Završni kamičak kosmičkog mozaika

Piter Higs u hodnicima CERN-a

Postoji teorija koja objašnjava zašto se magnet lepi za frižider, kako nastaje polarna svetost, kako funkcioniše atomska bomba, od čega je napravljen atom, kako je izgledao svemir u prvoj sekundi svoga postojanja i zašto sunce sija. Tu teoriju danas nazivamo “standardni model fizike elementarnih čestica” ili, u skraćenom obliku, “standardni model”. Neki bi rekli da je pravo ime za ovu izuzetnu građevinu ljudskog duha: “teorija skoro svega”, jer ona zaista objašnjava svet oko nas sa zadivljujućom preciznošću. 

Pa ipak, ova teorija, nikada nije imala onaj publicitet koji je imala (i još uvek ima) Ajnštajnova teorija relativnosti. Standardni model ima svoje naučne heroje: Ričarda Fejnmana, Abdusa Salama, Stivena Vajnberga, Pitera Higsa, ali niko od njih nije imao ni delić popularnosti Alberta Ajnštajna čiji je razbarušeni lik postao sinonim za naučnu genijalnost. Za razliku od teorije relativiteta koja se nepogrešivo vezuje za jednog čoveka (čast svima ostalima), standardni model kolektivno su sagradili nebrojeni naučnici širom sveta, neki s većim, neki s manjim doprinosom. Da stvar bude gora, standardni model nikad nije imao dobar “pi-ar”, nedostaju mu lako shvatljivi paradoksi koji bi mogli da zaintrigiraju maštu običnog sveta. Sa druge strane, Ajnštajnova teorija prepuna je interesantnih motiva: vreme se usporava, dužine se skraćuju svetlost se savija, materija pada u crnu rupu... Svaki laik može da gaji iluziju da ponešto od toga i razume.

"Majka" svih mašina:
Veliki sudarač hadrona (LHC)

Ako, međutim, standardni model pogledate hladnim očima naučnika, videćete da on po svojoj grandioznosti, kompletnosti i složenosti nimalo ne zaostaje za teorijom relativnosti. Do pre nedelju dana ta teorija imala je samo jednu manu: nedostajao joj je poslednji delić mozaika, tzv. Higsov bozon. Od naroda krštena kao “božija” (bez osnova, kako ćemo kasnije i videti), ova čestica objašnjava zašto sve ostale čestice standardnog modela (sa izuzetkom fotona) imaju masu. 

Prosvćeni laik mogao bi da postavi jednostavno pitanje: zar čestice nemaju masu same po sebi, baš kao što imaju i drue karakteristke, poput naelektrisanja? Ispostavlja se da jednačine standardnog modela ne zahtevaju da čestice imaju masu. Bez mase, čestice bi letele kroz kosmos brzinom svetlosti a materija koju danas poznajemo ne bi imala šansu da se “skupi na jedno mesto” i poprimi sadašnju formu. Radeći na ovom očiglednom nedostatku standardnog modela kao i teoriji koja je trebalo da objedini elektromagnetizam i silu slabe interakcije, britanski naučnik Piter Higs je tokom šezdesetih godina predložio mehanizam pomoću kojeg sve elementarne čestice dobijaju masu. U osnovi modela nalazi se tzv. Higsovo polje koje prožima čitavu vasionu. Na čestice koje se kreću kroz Higosovo polje, ono deluje silom čiji je prenosnik tzv. Higsov bozon. Kada se ovi bozoni “okupe” oko neke čestice, ona se kreće sporije, što za posmatrača izgleda kao da čestica “dobija masu”. 

Zvuči komplikovano, ali nije ako pozovete tenis u pomoć. Zamislite dve elementarne čestice, Novaka Đokovića i autora ovog teksta kako jedan pored drugog šetaju prepunom Knez Mihailovom ulicom od Terazija ka Kalemegdanu. Slučajni prolaznici su, u ovoj analogiji, Higsovi bozoni. Bozoni, naravno, prepoznaju Novaka, skupljaju se oko njega, neprekidno mu traže autograme, vuku ga za rukav i na taj način ga usporavaju. Autora ovog teksta, koji je u suštini niko i ništa jer nema ni prvo kolo Vimbldona, prepoznaje samo kolega sa posla (kratki pozdrav i to je sve), i on se kreće mnogo brže od Đokovića koji sve više zaostaje. Nuklearni fizičar bi jednostavno rekao da Novak Đoković ide sporije jer ima veću masu, pri čemu uzrok te mase predstavljaju sveprisutni Higsovi bozoni, tj. slučajni prolaznici.

