Te dni smo bili priča verjetno največjemu zmagoslavju znanosti v vsej človeški zgodovini. Po porabi več deset milijard evrov in približno 40 letih svetovnih prizadevanj upamo, da s pomočjo znanosti razumemo, kako so osnovni delci, iz katerih je zgrajeno vesolje, ob velikem poku pridobili maso. Pri tem naj bi odločilno vlogo odigral magični delec, ki ga po odkritelju modela imenujejo Hig gsov bozon (HB), pogosto pa ga srečamo tudi pod imenom »božji delec«. Njegovo odkritje so razglasili v začetku julija.
Da bomo vsaj približno razumeli, kaj vse je v ozadju tega odkritja, se spomnimo, kako so nas v šoli učili, da je atom najmanjši delec snovi. Več med seboj povezanih atomov je molekula. Še pred 100 leti za manjše delce, kot so atomi, niso vedeli. Vseh vrst atomov pa so v naravi našli 92, od najlažjega vodika do najtežjega urana.
Danes vemo, da so atomi sestavljeni iz jeder, ki so na poseben način z jedrsko silo zlepljeni protoni in nevtroni, okrog njih pa krožijo elektroni (ki jih v naših električnih motorjih dandanes izrabljamo namesto sužnjev). Vendar pa protoni in nevtroni niso najmanjši delci. Sestavljeni so iz kvarkov, ki jih povezujejo gluoni. Obnašanje in lastnosti vseh teh delcev, razen njihove mase, teoretično dobro napoveduje standardni teoretični model, ki je rezultat prizadevanj več kot ene generacije (več kot 5000) raziskovalcev po vsem svetu. Velikanski, milijardni stroški pa so povezani s preverjanjem napovedanih reakcij med naštetimi in še drugimi delci ter določanjem njihovih mas, za kar so morali zgraditi pospeševalnike posebno visokih energij. Teoretiki so z novimi idejami dajali pobude za nove raziskave, graditelji pospeševalnikov in eksperimentalci pa so jim zvesto sledili. Od prvih pospeševalnikov v tridesetih letih prejšnjega stoletja, ko so vodikova jedra pospešili v električnem polju na okrog milijon voltov in jim tako podelili kinetično energijo 1 MeV, so ob odkritju Higgsovega bozona v Evropskem raziskovalnem središču CERN uporabili protone, pospešene v velikem hadronskem pospeševalniku (LHC) na 4 milijardekrat višjo energijo. Pospeševalnik so zgradili prav v ta namen, čeprav so in bodo z njim raziskali še marsikaj drugega.
Pomembnost Higgsovih bozonov
Higgsov delec je bozon, vrsta delca, za katere velja, da jih je lahko v nekem stanju istočasno poljubno število enakih. Je zelo nestabilen in razpada skoraj takoj po nastanku v druge delce (HB so odkrili z detektiranjem delcev, ki nastanejo ob njegovem razpadu). Če bi se ob novih raziskavah pokazalo, da HB ne obstaja, bi se morali preusmeriti na »standardni model «, ki za razlago osnovnih procesov ne potrebuje HB ali pa ponuja razlago celo z večjim številom bozonov.
V čem je torej enkratnost HB? Zakaj naj bi bil HB »delec vseh delcev«? Po standardnem modelu naj bi delci HB ustvarjali Higgsovo polje, ki napolnjuje vesolje. Ko je bilo vesolje v prvi milijardinki sekunde po velikem poku nekaj manjše od nogometne žoge, so vsi delci, ki so to polje prečkali, postali masni delci.
Odkritje Higgsovega bozona v CERNU
V velikem hadronskem pospeševalniku (LHC) v CERNU v Genevi, na meji med Švico in Francijo, zgrajenem prav za iskanje HB (in še marsičesa drugega), vbrizgajo že močno pospešene protone iz manjših zaporednih pospeševalnikov v dve pospeševalni obročasti cevi dolžine 27 km v globini 175 m pod zemljo. Ob njih je nameščenih čez 1200 dvopolnih magnetov, ki prisilijo delce v kroženje, in okrog 1600 superprevodnih magnetov, ki preprečujejo, da bi se curek delcev razlezel narazen. Za hlajenje teh magnetov potrebujejo okrog 100 ton tekočega helija, s čimer je trkalnik tudi največji hladilni sistem na svetu. Postopek ohlajanja do delovne temperature traja skoraj mesec dni. Ni čudno torej, da naj bi trkalnik deloval brez zaustavitve okrog 20 mesecev.
