Cząstka na końcu Wszechświata

Cząstka

na końCu

WszeChśWiata

W serii ukazały się:

w 2012 roku:

Richard Dawkins Samolubny gen

Ian Stewart Dlaczego prawda jest piękna. O symetrii w matematyce i fizyce

Günter Nimtz

Przestrzeń czasu zerowego. Tunelowanie kwantowe i prędkości nadświetlne

Astrid Haibel

Ian Stewart Stąd do nieskończoności.

Przewodnik po krainie dzisiejszej matematyki

John D. Barrow Księga wszechświatów

Shing-Tung Yau

Geometria teorii strun. Ukryte wymiary przestrzeni

Steve Nadis

Leon Lederman

Boska cząstka. Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?

Dick Teresi

David A. Weintraub Ile lat ma Wszechświat. Wielkie pytanie i wielka podróż ku odpowiedzi

Brian Greene Ukryta rzeczywistość. W poszukiwaniu wszechświatów równoległych

Ian Sample Peter Higgs. Poszukiwania boskiej cząstki

w 2013 roku:

Lisa Randall Pukając do nieba bram. Jak fizyka pomaga zrozumieć Wszechświat

Paul Davies Milczenie gwiazd. Poszukiwania pozaziemskiej inteligencji

Leon Lederman

Zrozumieć niepojęte. Fizyka kwantowa i rzeczywistość

Christopher Hill

Frank Close Zagadka nieskończoności.

Kwantowa teoria pola na tropach porządku Wszechświata

Stephen Oppenheimer Pożegnanie z Afryką. Jak człowiek zaludniał świat…

Bruce Rosenblum Zagadka teorii kwantów. Zmagania fizyki ze świadomością

w 2014 roku:

Lawrence M. Krauss Wszechświat z niczego. Dlaczego istnieje raczej coś niż nic

Jim Baggott Higgs. Odkrycie boskiej cząstki

Caleb Scharf Silniki grawitacji. Jak czarne dziury rządzą galaktykami i gwiazdami

