Dabar populiaru
Pažymėkite klaidą tekste, pele prispaudę kairijį pelės klavišą

Galvos skausmas dėl Higgso bozono

Didžiojo dalelių greitintuvo rodmenys
„Reuters“/„Scanpix“ nuotr. / Didžiojo dalelių greitintuvo rodmenys
Šaltinis: Technologijos.lt
0
A A

Peteris Higgsas šių metų fizikos srities Nobelio premijos visgi negavo. Tai būtų buvusi holivudiška pabaiga istorijos, prasidėjusios prieš pusę amžiaus nuo kelių brūkštelėjimų užrašų knygelėje ir pasibaigusios šių metų liepos 4 dieną ašara jo akyse, kai fizikai, apsiginklavę 6 milijardų dolerių vertės dalelių greitintuvu, paskelbė atradę jo vardą turinčią dalelę. Ar bent jau kažką labai panašaus.

Šiek tiek susigraudino ne vien P.Higgsas. Galų gale, tai buvo didis įvykis. Higgso bozonas užbaigia didingą rūmą – materijos ir fundamentaliųjų sąveikų Standartinį modelį. Darbas atliktas.

Jei tik viskas būtų taip paprasta… Kai dalelių fizikai praėjusią savaitę susirinko Kioto mieste (Japonija) į pirmąją didelę konferenciją nuo liepos mėnesio, tebebuvo nežinoma, ar atrastoji dalelė išties yra Standartinio modelio „pièce de résistance“. Sklando netgi dar šventvagiškesnės mintys: jei tai iš tiesų jis, ar mes to išvis norime?

P.Higgso keverzonės turėjo išspręsti painią ir daugialypę problemą. Septintojo dešimtmečio pradžioje fizikai džiūgavo galėdami aprašyti elektromagnetinius laukus ir jėgas per masės neturinčių fotonų mainus. Jie žūtbūt norėjo panašios kvantų teorijos ir silpnajai branduolinei sąveikai, bet netrukus susidūrė su problema: skaičiavimai reikalavo, kad šią jėgą pernešančios dalelės, dabar žinomos kaip W ir Z bozonai, irgi neturėtų masės. Iš tiesų jų masė yra tarp 80–90 gigaelektronvoltų (GeV) – beveik 100 kartų didesnė už protonų.

P.Higgso ir kitų sugalvotas sprendimas buvo naujas, erdvę pripildantis laukas, suteikiantis vakuumui teigiamą energiją, kuri savo ruožtu galėtų dalelėms suteikti skirtingą masę, nelygu jų sąveikavimo su lauku laipsnis. Šio lauko kvantinė dalelė buvo pavadinta Higgso bozonu.

Standartiniam modeliui vystantis darėsi vis aiškiau, kaip gyvybiškai svarbu rasti šią dalelę. Modelis reikalavo, kad labai ankstyvoje karštoje visatoje elektromagnetinė ir silpnoji branduolinė sąveika būtų viena. Ir tik tada, kai po milijardosios sekundės dalies ar dar anksčiau atsirado Higgso laukas, ši pora išsiskyrė kataklizminio pokyčio, vadinamojo elektrosilpnosios supersimetrijos suirimo, metu. W ir Z bozonai nutuko ir grįžo į subatominius pančius, o fotonai skriejo neturėdami masės ir elektromagnetinė sąveika įgavo dabartinę begalinę veikimo zoną. Tuo pat metu materiją sudarančios fundamentaliosios dalelės – pavyzdžiui, elektronai ir kvarkai, vadinami bendru fermionų pavadinimu – su Higgso lauku sąveikavo ir taip pat įgavo masę. Masės neturinčių dalelių košė virto tvarkinga visata su aiškia masių hierarchija.

Tai graži istorija, bet kai kam ji atrodo mažumėlę pritempta. „Minimalus Standartinio modelio Higgsas panašus į pasakėlę, – sako Guido Altarellis iš CERN šalia Ženevos, Šveicarijoje. – Tai žaislinis modeliukas, sukurtas tam, kad teorija atitiktų duomenis; ramentas, leidžiąs Standartiniam modeliui paėjėti toliau, kol atsiras kas geresnio.“

Bėda ta, kad Standartinis modelis aiškiai neišbaigtas. Jis numato įprastų dalelių eksperimentų baigtį keleto ženklų po kablelio tikslumu, tačiau tampa nebylus prakalbus apie gravitaciją, tamsiąją materiją ir kitus žinomus ar numanomai egzistuojančius kosmoso komponentus. G.Altarellis ir kiti tvirtina, kad mums reikia ne standartinio Higgso, bet kažko subtiliai ar radikaliai skirtingo – gilesnės teorijos rakto.

