Od redakcji: 8 października 2013 r. Peter Higgs i Francois Englert zdobyli Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za pracę nad bozonem Higgsa. Poniżej nasz felietonista naukowy Brian Greene wyjaśnia naukę stojącą za odkryciem.
Z tej historii
[×] ZAMKNIJ
Detektor ATLAS, jeden z dwóch eksperymentów mających na celu wykrycie nieuchwytnego bozonu Higgsa w rozbiciu cząstek w Wielkim Zderzaczu Hadronów CERN, waży aż sto 747 dżetów i mierzy ponad 1800 mil kabla. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Kompaktowy elektromagnes mionowy w dużym zderzaczu hadronów wychwytuje cząstki podczas działania. (Michael Hoch / CERN) 
Powrót do deski kreślarskiej: fizyk Peter Higgs bazgra swoje słynne równanie opisujące źródło masy cząsteczki. Potrwało by pół wieku, aby udowodnić prawdziwość. (Stuart Wallace / Splash News / Newscom) 
Zespół współpracuje z detektorem ATLAS, jednym z dwóch eksperymentów mających na celu wykrycie nieuchwytnego bozonu Higgsa w rozbiciu cząstek. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Przed instalacją części detektora CMS mieszkały w pomieszczeniu do czyszczenia w CERN. (Maximilien Brice, Michael Hoch, Joseph Gobin / CERN) 
Magnes w detektorze CMS wytwarza pole magnetyczne 100 000 razy silniejsze niż ziemskie. (Gobin / CERN) 
Zbliżenie detektora CMS - jeden z dwóch eksperymentów mających na celu wykrycie sygnatur bozonu Higgsa. (Gobin / CERN) 
Chociaż bozon Higgsa wydaje się zbyt krótko, aby można go było wykryć bezpośrednio, fizycy z CMS mogą wnioskować o jego istnieniu, badając deszcze cząstek pozostawionych po zderzeniach proton-proton. (T. McCauley, L. Taylor / CERN) 
Galeria zdjęć
powiązana zawartość
- Sztuka i nauka zderzają się w odkryciu bozonu Higgsa
Słynna historia w annałach fizyki opowiada o pięcioletnim Albercie Einsteinie, chorym w łóżku, otrzymującym od ojca kompas zabawkowy. Chłopiec był zarówno zdziwiony, jak i zahipnotyzowany niewidzialnymi siłami w pracy, przekierowując igłę kompasu, by wskazywała północ, ilekroć jego pozycja spoczynkowa była zakłócona. To doświadczenie, jak później powiedział Einstein, przekonało go, że istnieje głęboko ukryty porządek w przyrodzie i skłoniło go do poświęcenia życia na próbę jego ujawnienia.
Chociaż historia ma ponad sto lat, zagadka, którą spotkał młody Einstein, rezonuje z kluczowym tematem we współczesnej fizyce, który jest niezbędny do najważniejszego eksperymentalnego osiągnięcia w dziedzinie ostatnich 50 lat: odkrycia, rok temu, w lipcu tego roku, bozonu Higgsa.
Pozwól mi wyjaśnić.
Nauka w ogóle, a w szczególności fizyka, poszukują wzorców. Rozciągnij sprężynę dwa razy tak daleko i poczuj dwukrotnie opór. Wzorzec. Zwiększ objętość, jaką zajmuje obiekt, utrzymując stałą masę, a im wyżej unosi się w wodzie. Wzorzec. Uważnie obserwując wzorce, badacze odkrywają prawa fizyczne, które można wyrazić w języku równań matematycznych.
Wyraźny wzór jest również widoczny w przypadku kompasu: przesuń go, a igła ponownie skieruje się na północ. Mogę sobie wyobrazić młodego Einsteina myślącego, że musi istnieć ogólne prawo przewidujące, że zawieszone metalowe igły są wypychane na północ. Ale takie prawo nie istnieje. Kiedy w regionie znajduje się pole magnetyczne, niektóre obiekty metalowe odczuwają siłę, która ustawia je wzdłuż kierunku pola, niezależnie od tego, jaki to kierunek. A pole magnetyczne Ziemi wskazuje na północ.