Sean Carroll

Cząstka

na końCu

WszeChśWiata

Bozon higgsa

i nowa wizja rzeczywistości

Przełożyli

Bogumił Bieniok

i Ewa L. Łokas

Tytuł oryginału

THE PARTICLE AT THE END OF THE UNIVERSE

How the Hunt for the Higgs Boson Leads Us to the Edge of a New World

Projekt okładki

Prószyński Media

Ilustracja na okładce

Zbigniew Larwa / CERN

Redaktor serii

Adrian Markowski

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Anna Kaniewska

Łamanie

Jacek Kucharski

ISBN 978-83-7961-036-5

Warszawa 2014

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Druk i oprawa

Drukarnia TINTA

13-200 Działdowo, ul. Żwirki i Wigury 22

www.drukarniatinta.pl

Spis treści

Prolog

. . . . . . . . . . . . . . 11

Rozdział 1 . Sedno

. . . . . . . . . . . . . . 19

Rozdział 2 . W obliczu boskości

. . . . . . . . . . . . . . 33

Rozdział 3 . Atomy i cząstki

. . . . . . . . . . . . . . 55

Rozdział 4 . Historia akceleratorów

. . . . . . . . . . . . . . 74

Rozdział 5 . Największe urządzenie w historii

. . . . . . . . . . . . . . 98

Rozdział 6 . Wiedza płynąca ze zderzeń

. . . . . . . . . . . . . 119

Rozdział 7 . Cząstki w falach

. . . . . . . . . . . . . 145

Rozdział 8 . Po drugiej stronie pękniętego lustra . . . . . . . . . . . . . 168

Rozdział 9 . Głośne owacje

. . . . . . . . . . . . . 200

Rozdział 10 . Głoszenie dobrej nowiny

. . . . . . . . . . . . . 233

Rozdział 11 . Marzenia o Noblu

. . . . . . . . . . . . . 260

Rozdział 12 . Poza horyzontem

. . . . . . . . . . . . . 299

Rozdział 13 . Dlaczego warto o to walczyć

. . . . . . . . . . . . . 331

Dodatek 1 . Masa i spin

. . . . . . . . . . . . . 349

Dodatek 2 . Cząstki Modelu Standardowego

. . . . . . . . . . . . . 361

Dodatek 3 . Cząstki i ich oddziaływania

. . . . . . . . . . . . . 368

Literatura uzupełniająca

. . . . . . . . . . . . . 380

Podziękowania

. . . . . . . . . . . . . 386

Indeks

. . . . . . . . . . . . . 389

Mojej mamie,

która zaprowadziła mnie kiedyś do biblioteki

Ludzie nie zdają sobie sprawy, jak duże znaczenie

ma nowa rzeczywistość

Joe Incandela, rzecznik zespołu detektora CMS

prowadzącego badania w Wielkim Zderzaczu Hadronów

Prolog

JoAnne Hewett jest wyraźnie oszołomiona, ale uśmiecha się szeroko,

mówiąc z przejęciem do obiektywu kamery . Na przyjęciu w szwajcar-

skim konsulacie w San Francisco słychać głośny szum rozmów pod-

ekscytowanych gości . To wyjątkowa okazja do świętowania: w tunelu

Wielkiego Zderzacza Hadronów niedaleko Genewy zaczęły krążyć

pierwsze protony . Wielki Zderzacz Hadronów, w skrócie LHC od ang .

Large Hadron Collider, to olbrzymi akcelerator cząstek wybudowany

pod granicą francusko-szwajcarską, który ma posłużyć uczonym do

odkrycia tajemnic Wszechświata . Szampan leje się szerokim strumie-

niem i trudno się temu dziwić

. Hewett mówi podniesionym głosem,

akcentując każde słowo:

– Czekałam na ten dzień Dwadzieścia . Pięć . Lat .

To była wielka chwila . Właśnie wtedy, w 2008 roku, fizycy osiągnęli

w końcu to, o czym marzyli od dawna i co ich zdaniem było konieczne,

by móc uczynić kolejny wielki krok naprzód: uruchomili gigantyczny

akcelerator cząstek umożliwiający zderzanie ze sobą protonów rozpędzo-

nych do bardzo dużej energii . Przez chwilę wydawało się, że urządzenie

takie powstanie w Stanach Zjednoczonych, ale wypadki potoczyły się

inaczej, niż planowano . W 1983 roku, gdy Kongres zatwierdził budowę

* Wpis JoAnne Hewett na blogu „Cosmic Variance” z 11 września 2008 roku:

http://blogs .discovermagazine .com/cosmicvariance/2008/09/11/giddy-phy-

sicists/ .

Nadprzewodzącego Superzderzacza (w skrócie SSC, od ang .

Super

conducting Super Collider) w Teksasie, Hewett rozpoczynała dopiero

studia . Zgodnie z założeniami SSC miał rozpocząć pracę przed rokiem

2000 i byłby wówczas największym akceleratorem, jaki kiedykolwiek

powstał . Podobnie jak wielu innych utalentowanych i ambitnych fizyków

jej pokolenia, Hewett wierzyła, że dzięki odkryciom dokonywanym

za pomocą tego urządzenia będzie mogła rozwinąć wspaniałą karierę

naukową .

Ostatecznie jednak zaniechano budowy SSC i fizycy pełni nadziei,

że dzięki temu urządzeniu będą mieli pełne ręce roboty przez najbliższe

dziesięciolecia, stracili nagle grunt pod nogami . Teraz w Wielkim Zde-

rzaczu Hadronów, podobnym pod wieloma względami do tego, czym

mógł być SSC, już wkrótce zacznie krążyć pierwsza wiązka i Hewett

wraz z kolegami jest na to gotowa jak nigdy .

