Wczesnym rankiem 4 lipca 2012 roku fizycy z CERN-u zajmujący się Wielkim Zderzaczem Hadronów (LHC) ogłosili odnalezienie cząstki, która zachowuje się podobnie do bozonu Higgsa. O tym doniosłym dla fizyki cząstek elementarnych odkryciu rozmawiam z dr Piotrem Zalewskim z Narodowego Centrum Badań Jądrowych, jednym z naukowców biorących udział w eksperymencie CMS przy LHC w CERN.
REKLAMA
Czym jest bozon Higgsa? Jakie jest jego znaczenie dla Modelu Standardowego i ogólnie rzecz biorąc fizyki cząstek elementarnych?
Piotr Zalewski: Uczciwie rzecz biorąc na to pytanie nie da się odpowiedzieć na poziomie popularnym. Bez posługiwania się matematyczną strukturą modelu można tylko podawać analogie, a końcowy rezultat może być odmienny od oczekiwanego.
Bozon Higgsa jest jakby skamienieliną pochodzącą z okresu, kiedy tuż po Wielkim Wybuchu oddziaływanie elektrosłabe rozdzieliło się na dobrze znane oddziaływanie elektromagnetyczne i oddziaływanie słabe biorące udział w większości przemian jądrowych. Istnienie Bozonu Higgsa świadczy o tym, że Model Standardowy jest nie tylko efektywnym (choć niezwykle efektownym) opisem rzeczywistości, ale że należy go traktować jako opis fundamentalny. Ma to kluczowe znaczenia dla rozwiązywania problemów, które pozostają otwarte w ramach Modelu Standardowego.
Bozon Higgsa jest emanacją mechanizmu Higgsa (tu powinno się wymienić więcej nazwisk), który jest najbardziej zaskakującym elementem konstrukcji Modelu Standardowego. Mechanizm ten pozwala na nadanie mas cząstkom, o których wiemy, że masy mają, a bez tego mechanizmu nie mogłyby ich mieć bez destrukcji tego modelu.
Istnienie bozonu Higgsa jest ostatnim nie sprawdzonym doświadczalnie (lub właśnie sprawdzonym) przewidywaniem Modelu Standardowego. Jest to swoiste samouzgodnienie, które jednak bardziej niż zwieńczeniem jest oknem prowadzącym do nowych pytań.
W jaki sposób doszło do jego odkrycia w genewskim ośrodku CERN?
Po pierwsze nazywanie ośrodka CERN genewskim jest trochę mylące, bo to jest ośrodek europejski (w kilku procentach również nasz, polski), który tylko znajduje się pod Genewą, a działający tam Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), jest już przedsięwzięciem ogólnoświatowym.
Jeżeli chodzi o odkrycie, to nie wiadomo jeszcze, czym dokładnie jest to co odkryliśmy. Bozon Higgsa z Modelu Standardowego to tylko jedna z wielu możliwości. Fascynująca, ale inne są jeszcze ciekawsze. Na rozróżnienie tych scenariuszy jest jeszcze za wcześnie. Poszukiwanie tej cząstki jest jednym z podstawowych celów naukowych projektu LHC, który działa lepiej niż się spodziewaliśmy. Wiadomo było, że po zarejestrowaniu biliarda (miliarda milionów) zderzeń proton-proton przy energii odpowiadającej rozpędzeniu ich potencjałem kilku bilionów wolt, będziemy mogli wykluczyć istnienie tej cząstki lub ogłosić, że widzimy sygnał zgodny z hipotezą jej istnienia. Natura właśnie wybrała tę drugą możliwość.
Na czym polegają eksperymenty ATLAS i CMS?
W tym wypadku słowo ,,eksperyment'' to skrót myślowy oznaczający kilkutysięczny zespół badawczy posługujący się zbudowanym przez siebie detektorem o tej samej nazwie oraz dodatkową infrastrukturą informatyczną. ATLAS i CMS to dwa najbardziej wszechstronne detektory działające przy LHC. Tylko one są wystarczająco wrażliwe na sygnał pochodzący od produkcji bozonu Higgsa. Jest to możliwe dzięki instrumentacji prawie pełnego kąta bryłowego wokół punktu oddziaływania, za pomocą poddetektorów zdolnych rozpoznać i zmierzyć wszystkie rodzaje cząstek wtórnych. Za pomocą każdego detektora przeprowadza się kilkaset eksperymentów-badań jednocześnie. Kilkadziesiąt z nich dotyczy poszukiwania bozonu Higgsa.
