ZNANOST: hrvatski znanstveni portal

Otkrivena nova čestica – postoji šansa da se radi o Higgsovom bozonu

Dugo i komplicirano putovanje prema otkriću Higgsovog bozona, koje je počelo malim koracima prije otprilike 25 godina, moglo bi konačno doći do cilja. Ovo su izvijestili znanstvenici LHC čestičnog akceleratora iz CERN-a, iz Europskog laboratorija za fiziku elementarnih čestica kod Ženeve.

Higgsov bozon je posljednji gradbeni blok koji nedostaje u „Standardnom modelu“ te opisuje strukturu materije u svemiru. On kombinira dvije prirodne sile i pokazuje da su one zapravo dio jedne fundamentalne sile. Ta čestica je odgovorna za postojanje mase u elementarnim česticama.

Znanstvenici Weizmann instituta bili su bitni sudionici od samog početka istraživanja. Prof. Giora Mikenberg je bio dugi niz godina voditelj istraživačke grupe koja je bila u potrazi za Higgsovim bozonom u CERN-ovom OPAL eksperimentu. Nakon toga vodio je ATLAS Muon Project – jedan od dva eksperimenta koji su s vremenom doveli do otkrića čestice. Prof. Ehud Duchovni je na čelu tima Weizmann instituta koji proučava druga ključna pitanja u CERN-u. Prof. Eliam Gross je trenutno sazivač ATLAS Higgs grupe fizičara.

Gross: „Ovo je najbitniji dan u mom životu. Tražio sam Higgs još otkada sam bio student u osamdesetima. Čak i nakon 25 godina je iznenađujuće. Bez obzira na to kako to nazvali – više ne tragamo za Higgsom, već mu mjerimo svojstva. Iako sam vjerovao da će biti otkriven, nikad nisam ni sanjao da će se dogoditi za vrijeme mog rada u globalnom istraživačkom timu.“

Većina nas shvaća svijet kao raznoliko i kompleksno mjesto. Ali fizičari među nama nisu zadovoljni vidljivom realnošću. Oni teže suštini te realnosti i žele vidjeti je li, kao što oni misle, bazirana na apsolutnoj jednostavnosti koja je prikazana u ranom svemiru. Očekuju da će proučavati spektar čestica koje du razni ansambli šačice elementarnih čestica. Znanstvenici se nadaju da će vidjeti ujedinjenje četiriju osnovnih sila prirode koje djeluju na te čestice (slaba sila odgovorna za radioaktivnost, elektromagnetska sila, snažna sila odgovorna za postojanje protona i neutrona i gravitacija).

Prvi korak k ujedinjenju sila bio je dovršen sa skoro sigurnim otkrićem Higgsove čestice: ujedinjenje dviju elementarnih sila – elektromagnetska i slaba sila, koje bi trebale postati elektroslaba sila.

Jedan aspekt Higgsovog bozona se manifestira tako da daje masu nositeljima slabe sile – „W“ i „Z“ čestice. (Nositelj elektromagnetske sile, foton, ostaje bez mase.)

Najveći stroj na svijetu
U naporu da se otkrije Higgsov bozon, znanstvenici su sagradili najveći stroj na svijetu: akcelerator čestica sakriven u 70 kilometarskom tunelu, 100 metara ispod granice između Francuske i Švicarske u Europskom laboratoriju za čestičnu fiziku, CERN, blizu Ženeve.

Ovaj akcelerator, LHC (Large Hadron Collider – Veliki hadronski kolajder), ubrzava zrake protona za 99.999998% brzine svjetlosti. Prema teoriji relativnosti, to povećava njihovu masu 7 500 puta. Akcelerator usmjerava zrake direktno jednu prema drugoj što uzrokuje kolizije koje oslobađaju toliko energije da protoni sami eksplodira. Uvjeti slični onima koji su postojali u svemiru u prvoj frakciji sekunde nakon Velikog praska očituju se u akceleratoru.

Rezultat je pretvaranje materije u energiju što se slaže s poznatom jednadžbom Alberta Einsteina, E=mc2, koja opisuje konverziju materije u energiju. Energija se zatim širi kroz prostor i sistem se hladi. (Nešto slično dogodilo se u ranoj evoluciji svemira.) Posljedično, energija se vraća u čestice materije i proces se ponavlja dok se ne formiraju čestice koje mogu postojati u realnosti.

