHC. Bo torej novi trkalnik z začetkom obratovanja okoli leta 2005 odigral vlogo Telemaha ter z odkritjem Higgsovega delca prinesel Nobelovo nagrado raziskovalcem iz Ženeve, ali pa bo prestol na Itaki pripadel snubcem onstran oceana?

Kaj je to Higgsov delec?

Da lahko odgovorimo na to vprašanje, si najprej oglejmo kaj sploh je standardni model delcev in interakcij med njimi. Tako bomo lažje prepoznali centralno vlogo, ki jo ima Higgsov delec v konstrukciji standardnega modela. Model sam je podrobneje predstavljen drugje, tu pa si le na hitro oglejmo njegove sestavne dele. Sestavljajo ga osnovni gradniki materije: kvarki in leptoni. Kvarkov imamo šest vrst (šestih različnih okusov): to so u (up), d (down), s (strange), c (charm), b (bottom), t (top). Za običajno življenje sta najpomembnejša najlažja dva: u in d kvark, saj je iz njiju sestavljen npr. proton (dva u kvarka in en d), pa tudi nevtron (dva d kvarka in en u kvark). Protoni in nevtroni naprej tvorijo atomska jedra. Iz u in d kvarkov torej lahko sestavimo vso materijo okoli nas. No, skoraj vso, potrebujemo še elektrone, ki skupaj z jedri nato tvorijo atome. Sedaj pa res lahko sestavimo vse mize, stole in ostale predmete, ki nas obdajajo v vsakdanjem življenju. Elektron, ki smo ga omenili, je le eden izmed šestih leptonov, ki nastopajo v standardnem modelu. Poleg njega so tu še mion , in tauon , vsak pa ima še svoj nevtrino. Tako elektronu pripada elektronski nevtrino , mionu mionski nevtrino , in tauonu tauonski nevtrino . Naj vas množica novih delcev, ki smo jih vpeljali, ne zmede preveč. Kljub vsemu je delcev precej manj kot na primer atomov, ki so nekdaj veljali za osnovne gradnike! Poleg tega smo jih tu našteli predvsem zato, da uvidimo posebnost Higgsovega delca in ne zato, da bi študirali njihove lastnosti.

V čem se torej Higgsov delec razlikuje od zgoraj naštetih kvarkov in leptonov? Najpomembnejša razlika je ta, da preko interakcije s Higgsovim delcem kvarki in leptoni pridobijo maso. V standardni model vstopajo kvarki in leptoni namreč kot brezmasni. To omogoča, da ima teorija precej lepih lastnosti (bolj učeno: obstaja elektrošibka simetrija), ki med drugim tudi omogočajo, da se v računih nastopajoče neskončnosti pokrajšajo, s tem pa lahko teorija daje trdne napovedi. A vendar, iz običajnega sveta vemo, da osnovni gradniki ne morejo biti brezmasni, saj je miza vendar masivna, kajne? Kako kvarki in leptoni pridobijo maso? Poleg kvarkov in leptonov standardni model napoveduje tudi obstoj Higgsovega delca. Le ta se sklaplja s kvarki in leptoni in sicer tem močneje, bolj ko so ti masivni. Nato prek spontane zlomitve elektrošibke simetrije kvarkom in leptonom priskrbi od nič različno maso. Ta proces imenujemo tudi Higgsov mehanizem.

Ko se kroglica zakotali z valja, se simetrija levo-desno spontano zlomi.

Kljub temu, da se sliši koncept spontane zlomitve precej abstraktno, pa za vsem tem tiči preprost razmislek. Predstavljajmo si, da položimo na tla valj ter na vrh valja postavimo frnikolo. Ker je valj povsem simetričen, ne moremo vedeti ali se bo frnikola odkotalila na levo ali desno (enačbe, ki uravnavajo gibanje frnikole nam tega, kam se bo frnikola odkotalila ne povedo – rečeno drugače, enačbe so levo-desno simetrične). Vendar pa bo frnikola neizbežno zdrsnila na eno od strani, levo ali desno. V trenutku, ko se frnikola odkotali, je sistem frnikola-valj doživel spontano zlomitev simetrije. Sistem frnikola-valj ni več levo-desno simetričen (saj je vendar sedaj frnikola na levi ali desni strani valja), čeprav so enačbe, ki uravnavajo njegovo gibanje simetrične.