Badania te polegają, po pierwsze, na obsłudze samego detektora, który musi być zdolny wybrać w czasie rzeczywistym podklasę interesujących przypadków (rezultatów zderzeń proton-proton) i je zapisać. Już na tym etapie każdy przypadek jest wstępnie rekonstruowany. Oznacza to odczyt kilkudziesięciu milionów kanałów elektroniki, przesłanie tej informacji na odległość kilkudziesięciu metrów (już w tym czasie zachodzi z tuzin następnych przypadków) ich wstępna rekonstrukcja (czyli łączenie oraz obróbka informacji dotyczących tych samych cząstek wtórnych rejestrowanych przez poszczególne warstwy detektora). Ilość przesyłanych informacji jest porównywalna z całym ruchem teleinformatycznym w Europie, a tu chodzi o to, żeby je jeszcze przeanalizować i mieć gotową odpowiedź co 25ns czyli 40 milionów razy na sekundę. Pracę tę wykonuje najpierw specjalnie zaprojektowana maksymalnie zrównoleglona elektronika działająca w trybie potokowym, a następnie farma procesorów.
Po drugie, te wstępnie wybrane przypadki analizuje się porównując z podpróbkami kontrolnymi uzyskanymi bezpośrednio z detektora oraz wysymulowanymi próbkami poszukiwanych sygnałów. Ten etap jest realizowany za pomocą ogólnoświatowej informatycznej sieci rozproszonej GRID. Następnie przeprowadza się zaawansowaną analizę statystyczną. W przypadku poszukiwania bozonu Higgsa chodzi między innymi o integrację od kilku do kilkudziesięciu odrębnych analiz.
'/%3e%3cpath%20class='cls-2'%20d='M212.89,56.37v51.7h-19V56.37H173.83v-16h59.11v16H212.89Z'%20transform='translate(0%200)'/%3e%3c/svg%3e)
Jakie znaczenie ma odkrycie bozonu Higgsa dla naszego przyszłego zrozumienia Wszechświata?
Odkrycie to (bez względu na to, czy to jest standardowy (najprostszy) bozon Higgsa, czy jakaś jego jeszcze ciekawsza odmiana) można porównać do drogowskazu. Wiemy, że zawiera on wskazówkę co dalszej drogi, ale jakiś czas zajmie nam odczytywanie tej instrukcji, już o podążaniu zgodnie z nią nie wspominając.
Czy w fizyce możemy spodziewać się rewolucji?
Odkąd na nowo zrozumieliśmy (na nowo, bo tę myśl można znaleźć np. już u sofistów), że możemy jedynie konstruować coraz lepsze modele rzeczywistości, których badanie sprowadza się do określenia granic ich stosowalności, fizyce raczej nie grożą rewolucje. Zmiany są bardziej ewolucyjne. Model Standardowy można porównać do dinozaura, który od 40 lat umacnia swoją dominację. Nie było tylko pewności, czy dinozaury wykluwają się z jaj. Po 4 lipca wygląda na to, że tak, ale w ewolucyjnej kolejce czekają już ptaki też rozwijające się z jajek. A nawet gdyby okazało się, że dominację zdobędą od razu ssaki, to przecież ich rozwój embrionalny jest podobny, choć u bardziej rozwiniętych ssaków nie zachodzi w jaju.
Inaczej mówiąc Modelowi Standardowemu nie groziło wyrzucenie do kosza, nawet wtedy, gdyby okazało się, że bozon Higgsa nie istnieje (w zasadzie nadal nie mamy pewności, ale nie dzielmy włosa na czworo). Zupełnie tak samo, jak zasadom mechaniki Newtona, za pomocą których nadal budowane są najwymyślniejsze konstrukcje (włączając w to LHC i jego detektory), pomimo odkrycia ograniczeń stosowalności tych zasad (zawodzą, przy prędkościach bliskich prędkości światła).
Czy można powiedzieć, że po tym odkryciu zmienił się nasz obraz rzeczywistości?