Eksperiment ATLAS

Pet decenija traje potraga za Higsovim bozonom, bez rezultata. Jednostavno, fizičari nisu imali dovoljno dobru tehniku da bi mogli da kreiraju odgovarajući eksperiment. Kada je vodeća evropska institucija za nuklearnu fiziku (CERN), pustila u pogon LHC (Large Hadron Colider), grandiozni sudarač elementarnih čestica bez parnjaka u svetu, naučnici su konačno dobili potrebne instrumente.

Ako je po Sadamu bitka za Kuvajt bila “majka svih bitaka”, za LHC se slobodno može reći da predstavlja “majku svih mašina”. Reč je o prstenu super-provodnih magneta koji je dugačak 27 kilometara i nalazi se na 175 metara ispod Ženeve, u stanju da snopove protona i olovnih jezgara ubrza do energije od 7TeV (Koliko je to, tačno? Mnogo! Sedam puta više od energije nedavno penzionisanog američkog “Tevatrona”). Snopovi čestica koji se kreću u suprotnim pravicma  bzinom jedva malo manjom od brzine svetlosti zatim se kontrolisano sudaraju. Svaka kolizija stvara vatromet elementarnih čestica koji se pažljivo snima, meri i analizira (ništa bez super-kompjutra). 

Eksperiment CMS

Energije koje se koriste u eksperimentima su zaista kolosalne: tako visoku energiju elementarne čestic imale su samo u prvim trenucima nakon “velikog praska” pre oko 13.7 milijardi godina, kada je čitava vasiona mogla da stane u tenisku lopticu. Svaki veliki akcelerator je, zapravo, i najbolji vremeplov, mašina koja nas vraća u trenutke rađanja univerzuma, kada su temperature i energije bila nezamislivo veće u odnosu na današnje. 

U sredu, 4. jula, javnosti su se obratili predstavnici dva nezavisna CERN-ova tima, CMS i Atlas, koji su nakon obrade nekoliko triliona sudara s verovatnoćom od 5-sigma (prostim jezikom, ispod granice razumne sumnje) jednoglasno potvrdili da je Higsov bozon otkriven, tačno tamo gde su naučnici i predviđali (masa Higsovog bozona stotinak puta je veća od mase protona). Usledili su frenetični aplauzi, poneka suza, a najdalje su odjeknule reči samog Pitera Higsa koji je izjavio da se nije nadao da će doživeti ovaj dan (od srca mu želimo da dočeka i svoju Nobelovu nagradu koja mu legitimno sleduje). Iako naučnicima tek predstoji da detaljno izuče svojstva Higsovog bozona osmotrenog u eksperimentu, jedno je ipak nesporno: standardni model je konačno kompletiran.

A bilo je i vreme. Evropski poreski obveznici uložili su oko 8 milijardi evra u konstrukciju LHC-a od kojeg se očekivalo, između ostalog, da dokaže ili opovrgne postojanje Higsovog bozona. Sa naučne tačke gledišta, i jedan i drugi ishod eksperimenta, jednako je dobar i poželjan. Svaki ishod otvara jedno novo naučno poglavlje. Sa političke tačke gledišta (a pare ipak dele političari), mnogo je bolje da nađete “nešto” nego da silne novce potrošite a da ne nađete ništa. Zato će rezultati koji su upravo obelodanjeni  verovatno pomoći CERN-u da na duže staze obezbedi pristojno finansiranje, čak i u uslovima teške ekonomske krize.

Standardni model
elementarnih čestica

Jer, vremena kada su nulearni fizičari bili miljenici vlasti i političkog establišmenta davno su prošla. Taj interes u prošlosti imao je svoju pragmatičnu pozadinu. Iza leđa svakog nuklearnog fizičara stajao je po jedan ćutljivi general pažljivo prateći može li se od tog “cepanja dlake na dvoje” napraviti kakvo zgodno oružje masovnog uništenja. Tokom drugog svetskog rata fizičari su generalima već “podarili” atomsku bombu i generali to nisu zaboravili ni pošto je rat završen. Ako je cepanjem urana napravljena atomska bomba, ako je fuzijom vodonika napravljena hidrogenska bobma, ko zna kakva bi se zgodna bomba mogla napraviti cepanjem protona na kvarkove. Političari i generali imali su jasnu poruku za fizčare:“Mi finansiramo sve što treba a vi - samo cepajte!”. Ta podrška će se vremenom smanjiti (čim je postalo jasno da se ne može napraviti bomba od svake nove čestice), ali nikad neće i potpuno nestati.

