Nobelova nagrada za fiziko 2013

Teden razglasitev prejemnikov Nobelovih nagrad se nadaljuje z nagrado za fiziko, katere prejemnike je Švedska kraljeva akademija znanosti razglasila danes. Za teorijo, zakaj imajo delci maso, si bosta Nobelovo nagrado za fiziko v vrednosti milijona evrov razdelila belgijski fizik François Englert in britanski fizik Peter Higgs. Nagrado uradno prejmeta za teoretično odkritje mehanizma, ki pomaga razumeti izvor mase subatomskih delcev, ki sta ga potrdila poizkusa ATLAS in CMS v velikem hadronskem trkalniku (LHC) v švicarskem CERN-u. Prejemnika sta že pred samo razglasitvijo veljala za velika favorita.

Englert in Higgs sta leta 1964 ločeno predstavila teorijo, od kod izvira masa subatomskih delcev. Standardni model vesolja, ki dobro opisuje dogajanje na subatomskem nivoju, namreč mase kot osnovne lastnosti delcev ne potrebuje. V resnici je še huje: če poizkusimo maso vpeljati vanj, rezultati niso uporabni. Standardni model predpostavlja, da so osnovni delci kvarki (šest jih je, dva med njimi sta gradnika protonov in nevtronov) in leptoni (med njimi najdemo tudi elektron).

Vendar pa vemo, da imajo osnovni delci maso (hadroni in leptoni). Brez mase so le umeritveni bozoni, ki so posebni virtualni delci, zadolženi za prenos interakcije (gluoni za močno interakcijo, W in Z bozoni za šibko in fotoni za elektromagnetno interakcijo). Zgodba o teh virtualnih delcih je zelo zanimiva, saj obstajajo le omejen čas (omejitev izvira iz Heisenbergovega principa nedoločenosti) in prenašajo interakcijo, potem pa izginejo, kakor da jih ne bi nikoli bilo; razen če naletijo ravno na drugi delec, kamor morajo prenesti informacijo o interakciji, ko postanejo pravi realni delci. Na ta način poteka izmenjava informacije o statični interakciji med dvema delcema s 100 %-izkoristkom in brez izgubljanje energije, kar bi bilo sicer nemogoče. Drugi, ekvivalentni opis interakcij so vektorska bozonska polja, ki jih tvorijo delci z ustreznim nabojem in jih prenašajo ti bozoni.

Teorija torej odlično deluje in se sklada z eksperimentalnimi podatki, le masa ji predstavlja problem. Zato je sredi 60. let kazalo, da se bo standardni model moral umakniti nekemu boljšemu, tedaj še neznanemu modelu. Rešila sta ga prejemnika letošnje Nobelove nagrade.

Englert, skupaj s sedaj že pokojnim Robertom Broutom, ki bi bil bržkone tudi prejel Nobelovo nagrado, če bi še živel, in Higgs sta takrat predlagala mehanizem, ki maso pojasni. Eden izmed načinov opisa interakcij med delci so tudi polja, ki jih delci povzročijo v prostoru in s katerimi je prostor prepreden. Za maso delcev je odgovorno Higgsovo polje, ki je prisotno po vsem prostoru. Masa delca je potemtakem le jakost njegove interakcije s Higgsovim bozonom. Elektron z njim reagira šibko, zato je lahek, medtem ko so kvarki precej težji.

Higgsov bozon, ki ga mediji neposrečeno imenujejo tudi božji delec, je nosilec oziroma najmanjši kvant Higgsovega polja. Slednje je namreč kvantizirano in ne more zavzeti poljubnih stanj. Vse skupaj je v resnici še bolj nenavadno, saj je njegova najnižja mogoča vrednost večja od nič. To je pomembno, saj tako ne more ugasniti, kar bi povzročilo, da bi se sestavljeni delci razleteli, ker bi naenkrat njihovi sestavni deli začeli potovati s svetlobno hitrostjo, kot se to nujno zgodi brezmasnim delcem. Higgsovo polje je nenavadno tudi zato, ker je med vsemi bozonskimi polji edino skalarno in ker interagira samo s seboj; slednje opazimo tako, da ima tudi Higgsov bozon svojo maso. To ni nov pojav, ker na primer tudi gluoni (nosilci močne sile, ki povezuje kvarke) interagirajo sami s seboj, kar prinese zanimive posledice. Ena izmed njih je ta, da se sila med kvarkoma z naraščajočo razdaljo povečuje, dokler ni tako velika, da se tvori nov par kvarkov. Postopku pravimo hadronizacija (hadroni sestojijo iz kvarkov) in preprečuje, da bi lahko opazovali izolirane kvarke.

Zelo pomemben pa je spontani zlom simetrije, ki ga predpostavlja Higgsovo polje. Zlom se je zgodil takoj po velikem poku, kakšnih 10^-11 sekunde po poku. S tem se je elektrošibka interakcija ločila na elektromagnetno interakcijo (prenašajo jo brezmasni fotoni) in šibko interakcijo (prenašajo jo masivni bozoni Z in W), hadroni pa so pridobili maso. Zlom simetrije si lahko predstavljamo tako, da se je Higgsovo polje odkotalilo iz simetričnega položaja v položaj z nižjo energijo, a manjšo simetrijo (glej sliko).

Nazaj k Higgsovemu polju. Obstoj Higgsovega bozona je lani potrdil švicarski trkalnik LHC v ogromnem znanstvenem projektu, v katerem sodeluje več tisoč znanstvenikov, med njimi tudi precej Slovencev. LHC deluje tako, da v krožno cev pod zemljo vbrizgnejo delce (recimo protone), ki jih v krožni cevi pospešujejo, dokler ne dosežejo skoraj svetlobne hitrosti. Dva curka, ki krožita v nasprotnih smereh, imata skupaj toliko energije kot tovorni vlak. Potem ju trčijo skupaj, pri čemer iz te energije nastanejo novi, eksotični delci, ki takoj spet razpadejo. Iz teh razpadnih produktov je mogoče izračunati, kaj je nastalo takoj po trku. In CERN je ugotovil, da so nastali tudi Higgsovi bozoni.

Zgodba o Higgsovem bozonu je v več primerih izjemna. Higgs je leta 1964 članek o tem za Physical Review Letters napisal v dveh tednih, pa so mu recenzentje zavrnili objavo, ker da je kvantna teorija polja premalo uporabna in preveč specializirana zadeva. Zato je Higgs moral dodati nekaj praktičnih posledic, med katerimi je navedel tudi Higgsov mehanizem zlomitve simetrije. Higgs je bil tedaj prepričan, da za časa njegovega življenja potrditve teorije ne bo. Skoraj petdeset let pozneje, objava je bila 4. julija 2012, je več milijard vreden raziskovalni mastodont v Švici, pri katerem sodelujejo znanstveniki s celega sveta, odkril dokaze za obstoj Higgsovega bozona. Ostalo je zgodovina.

Delo seveda še ni končano, saj standardni model ne vključuje gravitacije. Nadaljuje se iskanje teorije poenotenja, ki bi združila kvantni standardni model in splošno relativnost z gravitacijo.