Tapatybės klausimai

Kol kas Higgso bozonas atrodo nesuprantamai paprastas. Liepos 4-ąją gimusi dalelė buvo atrasta sijojant trilijonų protonų susidūrimų nuolaužas galinguose ATLAS ir CMS detektoriuose CERN Didžiajame dalelių greitintuve (LHC). Iš pradžių buvo stebėtas jos suirimas į W ir Z bozonus, ko ir buvo galima tikėtis iš dalelės, suteikiančios joms masę.

Turime dalelę, atrodančią kaip Standartinio modelio Higgsas, bet negalime to galutinai įrodyti. Tad matome dramblį greitintuvo tunelyje: jei tai Standartinis Higgsas, visų pirma, kaip jis ten išvis galėjo atsidurti?

Tačiau netgi tokiu atveju užtikrintas apibrėžimas priklauso nuo dalelės kvantinių savybių kruopščių matavimų. „Mūsų laukianti užduotis yra dešimt kartų sunkesnė, nei buvo pats atradimas“, – sako Dave‘as Newboldas iš Bristolio Universiteto (Didžioji Britanija), CMS darbo grupės narys.

Negana to, Standartinio modelio Higgsas turi skilti ne tik į sąveiką pernešančius bozonus, bet ir į materiją sudarančius fermionus. Čia reikalai drumstesni. Užregistruotas dalelės skilimas ir į du fotonus, o tai yra netiesioginis įrodymas, kad jis sąveikauja su sunkiausiu – aukščiausiuoju kvarku: pagal teoriją, Higgsas negali tiesiogiai sąveikauti su fotonais, nes neturi elektros krūvio, tad pirmiausiai skyla į porą aukščiausiųjų kvarkų ir antikvarkų, kurie savo ruožtu spinduliuoja fotonus. Kiti netvirti fermioniškos sąveikos įrodymai ateina iš JAV, kur tyrėjai (dabar jau nebeveikiančiame) Tevatrono greitintuve užregistravo dalelės skilimo į žemiausiąjį kvarką užuominą.

Bet ir CMS detektorius užfiksavo per mažai skilimų į τ (tau) leptonus, sunkesniuosius elektronų pusbrolius. Jeigu tai pasitvirtins, galėtų kilti konfliktas su Standartinio modelio prognozėmis. Ir ATLAS, ir CMS registruoja daugiau skilimų į fotonus, nei tikėtasi, galbūt signalizuodami apie naujus procesus už Standartinio modelio ribų.

Daryti tvirtas išvadas dar anksti. Kadangi gana gerai žinome naujosios dalelės masę – maždaug 125 GeV, arba 223 milijardosios milijardosios mikrogramo dalies – galime su maždaug vieno procento paklaida nustatyti jos skilimo į įvairias daleles spartą, jei tai Standartinio modelio Higgsas. Kadangi iki šiol užregistruota gana mažai skilimų, naujosios dalelės matavimų paklaidos ribos yra 20 ar net 30 procentų. Iki šių metų pabaigos ATLAS ir CMS turės maždaug pustrečio karto daugiau duomenų, nei prieš liepos pranešimą, bet to vis tiek nepakaks neužtikrintumui sumažinti iki reikiamo lygio. Tada LHC porą metų bus uždarytas atnaujinimui, po kurio galės sudaužti dar didesnių energijų protonus. „Tikriausiai artimiausiu metu nesužinosime apie naująją dalelę daug daugiau“, – abejoja D.Newboldas.

Fizikai šį vakuumą norėtų užpildyti nauju greitintuvu. LHC šiaip ar taip nėra idealus: jis sudaužia protonus, o šie yra maišai, kupini kvarkų ir kitų dalių, apsunkinančių matavimą. Tyrėjai užsiima švaresnio elektronų ir pozitronų greitintuvo statybos lobizmu, kuris galbūt iškiltų Japonijoje ir padėtų pabaigti Higgso bylą, tačiau tai irgi tolima perspektyva.

Tad turime dalelę, atrodančią kaip Standartinio modelio Higgsas, bet negalime to galutinai įrodyti. Tad matome dramblį greitintuvo tunelyje: jei tai Standartinis Higgsas, visų pirma, kaip jis ten išvis galėjo atsidurti?