Protoni krožijo po vsaki cevi v drugo smer. Na štirih mestih, kjer se cevi prekrižata, se med seboj zaletijo z (maksimalno) energijo, vsak po 4.000 milijard elektronskih voltov (4 TeV), njihova hitrost pa je zelo blizu svetlobni hitrosti. (Pospešeni protoni imajo približno tolikšno kinetično energijo kot muha, ki leti po zraku).
Dogodke opazujejo in registrirajo v dveh velikanskih magnetnih analizatorjih ATLAS in ALICE, ki vsak zase po masi presegata celo 9.000 ton težki Eifflov stolp v Parizu. Na osnovi podatkov iz teh dveh analizatorjev sta dve ločeni raziskovalni skupini (vsaka z več kot 2000 raziskovalci) predstavili vsaka svoj rezultat za maso HB. Rezultata se med seboj zelo dobro ujemata. Kljub temu, da se ujema z njima tudi rezultat, ki so ga iz starejših meritev izbrskali raziskovalci v Fermilabu v ZDA, si nosilci projektov ne upajo govoriti o »odkritju«, ampak o »zelo verjetnem odkritju«.
Zakaj »božji delec«?
Ime »božji delec« namesto HB prihaja iz naslova knjige Leona Ledermana in Dicka Teresija iz leta 1993, ki obravnava našo tematiko. Njen naslov je Božji delec: Če je vesolje odgovor, kaj je vprašanje? Javna občila so ta naslov pograbila ter s tem knjigi in bozonu ob odkritju prinesla še večjo slavo in zmagoslavje. Higgs sam, počaščen, da je dočakal svoj veliki dan, temu poimenovanju kot ateist nasprotuje, češ da lahko žali čustva vernikov (saj je HB zelo neprijazen in težko ulovljiv delec). Kljub vsemu pa je ta naslov zmagal v tekmi z drugim predlaganim naslovom: muhasti delec. Raziskovalci pa pri svojem delu imena »božji delec« seveda ne uporabljajo.
Ob velikem slavju pa ne smemo pozabiti na raziskovalne probleme, od katerih so nekateri z odkritjem HB postali še bolj aktualni. Naštejmo nekatere:
Doslej med produkti visokoenergijskih trkov v LHC še niso našli prostih kvarkov. Morda bo to uspelo, ko bo pospeševalnik deloval s polno paro, ko bo energija pospešenih delcev dosegla načrtovano vrednost, ki je dvakrat večja od sedanje.
V vesolju lahko neposredno (optično) zaznamo samo 4 odstotke snovi. Za obstoj ostale (manjkajoče) mase vemo posredno po tem, ker drži npr. skupaj galaksije (rimske ceste) in njihove jate. Imenujejo jo temna snov. Nekaj te snovi vsebujejo že omenjeni nevtralni delci nevtrini, ki jih poznamo iz preučevanja jedrskih razpadov. Vendar je zaradi majhne mase njihov prispevek verjetno zanemarljiv. Morda pa bodo pri poskusih ob LHC odkrili nove težje nevtrine, ki jih teoretiki imenujejo nevtralini in bodo z njimi pojasnili vsaj del temne snovi v vesolju.
Ob trku dveh jeder svinca v LHC, ko naj bi bila sproščena energija približno 40-krat višja kot pri trku dveh protonov, bodo pogoji zelo podobni tistim, ki so vladali milijoninko sekunde po velikem poku. Tedaj kvarki še niso bili povezani v protone in nevtrone ali druge delce. Teoretiki govorijo o plazmi kvarkov in gluonov. Upanje, da bodo tako plazmo odkrili ob trkih svinčenih jeder v okviru projekta ALICE je veliko in kaže na to, da za raziskovanje skrivnosti vesolja niso dovolj teleskopi, temveč so potrebni tudi pospeševalniki.
V mikrosvetu predstavlja poseben problem gravitacija. Čeprav imamo opravka z njo dan na dan, je za znanost velika uganka. Medtem ko za podobno električno silo vemo, da jo med telesi posredujejo fotoni, za gravitacijsko silo česa podobnega ne poznamo. Teoretiki gravitacijske »fotone« imenujejo gravitoni, vendar jih morda zaradi prevelike mase še niso odkrili. Morda pa čakajo v vrsti, da jih odkrijejo pri poskusih z LHC.
Opomba: prispevek je izvorno objavljen v prilogi Družine Slovenski čas, št. 27.
Foto: Wikipedia
// //