Tak, pewna zmiana jednak się dokonała. Wbudowany w Model Standardowy Mechanizm Higgsa przewiduje istnienie bozonu Higgsa, który jest jedyną cząstką pozbawioną spinu (wewnętrznego momentu pędu). Za pomocą takiej cząstki nie da się wyróżnić jakiegokolwiek kierunku w przestrzeni, a wszystkie pozostałe znane cząstki na to pozwalają. Takie cząstki jak bozon Higgsa nazywamy skalarami i właśnie się dowiadujemy, że Natura jednak ma je w swoim arsenale. Nawet wiemy po co. Tylko za ich pomocą można w każdym punkcie czasoprzestrzeni mieć dostępną pewną wielkość mówiącą o tym jaką wzajemną siłę mają mieć oddziaływania słabe i elektromagnetyczne. Inaczej mówiąc jest to informacja o tym jak rozdzielone zostały oddziaływania elektromagnetyczne i słabe.
Sytuacja jest to bardzo podobna do kawałka ferromagnetyka poniżej temperatury Curie. Ferromagnetyk ma w takiej sytuacji wszystkie dipole magnetyczne ustawione w jedną stronę. Taki wybór kierunku dokonuje się samorzutnie (spontanicznie). Podobnie jest z ołówkiem postawionym na zaostrzonym końcu. Dopóki stoi układ ma symetrię obrotową, ale ponieważ jest w stanie równowagi chwiejnej, to musi upaść i wtedy ta symetria przestaje być widoczna.
Zmiana, która dokonuje się wraz z odkryciem bozonu Higgsa polega na tym, że bardziej dosłownie trzeba traktować następujący obraz. Wygląda na to, że cały dostępny obserwacji wszechświat, jest jakby kryształem z wyróżnionym kierunkiem w pewnej abstrakcyjnej przestrzeni, a wybór ten dokonał się spontanicznie tuż po Wielkim Wybuchu. To budzi wiele pytań, od których przytoczenia się powstrzymam.
Co dokładnie oznacza wskaźnik 5 sigma?
Jest to miara istotności statystycznej (ang. significance, używane jest też słowo znaczącość). Istotność na poziomie 5 sigma oznacza, że prawdopodobieństwo uzyskania takiego samego wyniku na skutek fluktuacji tła jest jak trzy do miliona. Zwyczajowo, przy tym poziomie istotności sygnał uznaje się za odkrycie, przy mniejszym można mówić tylko o indykacji, że coś nowego widać, a jeżeli poziom istotności jest mniejszy niż 3 sigma (prawdopodobieństwo jak jeden do tysiąca) to sygnał po prostu jest traktowany jako fluktuacja tła. Sama litera grecka sigma jest parametrem gaussowskiego rozkładu prawdopodobieństwa (i stąd przeliczenie liczby sigm na prawdopodobieństwo), który odpowiada tzw. odchyleniu standardowemu (pierwiastkowi wariancji) tego rozkładu.
Odkrycie bozonu Higgsa można porównać do...?
Nie ma dobrego porównania. Jeżeli Model Standardowy unifikujący oddziaływanie elektromagnetyczne i słabe porównamy do teorii elektromagnetyzmu Maxwella, to odkrycie czegoś wyglądającego jak bozon Higgsa można porównać do odkrycia fotonu. Lepsze chyba jest jednak porównanie do odkrycia nowej drogi do Indii, które okazało się odkryciem Ameryki.
Jaka była Pana rola w odkryciu bozonu Higgsa? Czym się Pan specjalizuje w CERN?
Odkrycie ma charakter zespołowy, więc mówienie o roli pojedynczych osób nie ma, moim zdaniem, większego sensu. Od prawie 20 lat jestem członkiem warszawskiej grupy eksperymentu CMS (http://cms.fuw.edu.pl/), w skład której wchodzi około 20 osób z trzech instytucji: Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Narodowego Centrum Badań Jądrowych (którego jestem pracownikiem) oraz Politechniki Warszawskiej. Grupa ta podjęła się zaprojektowania, wykonania, uruchomienia i utrzymywania w ruchu elektroniki obsługującej jeden z ośmiu głównych podsystemów detektora CMS. Chodzi o system wyzwalania detektora na odpowiednio energetyczne miony (jedyne cząstki naładowane zdolne opuścić detektor) działający w oparciu o tzw. komory gazowe dużej oporności. Same komory zostały zbudowane przez współpracujących z nami naukowców z Włoch, Korei Południowej, Pakistanu i Chin. W konstrukcji systemu przesyłania danych pomagali nam jeszcze koledzy z Finlandii, ale zbierający wszystko w jedną całość system przetwarzania informacji działający w czasie rzeczywistym jest już wyłącznie naszą zasługą. Kilka analiz, w których poszukujemy (my, czyli CMS) bozonu Higgsa wykorzystuje właśnie mionowe kanały rozpadu tej cząstki.