– W ciągu ostatnich dwudziestu pięciu lat brałam na warsztat każdą

nową szaloną teorię fizyczną i wyznaczałam jej sygnaturę [parametry

pozwalające rozpoznać nowe cząstki] w SSC lub LHC – mówi .

Jest jeszcze jedna, bardziej osobista przyczyna, dla której czuła się

wówczas tak oszołomiona . Na ekranie widać, że jej rude włosy są przycięte

bardzo krótko, niemal po wojskowemu . Nie wynika to jednak z naj-

nowszych trendów mody . Przed kilkoma miesiącami dowiedziała się,

że ma inwazyjnego raka piersi, który w jednym przypadku na pięć może

okazać się śmiertelny . Zdecydowała się na niezwykle agresywne lecze-

nie obejmujące chemioterapię silnymi lekami i niekończące się zabiegi

chirurgiczne . Jej piękne rude włosy, sięgające zwykle do pasa, szybko

zniknęły . Uśmiechając się, przyznaje, że czasami na duchu podtrzymy-

wały ją rozmyślania o tym, jakie to nowe cząstki uda się odkryć w LHC .

Znamy się z JoAnne już od wielu lat, jako koledzy po fachu i przyja-

ciele . Ja zajmuję się głównie kosmologią, czyli badaniem Wszechświata

jako całości, a od pewnego czasu mamy w tej dziedzinie złoty okres

przejawiający się zalewem nowych informacji i zaskakujących odkryć .

Natomiast fizyka cząstek, nieodłączna towarzyszka kosmologii, od lat

Cząstka na końcu Wszechświata

cierpiała na brak nowych danych doświadczalnych, które mogłyby za-

chwiać podstawami ustalonych teorii i doprowadzić do odkrycia no-

wych idei . Taki stan rzeczy doskwierał uczonym przez bardzo długi

okres . Gordona Wattsa z Uniwersytetu Stanu Waszyngton w Seattle,

jednego z fizyków zaproszonych na przyjęcie, zapytano, czy to długie

oczekiwanie na uruchomienie LHC było stresujące .

– Och, bez wątpienia – odparł . – Jak widzicie, trochę już posiwia-

łem . Moja żona twierdzi, że to z powodu naszego dziecka, ale ja wiem,

że tak naprawdę przyczynił się do tego LHC .

W fizyce cząstek rozpoczyna się nowa epoka, w której jedne teorie

legną w gruzach, a inne potwierdzą swoją słuszność . Każdy z fizyków

obecnych na przyjęciu ma swój ulubiony model – teorię obejmującą

bozony Higgsa, supersymetrię, technikolor, dodatkowe wymiary lub

ciemną materię – będący kłębowiskiem egzotycznych idei, z których

wynikają fantastyczne wnioski .

– Ja mam nadzieję, że badania w LHC pokażą, iż żadna z tych teo-

rii nie odpowiada prawdzie – mówi z entuzjazmem Hewett . – Jestem

święcie przekonana, że czeka nas duże zaskoczenie, ponieważ natura jest

mądrzejsza od nas i przygotowała dla nas jeszcze wiele niespodzianek .

Będziemy się doskonale bawić, próbując to wszystko rozwikłać . Wprost

nie mogę się tego doczekać!

Wszystko to działo się w 2008 roku . W 2012, cztery lata po przy-

jęciu zorganizowanym z okazji uruchomienia Wielkiego Zderzacza

Hadronów, oficjalnie rozpoczęła się epoka odkryć . Hewett ma ponow-

nie długie włosy . Leczenie było niezwykle bolesne, ale wydaje się, że

odniosło skutek . Eksperyment, na który czekała od tak dawna, staje

się częścią rzeczywistości . Po dwudziestu pięciu latach teoretyzowania

może w końcu skonfrontować swoje idee z prawdziwymi danymi opi-

sującymi nigdy wcześniej niewidziane cząstki i oddziaływania, które

natura skrzętnie przed nami ukrywała . Aż do dziś .