Przykład jest prosty, ale lekcja głęboka. Wzory przyrody czasami odzwierciedlają dwie powiązane ze sobą cechy: podstawowe prawa fizyczne i wpływy środowiska. To naturalna wersja natury kontra wychowanie. W przypadku kompasu rozplątanie tych dwóch nie jest trudne. Manipulując nim za pomocą magnesu, łatwo wyciągasz wniosek, że orientacja magnesu określa kierunek igły. Mogą jednak występować inne sytuacje, w których wpływy środowiska są tak wszechobecne, a poza naszą zdolnością do manipulowania, rozpoznanie ich wpływu byłoby znacznie trudniejsze.
Fizycy opowiadają przypowieść o rybach badających prawa fizyki, ale tak przyzwyczajeni do swojego wodnego świata, że nie biorą pod uwagę ich wpływu. Ryby z trudem tłumaczą delikatne kołysanie roślin, a także własne poruszanie się. Prawa, które ostatecznie znajdują, są złożone i niewygodne. Wtedy jedna genialna ryba ma przełom. Może złożoność odzwierciedla proste podstawowe prawa działające w złożonym środowisku - takim, które jest wypełnione lepkim, nieściśliwym i wszechobecnym płynem: oceanem. Początkowo wnikliwe ryby są ignorowane, a nawet wyśmiewane. Ale powoli także inni zdają sobie sprawę, że ich otoczenie, pomimo swej znajomości, ma znaczący wpływ na wszystko, co obserwują.
Czy przypowieść jest bliżej domu, niż moglibyśmy przypuszczać? Czy mogą istnieć inne subtelne, ale wszechobecne cechy środowiska, których do tej pory nie udało nam się właściwie zrozumieć? Odkrycie cząstki Higgsa przez Wielki Zderzacz Hadronów w Genewie przekonało fizyków, że odpowiedź brzmi tak.
Prawie pół wieku temu Peter Higgs i garstka innych fizyków próbowali zrozumieć pochodzenie podstawowej cechy fizycznej: masy. Możesz myśleć o masie jako o wysokości przedmiotu, a ściślej o oporze, jaki oferuje zmiana jego ruchu. Popchnij pociąg towarowy (lub pióro), aby zwiększyć jego prędkość, a wyczuwalny opór odzwierciedla jego masę. Na poziomie mikroskopowym masa pociągu towarowego pochodzi z jego cząsteczek składowych i atomów, które same zbudowane są z cząstek podstawowych, elektronów i kwarków. Ale skąd się biorą masy tych i innych podstawowych cząstek?
Kiedy fizycy w latach 60. modelowali zachowanie tych cząstek za pomocą równań zakorzenionych w fizyce kwantowej, napotkali zagadkę. Jeśli wyobrażali sobie, że wszystkie cząstki są bezmasowe, to każdy element w równaniach kliknął w idealnie symetryczny wzór, jak wierzchołki idealnego płatka śniegu. Ta symetria była nie tylko matematycznie elegancka. Wyjaśnił wzorce widoczne w danych eksperymentalnych. Ale - i oto zagadka - fizycy wiedzieli, że cząstki mają masę, a kiedy zmodyfikowali równania, aby uwzględnić ten fakt, harmonia matematyczna została zepsuta. Równania stały się skomplikowane i nieporęczne, a co gorsza niespójne.
Co robić? Oto pomysł wysunięty przez Higgsa. Nie wpychaj mas cząstek w gardło pięknych równań. Zamiast tego zachowaj równania nieskazitelne i symetryczne, ale rozważ, że działają w osobliwym środowisku. Wyobraź sobie, że cała przestrzeń jest równomiernie wypełniona niewidzialną substancją - zwaną teraz polem Higgsa - która wywiera siłę oporu na cząsteczki, gdy przez nią przyspieszają. Naciskaj na cząstkę fundamentalną, aby zwiększyć jej prędkość, a według Higgsa poczujesz tę siłę oporu jako opór. Słusznie interpretowałbyś opór jako masę cząstki. Dla umysłowego palca pomyśl o piłce pingpongowej zanurzonej w wodzie. Kiedy naciskasz piłkę do ping-ponga, będzie ona o wiele bardziej masywna niż na zewnątrz. Jego interakcja z wodnistym środowiskiem powoduje nadanie mu masy. Tak więc z cząstkami zanurzonymi w polu Higgsa.
