Se accelerează ritmul ştiinţei: interviu cu Rolf Heuer de la CERN Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. Directorul general al CERN ne spune povestea din spatele bozonului Higgs – şi ne prezintă paşii următori.

Rolf Heuer
Pentru imagine, multumim
CERN

CERN (Organizaţia Europeană pentru Cercetare Nucleară) nu este doar cel mai mare laborator de fizică a particulelor din lume. Aşa cum ne explică directorul său general, Rolf Heuer, “CERN are rolul unui model, demonstrând că ştiinţa poate lega culturi şi naţiuni. Ştiinţa este un limbaj universal şi asta vorbim noi la CERN.”

Porţiune din tunelul de 27
km care găzduieşte
acceleratorul de particule
LHC. Pentru a derula
măsurătorile necesare asupra
noii particule, facilitatea LHC
va funcţiona până în
februarie 2013. Profesorul
Heuer explică: “Imaginaţi-vă
că vedeţi pe cineva de la
distanţă şi că pare a fi chiar
prietenul vostru cel mai bun.
Însă pentru a vă asigura că
este chiar el trebuie să
aşteptaţi până se apropie
suficient. Aceasta necesită
timp.”

Pentru imagine, multumim
CERN

CERN uneşte oamenii şi în alte moduri. “Ca tânăr student de vară, aici te poţi trezi că iei masa lângă un câştigător al premiului Nobel. Şi toată lumea, de la lucrătorii din cantină până la seniorii din management – ne identificăm cu CERN, ne identificăm cu dorinţa de a spori cunoaşterea umană. Cu toţii ne aducem fărâma de aport spre acel scop, lăsând în afara campusului eventualele diferenţe politice, culturale şi educaţionale.”

Aceasta face din CERN un loc de muncă foarte special, dar ceea ce îl face unic este imensul accelerator de particule, Large Hadron Collider (LHC). Inaugurat în 2008, LHC este cel mai mare accelerator de particule din lume, tunelul său de 27 km formând un inel sub graniţa dintre Franţa şi Elveţia. După cum ne explică profesorul Heuer, “El este unul dintre cele mai reci locuri din Univers, fiind răcit cu heliu superfluid la 1,9 K (−271,25 °C). Chiar şi spaţiul cosmic este mai cald, cu ale lui 2,7 grade Kelvin.

Ecuaţia simbolică a lui
Einstein ne spune că pentru a
crea particulele foarte grele
care au trăit doar o fracţiune
de secundă după Big Bang
(secundă de geneză cosmică,
n.t.), LHC trebuie să
ciocnească particule la
energii foarte înalte

Pentru imagine, multumim
Nicola Graf

“În acelaşi timp este unul dintre cele mai fierbinţi locuri din galaxia noastră, deoarece – când ciocnim protoni în LHC, producem temperaturi mult mai înalte decât cele din centrul Soarelui.” Profesorul Heuer descrie coliziunea a doi protoni având viteze apropiate de cea a luminii ca fiind precum doi țânțari ciocnindu-se în toiul zborului.

“Diferenţa esenţială este că aceşti protoni sunt particule extrem de mici, aşa că densitatea lor energetică – energia protonilor împărţită la volumul lor – este imensă, fiind o densitate de energie apropiată de a Big Bangului care a creat universul.”

Aşa cum se detalia în două articole anterioare din Science in School (Landua & Rau, 2008; Landua, 2008), aceste coliziuni cu energie imensă pot crea particule grele, deci genul de particule care au fost create în condiţii extrem de energetice la o fracţiune de secundă cosmică după Big Bang. Acestea sunt particule atât de masive încât nu au mai putut fi create de atunci. (Ne amintim că relaţia lui Einstein, E=mc2, ne spune că pentru a crea o particulă foarte grea avem nevoie de o cantitate mare de energie.)

Figura 1: Modelul standard
descrie particula
fundamentală din care sunt
făcute toate lucrurile vizibile
din Univers, precum şi
forţele care acţionează între
ele. Clicați pe imagine pentru
a o mări

Pentru imagine, multumim
CERN

După cum discutam cu profesorul Heuer, o istorie extrem de veche tocmai a fost „repusă în scenă”: pe 4 iulie 2012, CERN a anunţat detectarea de către LHC a unei particule ‘compatibile cu bozonul Higgs’, ultima creată la aproximativ 10-12 secunde după Big Bang. „Am căutat particula aceasta de 40 de ani. Încă nu sunt sigur că am asimilat ştirea, dar cred că aceasta ar putea fi una dintre cele mai mari descoperiri ale ultimelor decenii”, a spus el.

Dacă nou-detectata particulă este întra-adevăr bozonul Higgs, această descoperire va valida modelul standard din fizica particulelor. Modelul standard (figura 1) descrie particulele fundamentale din care suntem făcuţi noi şi toate lucrurile vizibile din Univers. Şi, aşa cum profesorul Heuer explică, „bozonul Higgs a fost piatra unghiulară care a lipsit din modelul standard”.