Wykonajmy przeskok w czasie do 4 lipca 2012 roku, pierwszego dnia

Międzynarodowej Konferencji Fizyki Wysokich Energii . Konferencję

Prolog

tę organizuje się co dwa lata, za każdym razem w innym mieście – tym

razem nadeszła kolej na Melbourne w Australii . Setki fizyków cząstek –

wśród nich JoAnne Hewitt – wypełniły szczelnie salę, by wziąć udział

w wyjątkowym seminarium . Za chwilę okaże się, jakie korzyści przy-

niosły olbrzymie inwestycje w budowę LHC i co otrzymają fizycy po

tak długim wyczekiwaniu .

Prezentacja jest transmitowana do Melbourne z CERN-u – labo-

ratorium w Genewie, w którym mieści się LHC . Zaplanowano dwa

wystąpienia, które w normalnych warunkach zostałyby wygłoszone

w Melbourne jako jeden z punktów programu konferencji . Organiza-

torzy zdecydowali jednak w ostatniej chwili, że w wydarzeniu tej rangi

powinni uczestniczyć wszyscy, dzięki którym odniesienie tego sukcesu

było w ogóle możliwe . O tym, że była to trafna decyzja, świadczą setki

fizyków, którzy ustawili się w CERN-ie w kolejce na wiele godzin przed

rozpoczęciem wykładu . Ponieważ początek uroczystości zaplanowano

na 9 .00 rano czasu lokalnego, wielu z oczekujących spędziło pod salą

całą noc w śpiworach, by zapewnić sobie dobre miejsce .

Rolf Heuer, dyrektor generalny CERN-u, przedstawia plan wy-

stąpień . Wykłady wygłosi dwoje fizyków: Amerykanin Joe Incandela

i Włoszka Fabiola Gianotti – rzecznicy dwóch najważniejszych zespołów

zbierających i analizujących dane z LHC . W każdej z tych grup pracuje

ponad trzy tysiące badaczy, których większość śledzi teraz w napięciu

te wydarzenia na ekranach monitorów komputerowych rozsianych po

całym globie . Wystąpienia są transmitowane na żywo nie tylko do Mel-

bourne – za pośrednictwem Internetu każdy, kto tylko chce, może razem

z uczonymi poznać uzyskane wyniki . Trudno nie zauważyć, że to odpo-

wiednie medium do świętowania sukcesu współczesnej Wielkiej Nauki

– są to w końcu międzynarodowe badania, w których wykorzystuje się

najnowsze zdobycze techniki, a gra toczy się o niezwykle wysoką stawkę .

W wystąpieniach Gianotti i Incandeli można było wyczuć ślady

zdenerwowania, ale przedstawiane przez nich fakty mówiły same za

siebie . Na początku oboje podziękowali z całego serca licznej grupie

Cząstka na końcu Wszechświata

inżynierów i uczonych, bez których przeprowadzenie tych doświadczeń

nie byłoby możliwe . Następnie wyjaśnili, dlaczego powinniśmy uwierzyć

w wyniki, które za chwilę zaprezentują – pokazali, że rozumieją działanie

wykorzystywanych urządzeń, a analiza danych została przeprowadzo-

na dokładnie i rzetelnie . Dopiero po takim starannym przygotowaniu

gruntu Gianotti i Incandela przedstawili rezultat poszukiwań .

Oto i on . Kilka wykresów, które dla niewtajemniczonych wyglądają

zupełnie niepozornie, można jednak na nich zauważyć jedną, powtarza-

jącą się cechę: wystąpienie większej, niż oczekiwano liczby zdarzeń (grup

cząstek powstających w pojedynczym zderzeniu) o określonej energii .