W 1964 r. Higgs przesłał artykuł do znanego czasopisma fizyki, w którym sformułował ten pomysł matematycznie. Artykuł został odrzucony. Nie dlatego, że zawierał błąd techniczny, ale dlatego, że przesłanka niewidzialnego czegoś przenikającego przestrzeń, oddziałującego z cząsteczkami w celu zapewnienia ich masy, cóż, wszystko to wydawało się jak kupa przerostów spekulacji. Redaktorzy czasopisma uznali, że „nie ma oczywistego znaczenia dla fizyki”.
Ale Higgs wytrwał (a jego zrewidowany artykuł ukazał się później w tym samym roku w innym czasopiśmie), a fizycy, którzy poświęcili czas na przestudiowanie propozycji, stopniowo zdali sobie sprawę, że jego pomysł był genialny, pozwalając im zjeść ciastko i zjeść je również . W schemacie Higgsa podstawowe równania mogą zachować swoją nieskazitelną formę, ponieważ brudna praca polegająca na zapewnianiu mas cząstek jest przenoszona do środowiska.
Chociaż nie byłem w pobliżu, by być świadkiem początkowego odrzucenia propozycji Higgsa w 1964 roku (no cóż, byłem w pobliżu, ale tylko ledwo), mogę potwierdzić, że do połowy lat osiemdziesiątych ocena uległa zmianie. Społeczność fizyków w większości opowiedziała się za tym, że pole Higgsa przenika przestrzeń. W rzeczywistości, na studiach podyplomowych, które obejmowały tak zwany Standardowy Model Fizyki Cząstek (fizyki równania kwantowe zgromadzili się, aby opisać cząstki materii i siły dominujące, na które oddziałują one na siebie), profesor przedstawił Higgsa pole z taką pewnością, że przez długi czas nie miałem pojęcia, że trzeba jeszcze ustalić eksperymentalnie. Czasami dzieje się tak w fizyce. Równania matematyczne mogą czasami opowiadać tak przekonującą opowieść, mogą pozornie promieniować rzeczywistością tak silnie, że zakorzenione są w języku pracujących fizyków, nawet zanim będą dane, aby je potwierdzić.
Ale tylko na podstawie danych można stworzyć link do rzeczywistości. Jak możemy przetestować pole Higgsa? W tym miejscu wkracza Wielki Zderzacz Hadronów (LHC). LHC, pokonując setki jardów pod Genewą w Szwajcarii, przekraczając francuską granicę iz powrotem, jest prawie 17-kilometrowym okrągłym tunelem, który służy jako tor wyścigowy rozbijając razem cząsteczki materii. LHC jest otoczony przez około 9 000 magnesów nadprzewodzących i jest domem dla strumieni hord protonów, krążących wokół tunelu w obu kierunkach, które magnesy przyspieszają do prędkości światła. Przy takich prędkościach protony krążą wokół tunelu około 11 000 razy na sekundę, a gdy kierują je magnesy, w mgnieniu oka powodują miliony zderzeń. Zderzenia wytwarzają z kolei cząsteczki przypominające sztuczne ognie, które wychwytują i rejestrują mamutowe detektory.
Jedną z głównych motywacji dla LHC, która kosztowała 10 miliardów dolarów i obejmowała tysiące naukowców z kilkudziesięciu krajów, było poszukiwanie dowodów na pole Higgsa. Matematyka wykazała, że jeśli pomysł jest słuszny, jeśli naprawdę zanurzymy się w oceanie pola Higgsa, gwałtowne zderzenia cząstek powinny być w stanie poruszać polem, podobnie jak dwie zderzające się łodzie podwodne poruszałyby wodę wokół nich. I co jakiś czas poruszanie powinno być w sam raz, aby strzepnąć odrobinę pola - maleńką kroplę oceanu Higgsa - która wyglądałaby jak długo poszukiwana cząstka Higgsa.
Obliczenia wykazały również, że cząstka Higgsa będzie niestabilna, rozpadnie się na inne cząstki w ułamku sekundy. W wirach zderzających się cząstek i kłębiących się chmur drobin pyłu naukowcy uzbrojeni w potężne komputery będą poszukiwać odcisku palca Higgsa - wzoru produktów rozpadu podyktowanych równaniami.