Problema glūdi kvantų teorijos prognozėse, patvirtintose ankstesniu CERN greitintuvu – Didžiuoju elektronų ir pozitronų greitintuvu (LEPC). Dalelės spontaniškai absorbuoja ir spinduliuoja „virtualias“ daleles, pasiskolindamos energijos iš vakuumo. Kadangi Higgso bozonas pats surenka masę iš visko, ką paliečia, šie procesai turėtų priversti jo masę išsipūsti nuo 100 GeV zonos iki 1019 GeV. Šiame taške, vadinamame Planko dydžiu, fundamentaliosios jėgos pakvaišta ir gravitacija – santykinai silpniausia iš jų visų – tampa tokia pati stipri, kaip ir visos kitos. To pasekmė – nerami visata, kupina juodųjų bedugnių ir keisčiausiai iškraipytu erdvėlaikiu.

Sąmokslininkų paieška

Vienas būdas išvengti tokios katastrofos yra nustatyti problemas, keliančias virtualių dalelių fluktuacijas, taip, kad jos viena kitą panaikintų, pažabodamos Higgso masę ir padarydamos visatą panašesnę į tai, ką matome. Vienintelis būdas tai pasiekti, išlaikant teorinio išdidumo vaizdą, svarsto G.Altarellis, būtų šauktis sąmokslo, sukelto naujos gamtos simetrijos: „Bet jei yra sąmokslas, turi būti ir sąmokslininkai.“

Kol kas daugelis fizikų šiuos sąmokslininkus regi hipotetiniuose superpartneriuose, kitaip „s dalelėse“, numatytose supersimetrijos teorijoje. Viẽnos iš „s dalelių“ būtų visų standartinių dalelių partneriai, gražiai tarpusavyje neutralizuodamos fluktuacijas. Šios „s dalelės“ turi būti itin masyvios: LHC prisijungė prie ankstesnių dalelių greitintuvų, atmetančių jų egzistavimą mažesnės, nei tam tikra masės, kuri dabar yra maždaug 10 kartų didesnė, nei tariamojo Higgso.

Tai jau sukėlė stiprų spaudimą netgi paprasčiausiems supersimetrijos modeliams. Bet, pasak Jameso Wellso iš CERN teorinės grupės, dar ne viskas prarasta. Jei nepavyksta surasti mažos masės „s dalelių“, galima teoriją „pareguliuoti“, kad jų masė būtų didesnė. „Tikėjomės surasti Higgsą ir kad kartu bus rasta jo paramos grupė, tačiau nebūtinai tame pačiame energijos lygyje“, – sako jis.

Tačiau netgi šiuo atveju vartų negalima nustumti pernelyg toli: jei dalelės taps pernelyg sunkios, jos nestabilizuos Higgso masės įtikinamai „natūraliu“ būdu. „S dalelių“ užsidegus ieškoma ir kaip visatos tamsiosios materijos kandidačių. Naujausi pasiekimai buvo pristatyti Kiote praėjusią savaitę.Tikėtasi gauti netiesioginių supersimetrijos nuorodų iš kitų Standartinio modelio dalelių skilimo spartos anomalijų matavimo. Tačiau nieko nebuvo rasta, tad visų akys nukrypo į LHC, kai 2015-aisiais jis pradės veikti beveik dvigubai didesne dalelių sudaužimo energija. Atnaujintas LHC turėtų gebėti ištraukti masyvesnes daleles iš nebūties, o gal net radikalesnes daleles, pavyzdžiui, siejamas su papildomais erdvės matmenimis. Šios dalelės prisidėtų prie kito bandymo užpildyti tarpą tarp to, kur Higgsas „turėtų būti“ – Planko dydžio – ir kur jis išties yra.

Tačiau keisčiausia būtų, jei tarp Standartinio modelio tvirtai valdomų energijų ir Planko dydžio energijų, kur išsiskiria kvantų lauko teorijos ir Einšteino gravitacija, nebūtų nieko. Kaip paaiškintume didžiulį neatitikimą tarp Higgso tikrosios masės ir kvantų teorijos numatytosios?