Da bi se standardni model razumeo, makar na nivou prosvećenog amatera, potrebno je da se  vratite u školske klupe i podsetite onoga što ste morali da naučite za dvojku iz fizike: materija koju vidimo oko sebe, uključujući i onu od koje smo sami sastavljeni, sagrađena je od molekula a molekuli od atoma. Svaki atom sastoji se od malog, ultra-kompaktnog jezgra u kojem su vezani protoni i neutroni i oblaka elektrona koji kruži oko njega. Protoni i elektroni su čestice istog naelektrisanja ali suprotnog znaka dok su neutroni električno neutralni. Setili ste se, zar ne?

Borov model atoma

Dugo se smatralo da su ove tri čestice zaista "elementarne", da su u pitanju najsitnije "opeke" materije od kojih je svet načinjen. Ali naučnici obično nisu spremni da prihvate čak i očigledne istine bez dodatne potvrde. Zamislite da je proton jedna pomorandža. Najjednostavniji način da saznate šta se nalazi unutar nje je da je smrvite, tako što ćete je, recimo, velikom snagom baciti u zid. Tako ćete saznati da pomorandža nije “elementarna”, jer se u njoj nalaze koštice, sokovi, vlakna... Ako pomorandžu bacite u zid još većom brzinom (ili sudarite dve pomorandže koje se velikom brznom kreću jedna drugoj u susret), sva je prilika da ćete saznati da i koštice imaju svoju unutrašnju strukturu. Što je veća upotrebljena energija, to je i veća šansa da zagledamo dublje u prirodu materije. 

Svi savremeni akceleratori rade upravo to: ubrzavaju čestice (najčešće protone) skoro do brzine svetlosti a zatim ih međusobno sudaraju kolosalnim energijama. U izobilju “krša” i “loma” koji tom prilikom nastaje, naučnici traže karakteristične potpise koje ostavljaju poznate čestice i traže one koji nagoveštavaju nova otkrića. Tako je pokazano da protoni i neutroni imaju svoju unutrašnju strukturu i da se u njima skrivaju još "elementarnije" čestice - kvarkovi. A kvarkovi su, već, čista egzotika: nikad nisu opaženi pojedinačno već isključivo u sopstvenom društvu, ima ih šest sa šašavim imenima ("gornji", "donji", "šarmantni"...), svaki u tri jednako šašave "boje" (koje, naravno, nemaju nikakve veze sa crvenom, žutom i plavom). 

I tu počinje pravi haos od kojeg će vam se vrlo brzo zavrteti u glavi: dva kvarka u paru stvaraju mezone a u grupama od po tri barione (u koje spadaju protoni i neutroni). Barioni i mezoni čine grupu "teških" čestica, tzv. hadrona. Na drugoj strani težinske skale su lake elementarne čestice koje nemaju unutrašnju strukturu i koje nazivamo leptonima (u koje spada i elektron). 

Higsov bozon:
Tu je negde!

Da priča bude još zapetljanija, sredinom pedesetih otkriven je i neutrino, masovno zastupljena ali teško uhvatljiva čestica koja kroz "normalnu" materiju prolazi kao Nadal kroz Rolan Garos, takoreći bez ikakvog otpora. Iako danas postoje jaki dokazi da  neutrino ima masu, ona je toliko mala da ni do danas nije preczno izmerena. Vrlo brzo otkrivena su još dva tipa neutrina, pri čemu svaki neutrino “u letu” može da promeni svoj tip iz jednog u drugi. 

Ni to nije sve: uzmite u obzir da svaka čestica ima i svoju antičesticu, potpuno istih osobina ali suprotnog naelektrisanja, i da se čestice razlikuju ne samo po masi i naelektirsanju već i po "spinu" (svojstvo nalik na obrtanje čestice oko sopstvene ose). Polako možete da shvatite s kakvim haosom su se sreli nuklearni fizičari u XX veku.

Tom haosu bila je neophodna sistematizacija a najbolju sistematizaciju čitave "šume" elementarnih čestica i njihovih interakcija predstavlja teorija koju danas nazivamo "standardni model". Oni koji teoriju dobro poznaju tvrde da ona predstavlja najveći trijumf nauke u čitavoj istorji. Jer, teško je naći neku drugu naučnu teoriju slične složenosti čija su se najsmelija predviđanja redovno potvrđivala u praksi, vrlo često sa filigranskom preciznošću. Otkriće Higsovog bozona samo je poslednje u tom fascinantnom nizu. 