We wczesnych godzinach rannych 4 lipca 2012 r. Zebrałem się z około 20 innymi stalwartsami w sali konferencyjnej w Aspen Center for Physics, aby obejrzeć transmisję na żywo z konferencji prasowej w obiekcie Large Hadron Collider w Genewie. Około sześć miesięcy wcześniej dwa niezależne zespoły badaczy zajmujące się gromadzeniem i analizowaniem danych LHC ogłosiły wyraźną wskazówkę, że znaleziono cząsteczkę Higgsa. Plotka krążyła teraz wokół społeczności fizyków, że zespoły w końcu miały wystarczające dowody, aby postawić ostateczne roszczenie. W połączeniu z faktem, że sam Peter Higgs został poproszony o wyjazd do Genewy, była duża motywacja, aby pozostać po trzeciej nad ranem, aby usłyszeć ogłoszenie na żywo.
A gdy świat zaczął szybko się uczyć, dowód na to, że wykryto cząsteczkę Higgsa, był wystarczająco silny, aby przekroczyć próg odkrycia. Po oficjalnym znalezieniu cząstki Higgsa publiczność w Genewie wybuchła brawami, podobnie jak nasza mała grupa w Aspen i bez wątpienia dziesiątki podobnych spotkań na całym świecie. Peter Higgs otarł łzę.
Mając rok z perspektywy czasu i dodatkowe dane, które tylko wzmocniły argumenty Higgsa, oto sposób, w jaki podsumowałbym najważniejsze implikacje odkrycia.
Po pierwsze, od dawna wiemy, że w kosmosie są niewidzialni mieszkańcy. Fale radiowe i telewizyjne. Ziemskie pole magnetyczne. Pola grawitacyjne. Ale żaden z nich nie jest trwały. Żadne nie jest niezmienne. Żadna nie jest równomiernie obecna w całym wszechświecie. Pod tym względem dziedzina Higgsa jest zasadniczo inna. Uważamy, że jego wartość jest taka sama na Ziemi, jak w pobliżu Saturna, w Mgławicach Oriona, w całej Galaktyce Andromedy i wszędzie indziej. O ile nam wiadomo, pole Higgsa jest trwale odciskane na tkaninie przestrzennej.
Po drugie, cząstka Higgsa reprezentuje nową formę materii, która była szeroko oczekiwana przez dziesięciolecia, ale nigdy nie była widziana. Na początku XX wieku fizycy zdali sobie sprawę, że cząstki, oprócz masy i ładunku elektrycznego, mają trzecią cechę charakterystyczną: ich spin. Ale w przeciwieństwie do bluzki dziecięcej spin cząstki jest nieodłączną cechą, która się nie zmienia; z czasem nie przyspiesza ani nie zwalnia. Wszystkie elektrony i kwarki mają tę samą wartość spinu, podczas gdy spin fotonów - cząstek światła - jest dwa razy większy niż spin elektronów i kwarków. Równania opisujące cząsteczkę Higgsa pokazały, że - w przeciwieństwie do innych podstawowych gatunków cząstek - nie powinna mieć żadnego spinu. Dane z dużego zderzacza hadronów to potwierdziły.
Ustalenie istnienia nowej formy materii jest rzadkim osiągnięciem, ale wynik ma rezonans w innej dziedzinie: kosmologii, naukowym badaniu tego, jak cały wszechświat powstał i rozwinął się w formę, której jesteśmy teraz świadkami. Przez wiele lat kosmologom badającym teorię Wielkiego Wybuchu przeszkadzano. Zebrali dokładny opis tego, jak wszechświat ewoluował od ułamka sekundy po początku, ale nie byli w stanie dać wglądu w to, co skłoniło przestrzeń do rozpoczęcia ekspansji. Jaką siłę mógł wywierać tak silny popychacz zewnętrzny? Mimo całego swojego sukcesu teoria Wielkiego Wybuchu pominęła huk.
W latach 80. odkryto możliwe rozwiązanie, które dzwoni głośnym dzwonem Higgsa. Jeśli obszar przestrzeni jest równomiernie wypełniony polem, którego cząstki stałe są pozbawione spinów, to teoria grawitacji Einsteina (ogólna teoria względności) ujawnia, że można wygenerować potężną siłę odpychającą - huk, a także dużą. Obliczenia pokazały, że trudno było zrealizować ten pomysł z samym polem Higgsa; podwójny obowiązek dostarczania mas cząstek i napędzania huku dowodzi znacznego obciążenia. Ale wnikliwi naukowcy zdali sobie sprawę, że poprzez umieszczenie drugiego „podobnego do Higgsa” pola (posiadającego ten sam zanikający spin, ale inną masę i interakcje), mogliby rozdzielić ciężar - jedno pole dla masy, a drugie dla odpychającego pchnięcia - i zaoferować przekonujące wyjaśnienie huku. Z tego powodu od ponad 30 lat fizycy teoretyczni energicznie badają teorie kosmologiczne, w których pola podobne do Higgsa odgrywają istotną rolę. Napisano tysiące artykułów w czasopismach rozwijających te idee, a miliardy dolarów wydano na obserwacje kosmosu w poszukiwaniu - i znajdowaniu - pośrednich dowodów, że teorie te dokładnie opisują nasz wszechświat. Potwierdzenie LHC, że co najmniej jedno takie pole faktycznie istnieje, stawia pokolenie teologii kosmologicznej na znacznie mocniejszym fundamencie.