Siūbuojant ant skardžio

Vienas sprendimas būtų tiesiog tai priimti. Jei viskas būtų ne taip, visų dalelių masės ir jų sąveikos būtų visai kitokios, mums pažįstama materija neegzistuotų ir nebūtų mūsų, kvaršinančių sau galvas tokiais klausimais. Toks paaiškinimas, naudojantis mūsų egzistavimą tam tikrų visatos savybių, kurių ši galėjo turėti, atmetimui, dažnai siejamas su daugelio visatų koncepcija – idėja, kad yra nesuskaičiuojama daugybė visatų, turinčių visus įmanomus fizikos dėsnių derinius. Daugeliui fizikų tai atrodo kaip išsisukinėjimas. „Tai tarsi išsisukinėjimas nuo gilesnio mūsų pasaulio paaiškinimo, ir mes nenorime pasiduoti“, – sako Jonas Butterworthas iš Londono universiteto koledžo (UCL), dirbantis ATLAS eksperimente.

„Scanpix“ nuotr./Didysis hadronų greitintuvas
„Scanpix“ nuotr./Didysis hadronų greitintuvas

Bet antrasis faktas apie naująją dalelę suteikia pauzę pamąstymui. Ne tik tai, kad jo 125 GeV masė yra daug mažesnė nei turėtų būti, – ji yra tokia maža, kokia tik gali būti, kad nenutemptų visatos į kitą katastrofišką transformaciją. Jeigu ji būtų vos keliais GeV lengvesnė, Higgso sąveikos stipris pasikeistų taip, kad žemiausia vakuumo energijos būsena nukristų žemiau nulio. Tada visata kuriuo nors metu galėtų netikėtai persiversti į šią keistą būseną, akimirksniu vėl pakeisdama visų dalelių ir sąveikų konfigūraciją ir sunaikindama tokias struktūras kaip atomai.

Dabar visata, panašu, stovi ant amžino stabilumo ir visiškos griūties sandūros. „Įdomus sutapimas, kad esame tiesiai ant šių dviejų fazių ribos“, – pastebi CERN teoretikas Gianas Giudice‘is, skaičiavęs 125 GeV Higgso egzistavimo implikacijas, vos LHC pasirodė pirmosios stiprios dalelės užuominos pernai metų gruodį.

Jis atsakymo nežino. Tačiau bet kokios naujos dalelės atradimas pakeis žaidimą. „Mokslo istorijoje daug klausimų, kurių atsakymai pasirodė nulemti išorinių, o ne fundamentalių sąlygų, – sako G.Giudice‘is. – Menkiausia naujos fizikos užuomina – ir mano skaičiavimai bus pamiršti.“

Higgso keverzonės, panašu, tapo tikrove – bet vardan įdomesnio pasakojimo tikimasi kokių nors vingrių.

Spino atspindžiai

Kad dalelė būtų pripažinta Higgso bozonu, ji turi įveikti keletą griežtų išbandymų. Pirmasis yra kvantinio spino reikšmė. Materijos dalelės, pavyzdžiui, elektronai-fermionai turi pusę spino. Sąveikas pernešančių bozonų spinų reikšmės yra sveikieji skaičiai: pavyzdžiui, fotonų spinas yra lygus vienam. Kad mums pažįstama fizika veiktų, Higgso laukas visur turi būti toks pats. Tai įmanoma tik tada, jei pats Higgsas neturi jokio spino. CERN LHC eksperimentų rezultatai jau neleidžia liepą paskelbtai dalelei būti kuo nors kitu, nei dalele, turinčia spiną 0 arba 2: ji suyra į fotonų poras, o spinų aritmetika to daryti neleidžia fermionams ar bozonams su spinu 1.

Chiara Mariotti iš LHC CMS mano, kad „labai tikėtina“, jog, remiantis turimais duomenimis, naujoji dalelė turi 0 spiną, bet reikia daugiau matavimų, kad būtume visiškai tikri.

Higgso lygiškumas turėtų būti lyginis – tai reiškia, kad jis turėtų elgtis lygiai taip pat, kaip ir veidrodiniame atspindyje. Spino ir lygiškumo išsiaiškinimas turėtų leisti fizikams aptikti bet kokius akivaizdžius neatitikimus, tarkime, naujos dalelės buvimą jau žinomų dalelių konglomeratu. Tai turėtų būti įmanoma atlikti su duomenimis, kuriuos LHC sukaups iki metų galo – tačiau tai tik proceso pradžia.

Technologijos.lt
Pažymėkite klaidą tekste, pele prispaudę kairijį pelės klavišą
Pranešti klaidą

Pranešti klaidą

Sėkmingai išsiųsta

Dėkojame už praneštą klaidą
Sužinokite daugiau
Parašykite atsiliepimą apie Mokslas.IT