Wszyscy obecni na sali fizycy od razu wiedzieli, co to oznacza – wykry-

to nową cząstkę . Wielki Zderzacz Hadronów pokazał nam fragment

przyrody, którego dotychczas nikomu nie udało się zobaczyć . Incandela

i Gianotti przedstawili następnie wyniki żmudnej analizy statystycznej,

która ma za zadanie oddzielić prawdziwe odkrycia od niefortunnych

zbiegów okoliczności i w przypadku obu zespołów ostateczny werdykt

brzmiał jednoznacznie: Mamy odkrycie .

Oklaski . W Genewie, w Melbourne i na całym świecie . Udało się

zebrać tak dokładne i jednoznaczne dane, że nawet uczeni od wielu lat

biorący udział w tych pracach nie mogą w to uwierzyć . Walijski fizyk

Lyn Evans, który jak nikt inny przyczynił się do pokonania początko-

wych trudności i doprowadzenia całego przedsięwzięcia do szczęśliwego

końca, przyznał, że „zupełnie go zatkało”, gdy zobaczył niespotykaną

zgodność wyników uzyskanych w obu detektorach

Ja również byłem tamtego dnia w CERN-ie . Wcieliłem się w rolę

dziennikarza i dotarłem do pomieszczenia dla prasy znajdującego się

tuż obok głównej sali . Dziennikarze nie powinni oklaskiwać relacjono-

wanych przez siebie wydarzeń, ale zgromadzeni w CERN-ie reporterzy

ulegli magii chwili . Nie był to jedynie sukces CERN-u, czy nawet fizyki

– było to osiągnięcie całej ludzkości .

* Wywiad z Lynem Evansem przeprowadzony 4 lipca 2012 roku .

Prolog

Wydaje się, że wiemy, co udało się nam odkryć: nową cząstkę elemen-

tarną o nazwie „bozon Higgsa” (nazwaną tak na cześć szkockiego fizyka

Petera Higgsa) . Osiemdziesięciotrzyletni Higgs również znajdował się

na sali i był wyraźnie poruszony:

– Nie sądziłem, że zdarzy się to jeszcze za mojego życia – wyznał

Wśród zaproszonych gości było także kilku innych, starszych już

fizyków, którzy razem z Higgsem przedstawili tę samą koncepcję w 1964

roku . Nazwy teorii fizycznych nie zawsze oddają sprawiedliwość ich

twórcom, ale w tej chwili wszyscy mogli cieszyć się z osiągniętego suk-

cesu .

Czym więc jest ów bozon Higgsa? Jest cząstką elementarną, a ta-

kich nie ma zbyt wiele . W dodatku jest bardzo szczególnym rodzajem

cząstki . We współczesnej fizyce wyróżnia się ich trzy rodzaje . Pierwszy

stanowią cząstki materii, takie jak elektrony i kwarki, tworzące atomy,

z których zbudowane jest wszystko, co widzimy wokół siebie . Drugi

to cząstki pośredniczące przenoszące grawitację, elektromagnetyzm

i oddziaływania jądrowe, dzięki którym cząstki materii utrzymują się

blisko siebie . Ostatni, trzeci rodzaj stanowi cząstka Higgsa, będąca klasą

sama dla siebie .

O znaczeniu cząstki Higgsa decyduje nie to, czym jest, ale to, co

robi . Cząstka ta powstaje za sprawą pola wypełniającego całą przestrzeń,

które nazywamy „polem Higgsa” . Wszystko, co istnieje w znanym nam

Wszechświecie i porusza się w przestrzeni, musi przemierzać pole Higgsa .

Ono istnieje w każdym miejscu i czai się niewidzialne gdzieś w tle . Fakt

ten nie jest bez znaczenia: bez pola Higgsa elektrony i kwarki byłyby

bezmasowe, tak jak fotony, cząstki światła . Gdyby tak było, również

one poruszałyby się z prędkością światła i nie mogłyby tworzyć atomów

ani cząsteczek, nie mówiąc już o jakichkolwiek znanych nam istotach

żywych . Pole Higgsa nie jest aktywnym czynnikiem biorącym udział

* Wywiad z Peterem Higgsem z 10 lipca 2012 roku, zamieszczony na portalu in-

ternetowym magazynu „New Scientist”, http://www .newscientist .com/article/

dn22033-peter-higgs-boson-discovery-like-being-hit-by-a-wave .html .

