O odkryciu doniosły wszystkie media. Stephen Hawking musi wypłacić Peterowi Higgsowi 100 dol., ponieważ przegrał z nim zakład o to, że bozon nazwany jego imieniem zostanie odkryty. Wszyscy uczeni świata, proszeni o komentarz, wypowiadają się o tym odkryciu jak o przewrocie kopernikańskim, a prof. Sir Peter Knight, szef Instytutu Fizyki w Londynie, porównuje je z odkryciem DNA w biologii.
4 lipca dwa zespoły badaczy z CERN (Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych), pracujące w niezależnych programach badawczych – ATLAS i CMS – doniosły o tym, że nowa cząstka elementarna wykryta w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) – który z przerwami działa od 2008 r. – jest najprawdopodobniej tzw. boską cząstką, a więc tą, której brakowało uczonym, by skompletować ostatecznie obowiązującą teorię opisującą istnienie materii. Sędziwy prof. Peter Higgs, który w 1964 r. wysunął hipotezę o istnieniu cząstki generującej we Wszechświecie masę, był na konferencji szczerze wzruszony. Zostanie zapisany w annałach odkryć naukowych przełomu XXI w., a być może otrzyma nawet Nagrodę Nobla. Przewidział istnienie nowej, ważnej cząstki elementarnej już w 1964 r. i długo czekał na potwierdzenie swoich ustaleń.
Niezwykła historia
Świat cząstek elementarnych, z którego składa się znana nam materia (tzw. barionowa), a więc ta, z której zbudowane są nasze ciała oraz gwiazdy, jest niezwykle skomplikowany. Istnieją cząstki trwałe i rozpadające się natychmiast po powstaniu, takie, które istnieją fizycznie i tylko potencjalnie. Jedne tworzą materię, inne tylko przenoszą oddziaływania, są takie, które mają masę, inne jej nie posiadają.
Nawet twórcy teorii opisującej ten elementarny gąszcz często się w nim gubili. Erwin Schrödinger, geniusz, jeden z twórców mechaniki kwantowej, tak mówił do Nielsa Bohra w 1926 r. po nieudanych próbach interpretacji jakiegoś ważnego fenomenu kwantowego: „Gdybym wiedział, że nie pozbędziemy się tych przeklętych skoków kwantowych, nigdy bym się nie wziął za ten interes”.
W końcu jednak w pierwszej połowie XX w. powstało kilka teorii, które uporządkowały ten wielki kwantowy świat i dały nam podstawę wiedzy o budowie materii. Wszystkie one zostały oznaczone wspólną nazwą tzw. Modelu Standardowego. Zakłada się w nim, że cząstki elementarne są wzbudzeniami pewnych pól kwantowych. W Modelu Standardowym materia składa się z kwarków i pozostałych cząstek, czyli leptonów, do których należą elektrony, miony, taony i trzy odpowiadające im neutrina. Wszystkie wymienione cząstki, ponieważ posiadają pewne wspólne cechy, są nazywane fermionami. Fermiony z kolei oddziaływają ze sobą, a nośnikami tych oddziaływań są cząstki zwane bozonami. Bozonem jest np. foton. Do grupy tej należą też bozony W+, W– i Z0 (przenoszą one słabe oddziaływania jądrowe) oraz gluony, które przenoszą oddziaływania silne.
Konstruowanie Modelu Standardowego było czasochłonne i trudne. Model miał też pewną wadę – otóż wszystko zgadzało się w nim i działało bez zarzutu przy założeniu, że cząstki elementarne są pozbawione masy. To jednak stanowiło niedorzeczność, ponieważ materia ma masę. Posiadania masy przez materię doświadczamy codziennie, na każdym kroku.
W latach 60. ubiegłego wieku kilku fizyków zauważyło, że problemy z masą znikają w Modelu Standardowym, gdy uwzględni się w nim obecność jeszcze jednego pola kwantowego. Tu na scenę wkroczył Peter Higgs, który w 1964 r. dopracował nową koncepcję i zaproponował, by przyjąć, że istnieje pole kwantowe wypełniające cały Wszechświat, absolutnie wszystko, nawet próżnię, a które narodziło się podczas Wielkiego Wybuchu.
Pole to szczególnie oddziałuje z cząstkami elementarnymi, a mianowicie – stawia im opór i dzięki temu nabierają one masy. Ponieważ jednak wzbudzenia pól kwantowych są odbierane jako cząstki, z nowym polem też musiała być związana jakaś cząstka elementarna. Nazwano ją bozonem Higgsa lub po prostu – higgsem. Także boską cząstką – od tytułu popularnej książki o cząstkach elementarnych, autorstwa Leona Ledermana i Dicka Teresi (co ciekawe pierwotnie była diabelską cząstką, jednak w wyniku edytorskich zabiegów zamienioną ją na boską, bo taka miała lepiej się sprzedawać). Naukowcy jednak nie lubią tej nazwy. Higgs nie jest ani mniej, ani bardziej boski aniżeli inne cząstki. To hipotetyczna cząstka pośrednicząca w uzyskiwaniu masy, którą należało odnaleźć, by dopełnić lukę w Modelu Standardowym.