Nekaj podobnega se dogodi v primeru Higgsovega mehanizma generacije kvarkovskih in leptonskih mas. Higgsovo polje (to je polje, ki je pripada Higgsovemu delcu) je – podobno kot gravitacijsko ali elekromagnetno polje – definirano v vsaki točki prostora. Podobno kot lahko delci v gravitacijskem ali elektromagnetnem polju pridobijo ali izgubijo energijo, v Higgsovem polju delci pridobijo maso. A kljub podobnosti, je tudi nekaj razlik. Kvarki in leptoni tako pridobijo maso le, če pride do spontane zlomitve elektrošibke simetrije in sicer tako, da Higgsovo polje pridobi neničelno vakuumsko pričakovano vrednost. Elektrošibka simetrija se s tem zlomi v elektromagnetno, le ta pa ni zlomljena še naprej. Nezlomljena elektromagnetna simetrija se neposredno odraža v vsakdanjem življenju. Zaradi nezlomljene elektromagnetne simetrije imajo namreč fotoni (to so delci, ki posredujejo elektromagnetno interakcijo) maso enako nič. Ali povedano drugače: ker elektromagnetna simetrija ni zlomljena, se elektromagnetno valovanje širi s svetlobno hitrostjo. Nasprotno pa elektrošibka simetrija je zlomljena. Kvarki in leptoni tako pridobijo maso, čeprav imajo enačbe v osnovi elektrošibko simetrijo, ki neničelno maso prepoveduje!

Poslužimo se še nekoliko oprijemljivejše analogije. Z določenimi zadržki bi lahko rekli, da Higgsovo polje napolnjuje prostor podobno, kot npr. voda napolnjuje jezero. Vsak delec, ki se potopi v to jezero, dobi maso. Delci, ki se v tem jezeru najtežje premikajo, imajo največjo maso. Higgsovega polja neposredno ne moremo zaznati, lahko pa ga zaznamo posredno preko Higgsovega delca. Če namreč zberemo dovolj energije na enem samem kraju, polje to energijo spremeni v masivni Higgsov delec.

Leta 1993 je britanski minister za znanost razpisal nagrado vsakomur, ki bi mu znal preprosto razložiti, kaj je to Higgsov bozon. Na natečaj se je odzvalo kar 125 fizikov. Tole je ena od nagrajenih razlag, njen avtor je David Miller:
(1) Zamislimo si sobo, v kateri imajo fiziki zabavo. Soba ustreza praznemu prostoru, fiziki pa Higgsovemu polju.		(2) Ko v sobo vstopi nobelovec (v izvorni zgodbi je nastopala gospa Thatcher, v sobi pa so bili politiki) …
(3) … se vsi fiziki, ki se jim približa, obračajo za njim in ga želijo kaj vprašati. Tako se ustvari okoli njega gneča, ki ga seveda ovira pri gibanju, kar posredno pomeni, da je pridobil na masi. Podobno je z delcem v Higgsovem polju.		(4) Če pa se po sobi razširi samo novica npr. o podelitvi letošnjih Nobelovih nagrad …
(5) … se podobno kot prej okoli nobelovca, tudi okoli novice ustvari gruča, ki potuje skozi sobo. Ta gruča okoli novice predstavlja Higgsov delec.

Higgsov delec torej ni pomemben kar tako sam po sebi, češ lepo bi bilo odkriti še en nov delec, ki ga prej nismo poznali. NE! Pomemben je predvsem zaradi koncepta spontane zlomitve, ki ga njegov obstoj implicira. Pri tem niti ni tako pomembno, ali odkrijemo en Higgsov delec, kot ga napoveduje standardni model (to je pač najenostavnejša možnost spontane zlomitve), ali pa je Higgsovih delcev v resnici več (kot to napovedujejo na primer supersimetrični modeli).