A sad pročitajte još par redova koji će vam pomoći da u društvu učeno blefirate i delujete pametnije od ostalih... 

Oduševljenje u CERNU:
Milijarde evra nisu potrošene uzalud

U srcu standardnog modela nalaze se tri familije čestica: svaka sadrži po dva kvarka, po jedan lepton i neutrino. U tom pogledu, tabela elementarnih čestica pomalo podseća na mini-verziju Mendeljejevog periodnog sistema hemijskih elemenata. Ali, ono što je istinski složeno je način na koji čestice međusobno deluju. Standardni model sa zadivljujućom preciznošću opisuje tri od četiri sile u prirodi: jaku silu (koja deluje između kvarkova i čestica atomskog jezgra), slabu silu (kojom “komuniciraju” sve elementarne čestice) i elektromagnetnu silu. Svaka sila stvara svoje polje i ima "posrednike", tzv. bozone koji prenose dejstvo jedne čestice na drugu (gluoni, W/Z-bozoni i fotoni). Upravo je Higsov bozon bio poslednja cigla u zidu, poslednje parče grandiozne slagalice koja opisuje "skoro sve".

Skoro sve, ali ne i svih 100%. I pored nastojanja da se gravitacija, četvrta sila u prirodi koju je Ajnštajnova opšta teorija relativnosti tako dobro opisala, poveže sa tri preostale sile, sa standardnim modelom i jednačinama kvantne fizike - uspeha do sada nije bilo. Gravitacija koja je, sasvim paradoksalno, i najslabija i najdalekometnija sila u prirodi, tvrdoglavo odbija da se uklopi u bilo koju krovnu teoriju koja bi pokušala da opiše čitav Univerzum i sve u njemu. Sasvim je moguće da će ova veza postati uočljiva tek na neuporedivo većim energijama, u nekom budućem akcelaratoru prema kojem će sadašnji CERN-ov LHC izgledati kao dečija igračka.

Čak i kad zanemarimo tvrdoglavu gravitaciju, standardni model ne pruža odgovore na neka prilično jednostavna pitanja. Zašto postoje tačno tri familije elementarnih čestica? Zašto je proton 1836 puta teži od elektrona? Zašto i na koji način neutrino spontano menja svoj tip? Kako to da u svemiru danas preovladava “normalna” materija kad svi eksperimenti pokazuju da se materija i antimaterija mogu generisati i anihilirati samo u jednakim porcijama? Šta je uzrok ovog očiglednog i drastičnog debalansa kad svi poznati principi narušavanja ove simetrije mogu da proizvedu tek delić poznate materije? 

Najinteresntnije pitanje ostavili smo za kraj: od čega se sastoji “tamna materija” koja predstavlja, dominantan vid materije u kosmosu? Tamnu materiju ne možemo da opazimo direktno, ali možemo vrlo egzaktno da merimo njeno dejstvo na “normalnu” materiju. Da nema tamne materije, najveće kosmičke strukture koje opažamo u kosmosu poput galaksija, galaktičkih klastera i super-klastera, ne bi imale današnji oblik. Hipotetička čestica tamne materije koja će zameniti Higsov bozon na naučnoj “Most Wanted” listi zasad je označena kao WIMP (engleska skraćenica za “slabo reagujuću masivnu česticu”). a ozbiljan lov na nju počeće za otprilike dve godine, kada se završi previđeni remont LHC-a. Nobelova nagrada za nalazača se podrazumeva.

Standardni model je, u suštini, nauka o lepoti, simetriji, njenom narušavanju i ponovnom nalaženju. U svakodnevnom životu skoro da nema lepote bez neke vrste simetrije. Recimo, lica koja su simetrična po pravilu su nam lepša od onih koja to nisu. Pa opet, simetrija koja je potpuna, savršena i detaljna ume da bude dosadna. Slično je i sa teorijom elementarnih čestica. Ona polazi od nekih mnogo fundamentalnijih simetrija i pronalazi načine da s ta simetrija naruši. Tako, na primer, jedna od njih kaže da su zakoni fizike identični u svakom vremenskom trenutku, tj. da ako važe danas, važiće i za sto godina. U jednom genijalnom radu iz šezdesetih godina, Emi Neter je pokazao da se iza svake prirodne simetrije krije neki zakon održanja. U našem primeru, iz vremenske simetrije proizilazi zakon o održanju energije. 