Fascynująca teraźniejszość
Wiele wskazuje na to, że to się udało. Zresztą po to tak naprawdę – wielkim nakładem kosztów i wieloletniej pracy tysięcy fizyków oraz inżynierów z wielu państw – zbudowano Wielki Zderzacz Hadronów w CERN, obecnie największą i najbardziej skomplikowaną instalację naukową świata. W tunelu o obwodzie 27 km, naszpikowanym magnesami, wnękami rezonansowymi (przyspieszającymi cząstki) i elektroniką, rozpędzane są protony generowane w kilku towarzyszących akceleratorach. Dwie przeciwzbieżne wiązki protonów zderzają się z ogromnymi prędkościami, a miejsca tych zderzeń są dokładnie monitorowane przez dwa niezwykle czułe detektory – ATLAS i CMS.
Już w 2011 r. uczeni pracujący przy tych detektorach zauważyli, że produktem zderzeń może być nowa cząstka, o masie około 126 GeV (gigaelektronowoltów), i że prawdopodobnie jest to bozon Higgsa, ale potrzebowali czasu na potwierdzenie hipotezy. Cząstka ta rozpada się w niezwykle krótkim czasie i w ogóle nie istnieje w takim znaczeniu, do jakiego jesteśmy przyzwyczajeni, patrząc na materię znaną z codzienności. Jednak produkty jej rozpadu mówią o tym, że mamy do czynienia z czymś w świecie cząstek elementarnych zupełnie nowym. Kolejne dane, z tego roku, potwierdziły hipotezy badaczy.
Dyrektor badawczy CERN Sergio Bertolucci mógł w końcu powiedzieć: „Trudno nie być podekscytowanym tymi wynikami. Już rok temu zapowiedzieliśmy, że w 2012 r. ostatecznie albo odkryjemy cząstkę, która może być higgsem, albo trzeba będzie odrzucić Model Standardowy”.
Dzisiaj wydaje się, że Model Standardowy jednak przetrwa i będzie kompletny. Pełne wyniki badań będą znane dopiero za miesiąc.
A jeśli okaże się, że to nie jest bozon Higgsa, tylko coś innego? Prof. Grzegorz Wrochna, dyrektor Narodowego Centrum Badań Jądrowych: – Jeżeli zarejestrowana w CERN cząstka jest w istocie bozonem Higgsa – to jest wielkie odkrycie. Jeśli jednak jest to jakaś inna, nowa cząstka – to odkrycie jest jeszcze większe. Chodzi o to, że Model Standardowy, dość dokładnie opisujący fundamentalne oddziaływania świata z wyjątkiem grawitacji, może być jednak tylko modelem przybliżonym. Wydaje się wielce prawdopodobne, że pod nim, jeszcze niżej, istnieje teoria lepiej opisująca rzeczywistość fizyczną, prostsza i bardziej elegancka, do której obecnie nie mamy jeszcze dostępu. Pierwszym takim sygnałem będzie to, jeśli odkryty higgs będzie miał nieco inne właściwości, niż wcześniej zakładano.
Jeszcze ciekawsza przyszłość
Można na rzecz spojrzeć jeszcze inaczej. Z oddali. Oto na trzeciej, licząc od gwiazdy macierzystej, planecie typowego układu planetarnego – który leży w Ramieniu Perseusza, galaktyki zwanej Mleczną Drogą – istnieją niewielkie organizmy biologiczne, które postanowiły za wszelką cenę zgłębić istotę materii i jej oddziaływań. Organizmy te tworzą skomplikowane modele fizyczne i matematyczne, a także budują bardzo zaawansowane technicznie urządzenia, by je potwierdzić. Poczyniły duży postęp na drodze, która zmierza do poznania materii typowej, tej widzialnej, z której składa się obserwowalny Wszechświat, ale do zbadania pozostało znacznie więcej. Czym jest ciemna materia i ciemna energia? Albo: jak scalić w spójną teorię Model Standardowy i grawitację? Te zagadnienia wciąż wymagają wyjaśnień. I nowych odkryć.
– Paradoksalnie, byłoby najgorzej, gdyby odkryty higgs był dokładnie taki, jak przewiduje to Model Standardowy. Wtedy zostalibyśmy z dopełnioną teorią Modelu Standardowego, ale też z kilkoma wielkimi nierozwiązanymi problemami, np. grawitacją, która jest opisywana zupełnie inną teorią, ukazującą świat w skali makro. Nie potrafimy jej jednak połączyć z Modelem Standardowym, który opisuje świat w mikroskali – mówi prof. Wrochna.
Nie jest jednak wykluczone, że za jakiś czas odnajdziemy inną cząstkę, na przykład trzy razy cięższą, i to otworzy przed nami zupełnie nowe możliwości opisywania materii i oddziaływań świata. Trzeba jeszcze poczekać.