Morda bo marsikoga presenetilo, da je celoten koncept spontane zlomitve nastal v borih treh tednih, vsaj po besedah tvorca, škotskega fizika Petra Higgsa. Prva dva tedna je potreboval, da je spisal članek, nakar je recenzent revije zavrnil objavo, češ, da je kvantna teorija polja obskurna teorija in s tem povsem nezanimiva. Da pa bodo vseeno objavili članek, če bo le avtor dodal nekaj praktičnih posledic uporabe teorije. Peter Higgs je nato potreboval še teden, da se je domislil zahtevanih primerov, med njimi tudi Higgsovega mehanizma.

Peter Higgs na svoj 70. rojstni dan.

Zakaj zapreti LEP?

Ob vseh posledicah, ki bi jih odkritje Higgsa imelo za sodobno fiziko delcev se seveda samo po sebi ponuja vprašanje, zakaj zapreti trkalnik, če je na pragu pomembnega odkritja. Predeno prehitro obsodimo vodstvo laboratorija, si poglejmo celotno zgodbo. CERN, kjer stoji trkalnik LEP je velikanski laboratorij na meji med Švico in Francijo, v katerem dela nekaj tisoč (!) fizikov iz celega sveta (tudi slovenski fiziki z Oddelka za eksperimentalno fiziko delcev z Instituta Jožef Stefan).

Slika Ženeve in okoliških Alp z označenim podzemeljskim tunelom trkalnika LEP, v katerem bo tudi novi trkalnik LHC.

Nekako v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja je dozorela ideja o gradnji velikega elektronsko-pozitronskega trkalnika pod zemljo. To so bila namreč leta velikih odkritij kvarkov c in b ter tauona, medtem ko je bilo potrebno razjasniti še interakcije med njimi. Le-te smo v gornjem opisu standardnega modela izpustili, a dovolj bodi, da omenimo, da interakcije prenašajo novi delci, tako imenovani umeritveni bozoni W in Z, ter foton. Da bi dokončno potrdili standardni model je bilo neizbežno odkriti tudi bozone W in Z. V ta namen so začeli z gradnjo trkalnika LEP, ki je leta 1989 tudi začel obratovati. Trkalni obroč je pri trkalniku LEP velik kar 27 kilometrov in je 100 metrov pod Zemljo. LEP je nato že v prvem letu obratovanja odkril bozone W in Z, za kar so podelili tudi Nobelovo nagrado Carlu Rubbia in Simonu Van Der Meeru. Že ob gradnji trkalnika LEP so precej preroško predvideli možnost izgradnje njegovega naslednika. Trkalni tunel so tako naredili dovolj velik, da bodo sedaj lahko v istem tunelu zgradili nov trkalnik LHC-Large Hadron Collider. Seveda pa morajo pred gradnjo novega umakniti stari trkalnik iz tunela.

V trkalniku LEP trkajo elektroni in pozitroni. Ob anihilaciji (izničenju) je za tvorbo novih delcev na razpolago celotna energija tako elektrona kot pozitrona.

Po načrtih naj bi z razgradnjo pričeli septembra 2000. Vendar pa so že poleti 2000 fiziki v detektorjih zaznali signal, ki bi ga lahko povezovali z nastankom Higgsovega delca v povezavi s tvorbo Z bozona. Signal je bil dovolj prepričljiv, da je vodstvo laboratorija privolilo v šesttedensko podaljšanje obratovanja trkalnika LEP. V tem času so znanstveniki dobesedno dan in noč analizirali podatke, da so lahko nemudoma posredovali rezultate. Verjetnost, da je signal le posledica ozadja, to je napačno razpoznanih dogodkov, ki nimajo povezave s tvorbo Higgsovega delca, zmanjšal z 1,2 % dne 5. septembra, na 0,6 % 10. oktobra in končno 0,4% 3. novembra 2000. Lahko torej že govorimo o odkritju? Nikakor ne! V najboljšem primeru lahko govorimo o indikacijah za obstoj Higgsovega delca z maso okoli 115 GeV. Da bi lahko govorili o nedvomnem odkritju, bi morala verjetnost za napačno interpretacijo pasti vsaj za nekaj desettisočkrat na 10^-6 ali še bolje 10^-7. Velikokrat se je namreč že dogodilo, da so signali, ki so imeli verjetnost za napačno interpretacijo okoli enega procenta potem z novimi podatki (večjo statistiko) izginili. Da bi dosegli večjo statistiko, bi seveda morali za precej dlje časa kot le začetnih šest tednov podaljšati obratovanje LEP-a, vsaj za eno leto, če ne več. Tako se je svet laboratorija na seji 3. novembra odločil, da ne ugodi zahtevam fizikov po enoletnem podaljšanju. LEP so zato že 2. novembra ugasnili za vedno in pričeli z razgradnjo.