Zajmujemy się również prowadzeniem kilku analiz, wśród których jest jeden z kanałów rozpadu bozonu Higgsa, który ma odpowiedzieć na pytanie o dokładną naturę odkrytego sygnału. Ja jestem odpowiedzialny za udział naszej grupy w poszukiwania w ramach jednego ze scenariuszy rozszerzających Model Standardowy. Pracę tę można wykonywać bez ruszania się z Warszawy. W CERN jestem tylko od czasu do czasu, ale prawie przez cały czas ktoś z naszej grupy tam jest.
Ostatnią sferą naszej działalności jest nadzorowanie znajdującej się w Polsce części infrastruktury informatycznej GRID wykorzystywanej przez CMS.
Jakich doniosłych odkryć fizycznych możemy się jeszcze spodziewać w CERN w bliższej bądź dalszej przyszłości?
CERN to nie tylko LHC, a jeżeli już LHC, to nie tylko ATLAS i CMS (i nie tylko zderzenia protonów, bo również jąder ołowiu, które bada także dedykowany eksperyment ALICE). Pozwolę sobie ograniczyć odpowiedź do badania bozonu Higgsa i poszukiwania rozszerzeń Modelu Standardowego.
Jeszcze w tym roku, mamy potroić ilość zebranych danych, więc należy się spodziewać istotnej poprawy ostrości widzenia bozonu Higgsa. Ostateczne wyniki tegorocznego sezonu ukażą się w przyszłym roku.
Jeżeli chodzi o poszukiwanie rozszerzeń Modelu Standardowego, to zacznijmy od poszukiwania odchyleń od przewidywań tego modelu w bardzo wielu precyzyjnych pomiarach. Istotny wkład w ten wysiłek ma LHCb czwarty eksperyment LHC, który specjalizuje się w fizyce kwarków c i b, najcięższych występujących w stanach związanych. Niektóre pomiary jest on w stanie wykonać bardziej precyzyjnie niż ATLAS i CMS. W tej dziedzinie regularnie publikowane są znaczące wyniki, które ograniczają swobodę konstrukcji modeli wykraczających poza Model Standardowy.
Prowadzimy wreszcie bezpośrednie poszukiwania cząstek, których w Modelu Standardowym nie ma. Jest bardzo wiele modeli, które bierzemy pod uwagę, te modele mają wiele parametrów, więc poszukiwania są prowadzone na bardzo szeroką skalę. Nie przywiązujemy się w nich zresztą do konkretnych rozwiązań teoretycznych, tylko prowadzimy poszukiwania we wszelkich możliwych do pomyślenia konfiguracjach stanów końcowych. Znalezienie czegokolwiek, byłoby odkryciem jeszcze bardziej znaczącym niż odkrycie Higgsa. Niestety nie mamy pewności, że coś znajdziemy (w przypadku bozonu Higgsa wiedzieliśmy, że albo go znajdziemy albo jego istnienie w ramach Modelu Standardowego wykluczymy). Mamy jednak dwie bardzo ważne przesłanki.
Po pierwsze wiemy, że we Wszechświecie jest kilka razy więcej ciemnej materii niż zwykłej materii. Ta ciemna materia powinna składać się z nieznanych cząstek o dużej masie. Jest spora szansa, że cząstki te są w zasięgu LHC, tym bardziej, że po dłuższej przerwie 2012/2013 energia wiązek protonów ma się podwoić.
Po drugie, istnienie cząstki Higgsa bez jakiegoś rozszerzenia Modelu Standardowego wymaga (z teoretycznego punktu widzenia) niezwykle precyzyjnego kasowania się pewnych wielkości, czego można by uniknąć, gdyby tzw. nowa fizyka była ,,tuż za rogiem''.
Gwarancji uzyskania naprawdę znaczącego odkrycia nie ma, jest jednak uzasadniona nadzieja.
Dziękuję za odpowiedzi.
Sędziwy profesor Peter Higgs, który postulował istnienie bozonu Higgsa już w latach 60-tych wypowiada się o przełomowym odkryciu tejże cząstki w CERN.
Strona warszawskiej grupy CMS: http://cms.fuw.edu.pl/
Nie przegap żadnej ważnej wiadomości i obserwuj nas w Google News!