Kolizije stvaraju  energetske čestice, a neke od njih postoje vrlo kratko. Jedini način na koji možemo razabrati njihovo postojanje je praćenje tragova koje ostavljaju za sobom. U ovu svrhu razvijeno je više detektora čestica i svaki od njih je optimiziran da uhvati određenu vrstu čestica.

Statistika
Vjerojatnost da se napravi Higgsov bozon u jednostavnoj koliziji slična je tome da se nasumično pronađe jedna živuća stanica željene biljke među svim biljkama na svijetu. Da bi se mogli nositi s ovim zadatkom, znanstvenici Weizmann instituta su, predvođeni profesorom Mikenbergom, razvili jedinstvene detektore čestica, proizvedene u Institutu, Japanu i Kini. Detektori su bili adaptirani da pronalaze mionske čestice. U nekima od rijetkih kolizija koje proizvode Higgs čestice, trag Higgs čestica – onaj koji je zapisan u detektorima – je četiri energetska miona.Stoga detekcija takvih miona pruža dokaze o postojanju Higgs čestice.

Znanstvenici su analizirali podatke tisuća trilijuna protonskih kolizija u kojima su Higgsovi bozoni stvoreni zajedno s mnogim drugim sličnim česticama. Dokaz koji ukazuje na postojanje Higgsa javlja se kroz potrage za anomalijama u prikupljenim podacima (uspoređuje se s očekivanim podacima ako takve čestica ne postoji). Ova pretraga se fokusira na procijenjenu masu čestice: 126 trilijuna elektronvolta (Gev). Kada znanstvenici uspiju pronaći takve anomalije, moraju odbiti mogućnost da se radi o statističkoj fluktuaciji.

Kalkulacije iznesene od strane znanstvenika u prošlih nekoliko tjedana, u kojima je profesor Gross igrao centralnu ulogu, otkrile su, s visokim stupnjem statističke točnosti, novu česticu s masom sličnom očekivanoj masi Higgsa. Riječi su namjerno birane s oprezom, da se ostavi mjesta za mogućnost da se radi o novoj čestici koja nije Higgs a ima isti raspon mase. Vjerojatnost da se doista radi o novoj čestici je vrlo mala. (Ali ako se ipak radi o novoj čestici, kažu neki fizičari, stvari će zasigurno biti „vrlo zanimljive.“)

CERN
Znanstvenici u CERN-u su razvili kompjuterski jezik i osnovni koncept koji je kasnije služio kao baza za osnivanje interneta. Zapravo, prvi server „World Wide Web“-a bio je aktiviran u CERN-u da bi se olakšala komunikacija među znanstvenicima širom svijeta koji su sudjelovali u eksperimentima koji su se provodili lokalno. Organizacija je također poslužila kao model za osnivanje Europske unije i njezin utjecaj na europsku tehnologiju i ekonomiju jednak je Američkom programu istraživanja svemira.

LHC akcelerator čestica se bazira na supravodljivim elektromagnetima koji rade na vrlo niskim temperaturama: manje od dva stupnja iznad apsolutne nule (minus 271°C). Proizvodi otprilike jedan bilijun kolizija čestica po sekundi: da su ljudi, bilo bi kao da svaki čovjek na planeti sretne svakog od 6 bilijuna ljudi svakih 6 sekundi. Proračunavanje i analiziranje podataka tih kolizija jednako je pokušaju da se razumije što svi naseljenici planete govore dok svaki od njih sudjeluje u 20 telefonskih razgovora odjednom.

Ovaj eksperimentalni sistem uključuje najveće svjetske supravodljive elektromagnete koji su napravljeni u udruženju s izraelskim kompanijama. Cijela struktura uključuje 10 000 detektora radijacije odmaknutih jedan od drugoga svega jedan milimetar, ima volumen od 25 000 kubnih metara te ima pola milijuna elektroničkih kanala. Većina detektora mionske radijacije bili su sagrađeni od komponenta napravljenih u Izraelu. Jedinstveni laserski sistem prati točnu lokaciju detektora s točnošću od 25 mikrona (pola debljine ljudske kose).

Izvor: Weizmann Institute of Science 

Podijeli.