Ugašanje: 2. novembra 2000 je vodja CERN-ovega oddelka SPS/LEP Steve Meyers ceremonialno izklopil LEP.

Zakaj? Povedati je potrebno, da je LEP v letu 2001 presegel samega sebe. V letu 1996 so namreč prvotno zasnovo trkalnika nadgradili, tako da so radiofrekvenčne pospeševalne komore iz bakra zamenjali s superprevodnimi. Tako naj bi dosegli nominalno energijo 200 GeV. V letu 2000 so inženirji pripeljali energijo celo do 209 GeV. Višje trkalnika nikakor niso mogli gnati, saj so se začele komore pregrevati. Tako so bile možnosti za resnično odkritje Higgsovega bozona ne ravno blesteče, kljub temu, da je bilo vse tako rekoč že na konicah prstov. Poleg tega so morali LEP tako ali tako vsako zimo ugasniti, saj je za obratovanje porabil za pol manjše jedrske elektrarne električne moči. Pozimi se namreč poveča povpraševanje po električni energiji zaradi ogrevanja v Ženevi in okolici, tako da je eksperiment po dogovoru z oblastmi pozimi miroval. Posredi pa je bil seveda tudi denar. V pripravljenosti so namreč čakala gradbena podjetja, ki naj bi začela z inženirskimi deli povezanimi z izgradnjo trkalnika LHC. Če bi hoteli zadržati izgradnjo novega trkalnika, bi odškodnine znašale okrog 100 milijonov švicarskih frankov (ta strahotna vsota naj ne čudi preveč, saj na primer letni proračun CERN-a znaša okoli 1,1 milijarde švicarskih frankov). Tako se verjetno zdi resnično edina racionalna odločitev ta, ki jo je sprejel vodja laboratorija Luciano Maiani: ugasniti LEP in zgraditi LHC, kjer bodo trkali protoni in antiprotoni pri energiji 18 TeV (1Tev = 1000 GeV). A kaj, ko je predviden začetek obratovanja šele nekje v letih 2005/2006.

Tako ob zaprtju LEP-a ostaja grenak priokus, še posebno, če pomislimo na podobno zgodbo iz sredine sedemdesetih let prejšnjega stoletja. Leta 1969 so namreč v LNF (Laboratori Nazionali di Frascati), Frascati, Italija zgradili trkalnik ADONE, ki je tedaj dosegal najvišje energije. Z njim so prečesali energije do njegove nominalno največje energije 3 GeV, kjer so se ustavili. Novembra 1974 pa je področje fizike delcev vznemirilo hkratno odkritje ozke resonance (beri delca s kratko življenjsko dobo reda velikosti 10^-23 s) pri 3,1 GeV v elektronsko-pozitronskem shranjevalnem obroču SPEAR v Stanfordu, kjer so resonanco poimenovali “psi”, in na protonskem sinhrotoru v The Brookhaven National Laboratory blizu New Yorka, kjer so jo poimenovali “J”. Resonanca “J/psi” je pomenila odkritje novega kvarka c (tedaj so poznali le kvarke, u, d in s).