Cząstka na końcu Wszechświata

w oddziaływaniach zwyczajnej materii, ale jego obecność w tle ma klu-

czowe znaczenie . Bez niego świat wyglądałby zupełnie inaczej . I teraz

udało nam się je odkryć .

W tym miejscu muszę jednak zamieścić pewne zastrzeżenie . Tak

naprawdę udało nam się zdobyć dowody na istnienie cząstki przypomi-

nającej bardzo cząstkę Higgsa . Ma ona właściwą masę, a także powstaje

i rozpada się mniej więcej tak, jak należałoby się tego spodziewać po

bozonie Higgsa . Na razie jest jednak jeszcze za wcześnie na to, by móc

z całą pewnością stwierdzić, że uczeni zaobserwowali prostą cząstkę

Higgsa, której istnienie przewidują podstawowe modele . Nie można

wykluczyć, że jest to coś bardziej skomplikowanego – może nawet część

złożonej struktury powiązanych ze sobą cząstek . Nie ulega jednak wąt-

pliwości, że odkryliśmy jakąś nową cząstkę, która zachowuje się tak,

jak powinien się zachowywać bozon Higgsa . Na potrzeby tej książki

przyjmiemy więc, że 4 lipca 2012 roku był dniem, w którym ogłoszono

odkrycie bozonu Higgsa . Jeśli w przyszłości okaże się, że rzeczywistość

jest bardziej złożona, to tym lepiej dla wszystkich – fizycy uwielbiają

niespodzianki .

Uczeni mają nadzieję, że odkrycie cząstki Higgsa będzie początkiem

nowej epoki w fizyce cząstek . Wiemy, że fizyka jest bardzo skomplikowa-

na i nie potrafimy jej obecnie w pełni wyjaśnić . Badanie cząstki Higgsa

pozwoli nam zajrzeć do światów, których nikt jeszcze nie widział . Fizycy

doświadczalni, tacy jak Gianotti i Incandela, mają nowy obiekt badań .

Teoretycy, tacy jak Hewett – nowe wskazówki pozwalające konstruować

lepsze modele . W naszych dążeniach do zrozumienia Wszechświata

udało nam się wreszcie zrobić olbrzymi, od dawna wyczekiwany krok

naprzód .

Jest to opowieść o ludziach, którzy poświęcili swoje życie badaniom

ostatecznej natury rzeczywistości – a cząstka Higgsa jest jej kluczowym

elementem . Są wśród nich teoretycy, siedzący przy biurku z ołówkiem

w ręku, rozmyślający o abstrakcyjnych ideach, których przy życiu

utrzymuje tylko mocna kawa i zacięte dyskusje z kolegami . Są także

Prolog

inżynierowie, którzy wyciskają z urządzeń i układów elektronicznych

maksimum tego, na co pozwala współczesna technika . Przede wszyst-

kim jednak są w tej grupie fizycy doświadczalni, potrafiący umiejętnie

wykorzystać te urządzenia i idee do odkrycia czegoś nowego . Zaawanso-

wane badania fizyki współczesnej wiążą się z koniecznością wykonania

projektów o budżecie wynoszącym miliardy dolarów, których realizacja

zajmuje całe dziesięciolecia . W takiej sytuacji uczeni muszą być gotowi

do nadzwyczajnego poświęcenia i grania o wysoką stawkę . Gdy wszystko

to jest na swoim miejscu – świat się zmienia .

Życie jest piękne . Wychylmy jeszcze jeden kielich szampana .

Cząstka na końcu Wszechświata

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:

więcej podobnych podstron