Međutim, prirodne simetrije mngo su dublje i složenije sa dalekosežnim implikacijma. Polazeći od jedne takve simetrije i u to vreme malo poznate teorije o Higsovom polju, Salam, Vajnberg i Glašov pokazali su 1967. godine da se slaba sila i elektromagnetna sila na višim energijama mogu opisati jednom teorijom. Na nižim energijama, simetrija između ove dve sile spontano se narušava, baš kao što se i lopta postavljena na vrh brda spontano otkotrlja u njegovo podnožje. Za rad kojim su pokazali da su dve sile u prirodi tek dva pojavna oblika jednog prirodnog fenomena, autori su nagrađeni Nobelovom nagradom. 

LHC: Ni veće mašine, ni manje čestice

Rad na “velikoj”, objedinjenoj teoriji koja bi uključila i preostale dve sile u prirodi i tako objasnila svet i sve u njemu bez ostatka traje i danas. Iako gravitaciona sila i dalje ostaje po strani, tvrdoglavo odbijajući da se nađe u širem kontekstu, postoji nekoliko teorija na liniji stadnardnog modela koje pokušavaju da objedine sve ostalo. Na žalost, predviđanja koja generišu ovakve teorije mogu se eksperimentalno proveriti samo na energijama koje daleko prevazilaze čak i one kojima raspolaže LHC. U nedostatku praktične potvrde, nijedna od ovih teorija još uvek nije široko prihvaćena.

Nego, odakle tolika pompa oko Higsa, i šta je to što ovu česticu čini “božjom”? Kao i obično, tu ima mnogo više novinarskog preterivanja nego naučne istine. Higsov bozon je, prosto rečeno, poslednje parče slagalice standardnog modela, ni mnogo veće, ni mnogo neobičnije od ostalih. Sa nekim interesantim svojstvima, svakako, ali daleko od toga da u sebi nosi pečat božanskog stvaranja. Sam Higs je ateista i veoma ga je ljutilo što je čestica čije je postojanje predvideo stavljena u religijski kontekst koji vređa podjednako i vernike i neverujuće. 

Svoj “božiji” prefiks čestica je, zapravo, stekla komičnim spletom okolnosti. Leon Lederman je svojevremeno napisao knjigu na temu Higsovog bozona pod naslovom “Prokleta čestica: Ako je Univerzum odgovor, šta je onda pitanje?”  Uredniku se nije dopao previše ostrašćen ton naslova pa je zatražio da umesto reči “prokleta” (goddamn, na engleskom) stoji reč “božija” (god’s). Ispostaviće se da je ova naizgled kozmetička izmena jednog atributa imala ogromnu ulogu u konstantnom porastu intresovanja javnosti za nuklearna istraživana. Stotine priučenih novinara od kojih mnogi i dalje veruju da je kvark jedna vrsta kikirikija počelo je o istraživanjima u CERN-u da piše kao o potrazi za Bogom, ovoga puta na naučnoj osnovi, pri čemu je Higsov bozon zapravo otisak božijeg palca koji naš svet nosi još od početka prostora i vremena. 

Istina je, ipak, malo drugačija. Svako novo, revolucionarno otkriće po pravilu usložnjava sliku sveta u kojem živimo. Setite se Njutnovih zakona mehanike koji su toliko jednostavni i jasni da može da ih razume svaki srednjoškolac. Ispostavilo se, međutim, da Njutnovi zakoni važe samo u našem skučenom svetu malih brzina i energija. Ajnštajnova opšta teorija relativiteta opisuje svet mase i gravitacije neuporedivo preciznije, ali to ne znači da su Ajnštajnove formule lakše za razumevanje od Njutnovih. Naprotiv, puno razumevanje teorije relativiteta zahteva fundamentalno poznavanje matematike, fzike pa čak i filozofije. Šta tek reći za teorije koje predstavljaju alternativu za standardni model, poput teorije struna koja elementarne čestice opisuje kao oscilacije dvodimenzioalne gumice u desetodimenzionalnom Čalabi-Jau prostoru, sa tri “normalne” i sedam skrivenih dimenzija? Ova spekulativna teorija dosad nije dala nikakva precizna predviđanja jer su njene jednačine toliko složene da ih je nemoguće rešiti ni u najuprošćenijem obliku.  

Očigledno je da se krugovi ljudskog znanja šire, ali se istovremeno sužavaju i krugovi našeg razumevanja, baš onako kako kaže nobelovac Stiven Vajnberg: “Što više otkrivamo, što bolje upoznajemo zakone na kojima svet počiva, sve manje smisla vidimo u svemu tome”.  

Vreme #1123