Energija, ki bi jo potrebovali za odkritje novega delca, je bila le 0,1 GeV nad doseženo energijo na ADONE. Po odkritju so se raziskovalci LNF odločili iti preko nominalne obratovalne energije in že po treh dneh so zaznali izredno čist signal. Nato so se odločili z majhnimi koraki 1 MeV prečesati celotno področje dosegljivo ADONE, da bi tako morda našli še kakšno drugo resonanco, ki pa je seveda ni bilo. Se bo morda zgodovina ponovila v primeru iskanja Higgsovega bozona?

Rezultat skeniranja z visoko resolucijo na ADONE, da bi našli še kakšno drugo ozko resonanco. Presek za anihilacijo elektrona in pozitrona pod energijo 3.1 GeV nekoliko fluktuira zaradi šuma, nato pa “eksplodira” pri resonanci J/Psi.

Medtem na drugi strani oceana…

Seveda CERN ni edini laboratorij, ki išče Higgsov delec. Na drugi strani oceana ima resnega tekmeca v laboratoriju Fermilab blizu Chicaga, kjer bodo v kratkem stekli eksperimenti na izpopolnjenem trkalniku Tevatron. Tevatron je začel obratovati leta 1983, ko so prvič sprožili trke med protoni in antiprotoni pri energiji nekaj nad 1 TeV. Nato so energijo postopoma zviševali vse tja do 1,9 TeV. Leta 1997 so Tevatron zaprli in začeli izboljševati detektorja ter sam trkalnik, ki naj bi ponovno začel obratovati marca 2001. Če ima Higgsov delec resnično maso okoli 115 GeV, kot kažejo signali LEP-a, bodo Higgsovi delci pri trkih proton-antiproton v Tevatronu nastajali v precejšnjih količinah. Problem pa je te delce zaznati. Za razliko od LEP-a, kjer so trkali elektroni in pozitroni, ki niso stavljeni iz drugih osnovnejših delcev, so protoni in antiprotoni sestavljeni iz kvarkov. Tako v vsakem trku sodeluje več delcev, ne samo dva, kar obravnavo posameznega trka precej zaplete. Poleg tega so kvarki vezani v protone preko močne interakcije. Prisotnost močne interakcije pa še nadalje poveča število mogočih procesov in s tem tudi dodatno zaplete stvari.

Slika laboratorija Fermilab. Krožna cesta nakazuje potek podzemnega trkalnega obroča eksperimenta Tevatron z obsegom okoli 7 km.

Tako možnosti Tevatrona, tudi po končani dodelavi trkalnika (tako imenovani RunII) in začetkom ponovnega obratovanja z marcem 2001, niso rožnate, kot so na primer opisovali mediji. Z “umikom” LEP-a iz tekme naj bi imel sedaj Fermilab (Tevatron) prosto pot do odkritja in, jasno, Nobelove nagrade. A ta scenarij je verjeten le v primeru, če ima Higgsov delec resnično maso okoli 115 GeV, pa še tedaj se lahko odkritja nadejajo šele v letih 2005/2006 , medtem ko v primeru večje mase, Higgsovega delca najverjetneje ne morejo odkriti. Nekako v tem času pa zopet v igro stopi LHC, ki naj bi v letu ali dveh prečesal celotno za scenarij spontane zlomitve zanimivo področje energij.

Seveda pa upanje za raziskovalce na Tevatronu še vedno obstaja. “V zadnjih dveh letih (ko smo nadgrajevali Tevatron op. p.) smo bili prisiljeni opazovati, kako so na LEP-u prihajali vse bližje Higgsu” je izjavil Womersley, predstavnik DZero eksperimenta na Tevatronu. “Bilo je, kot da bi stali zunaj restavracije in gledali skozi okno, kako ostali večerjajo. Sedaj smo mi na vrsti.”

Povezave:
Laboratoriji omenjeni v tem zapisu:
CERN, Ženeva, Švica-Francija
Domača stran eksperimenta LHC
LNF,Frascati, Italija
Fermilab, Batavia, ZDA

Ostale povezave:
Opis LHC
Standardni model
O Higgsovem delcu
O odkritju b kvarka
O zapiranju LEP-a in vlogi Fermilaba

kvarkadabra.net – številka 8
(februar 20001) 

-