Wreszcie, i być może najważniejsze, odkrycie cząstki Higgsa jest zadziwiającym triumfem mocy matematyki do ujawnienia działania wszechświata. To historia, którą wiele razy podsumowano w fizyce, ale każdy nowy przykład zachowuje się tak samo. Możliwość czarnych dziur wynikała z analiz matematycznych niemieckiego fizyka Karla Schwarzchilda; kolejne obserwacje wykazały, że czarne dziury są prawdziwe. Kosmologia Wielkiego Wybuchu wyłoniła się z analiz matematycznych Alexandra Friedmanna, a także Georgesa Lemaître; późniejsze obserwacje również potwierdziły ten wgląd. Pojęcie antymaterii wyszło po raz pierwszy z matematycznych analiz fizyka kwantowego Paula Diraca; kolejne eksperymenty wykazały, że również ten pomysł jest słuszny. Przykłady te pozwalają zrozumieć, co miał na myśli wielki fizyk matematyczny Eugene Wigner, mówiąc o „nieuzasadnionej skuteczności matematyki w opisywaniu wszechświata fizycznego”. Dziedzina Higgsa wyłoniła się z badań matematycznych szukających mechanizmu nadawania cząstkom masy. I po raz kolejny matematyka przeszła w jaskrawe kolory.
Jako fizyk teoretyczny, jeden z wielu, który poświęcił się temu, co Einstein nazwał „ujednoliconą teorią” - głęboko ukryte powiązania między wszystkimi siłami natury i materią, o których marzył Einstein, długo po tym, jak związał się z fizyką przez tajemnicze działanie kompasu - odkrycie Higgsa jest szczególnie satysfakcjonujące. Nasza praca opiera się na matematyce i jak dotąd nie nawiązała kontaktu z danymi eksperymentalnymi. Z niecierpliwością czekamy na 2015 rok, kiedy zmodernizowany i jeszcze mocniejszy LHC zostanie ponownie włączony, ponieważ istnieje szansa walki, że nowe dane dostarczą dowodów, że nasze teorie zmierzają we właściwym kierunku. Najważniejsze kamienie milowe obejmowałyby odkrycie klasy dotychczas niewidzialnych cząstek (zwanych cząsteczkami „supersymetrycznymi”), które przewidują nasze równania, lub wskazówki na temat dzikiej możliwości wymiarów przestrzennych poza trzema, których wszyscy doświadczamy. Jeszcze bardziej ekscytujące byłoby odkrycie czegoś zupełnie nieoczekiwanego, odesłanie nas z powrotem na nasze tablice.
Wielu z nas próbuje skalować te matematyczne góry od 30 lat, niektórzy nawet dłużej. Czasami czuliśmy, że zunifikowana teoria była tuż poza naszym zasięgiem, a innym razem naprawdę szukamy w ciemności. Ogromnym impulsem dla naszego pokolenia jest obserwowanie potwierdzenia Higgsa, obserwowanie czterdziestoletniej wiedzy matematycznej realizowanej jako trzaski i trzaski w detektorach LHC. Przypomina nam, aby wziąć sobie do serca słowa laureata Nagrody Nobla, Stevena Weinberga: „Naszym błędem nie jest to, że traktujemy nasze teorie zbyt poważnie, ale nie traktujemy ich wystarczająco poważnie. Zawsze trudno jest zrozumieć, że te liczby i równania, którymi się bawimy przy naszych biurkach, mają coś wspólnego z prawdziwym światem. ”Czasami te liczby i równania mają niesamowitą, prawie niesamowitą zdolność do oświetlania ciemnych zakątków rzeczywistości. Kiedy to zrobią, będziemy o wiele bliżej uchwycenia naszego miejsca w kosmosie.