Descoperirea ar putea explica şi de ce particulele au masă – şi respectiv de ce materia are masă. Căutarea bozonului Hoggs a început în anii 1960, când un grup de fizicieni, incluzându-l pe Peter Higgs, au postulat ceea ce este acum denumit ‘câmpul Higgs’. Imediat după Big Bang, credeau ei, particulele nu aveau masă, dar au obţinut-o rapid prin interacţiunea cu acest câmp; cu cât particule interacţionau mai mult interacţionau cu câmpul Higgs cu atât deveneau mai masive.

“Imaginaţi-vă că acest câmp al lui Higgs este o petrecere de jurnalişti, egal distribuiţi într-o cameră”, spune profesorul Heuer. “Eu pot să trec prin acea cameră cu viteza luminii pentru că ei nu mă cunosc. Dacă însă intră cineva foarte cunoscut, jurnaliştii se vor aduna ciorchine în jurul acelei persoane: viteza persoanei va fi tot mai limitată şi persoana va avea tot mai multă masă. Cu cât persoana este mai cunoscută cu atât vor fi mai mulţi jurnalişti în jur şi persoana devine tot mai grea. Aşa acumulează masă şi o particulă prin câmpul Higgs.” Vedeţi figura 2.

Figura 2: Mecanismul Higgs. Punctaţi pe imagine pentru a o mări.
1. Pentru a înţelege mecanismul Higgs, imaginaţi-vă că o cameră plină de ziarişti, sporovăind liniştiţi, este precum un spaţiu ocupat de câmpul Higgs.
2. Un savant celebru, Albert Einstein, intră acolo, creând agitaţie pe măsură ce traversează camera, şi atrăgând un ciorchine de admiratori cu fiecare pas.
3. Acest fapt va face să crească rezistenţa la mişcările savantului – altfel spus, el acumulează masă precum particula ce străbate câmpul Higgs.
4. Dacă însă un zvon străbate camera…
5. …el creează o îmbulezeală cumva similară, doar că ea se produce doar între ziarişti. În analogia de faţă, aceste îmbulzeli sunt particulele Higgs

Pentru imagine, multumim CERN

Dar unde intervine bozonul Higgs? Prin definiţie, bozonii sunt particule cu moment unghiular intern – numit spin – corespunzând unui multiplu întreg al constantei Plank (0, 1 sau 2). Anumiţi bozoni sunt particule de forţă, prin care particulele de materie interacţionează între ele. De exemplu, un foton este un bozon ce poartă forţă electromagnetică; un graviton este un bozon purtând forţă gravitaţională. Totuşi, bozonul Higgs este postulat în mod diferit: el este rezultaltul interacţiunii câmpului Higgs cu el însuşi (figura 2). „Să presupunem că eu deschid uşa camerei cu jurnalişti şi de acolo şoptesc un zvon sper interior. Ziariştii vor fi curioşi – ‘ce-a zis? ce-a zis?’. Aceasta va fi interacţiunea pe care o vor avea între ei înşişi – sau auto-interacţiunea câmpului Higgs: acesta este un bozon Higgs.”

Profesorul Heuer ne spune că
Peter Higgs a fost „foarte
impresionat de anunţul
descoperirii bozonului. A
spus că dacă am fi exclus
posibilitatea existenţei
bozonului Higgs, însemna că
el n-a înţeles fizica
particulelor.”

Pentru imagine, multumim
Murdo MacLeod

Singura problemă cu bozonul Higgs era că nimeni nu ştia dacă el există cu adevărat. Peste ani s-au construit acceleratoare de particule tot mai mari pentru a-l căuta, acceleratoare capabile să producă coliziunea unor particule cu energii tot mai ridicate. Aceasta a permis fizicienilor să creeze particule tot mai mari, dar tot nu s-a dat de urma bozonului Higgs. Chiar nu exista, sau era necesar un accelerator mai puternic pentru a-l detecta? Nou-detectata particulă poate constitui răspunsul la această întrebare.

Deci, cum au detectat cercetătorii de la CERN această nouă particulă?

Semnul pe care îl urmăreau era descompunerea bozonului Higgs. Totuşi, savanţii trebuiau să poată distinge modelul descompunerii bozonului Higgs faţă de semnele descompunerii puzderiei de alte particule create în LHC. După cum profesorul Heuer glumeşte, „este ca şi când ai căuta un anumit tip de fulg-de-zăpadă fotogafiind pe fundalul unei furtuni de zăpadă. Foarte dificil.”

O imagine generată pe
calculator a unei ciocniri de
genul celei care a descoperit
bozonul Higgs. “Nu este ca şi
când ai căuta acul în carul cu
fân: este ca atunci când ai
căuta un ac într-un milion de
care cu fân, cu diferenţa ‘de
nuanţă’ că fânul este compus
de fapt tot din ace, şi noi
trebuie să-l găsim pe acela
având o foarte mică
particularitate faţă de imensa
mulţime a celorlalte ace,” ne
explică profesorul Heuer

Pentru imagine, multumim
CERN

Un semn promiţător de urmărit era descompunerea bozonului Higgs în doi fotoni, respectiv în doi fotoni cu energie înaltă. Când sunt detectaţi doi fotoni provenind din aceeaşi sursă, ei pot fi rezultatul unei descompuneri de bozon Higgs. Pe de altă parte, ei pot fi doar parte a zgomotului de fond al altei coliziuni sau descompuneri de particule din LHC. Deci cum disting cercetătorii între cele două situaţii?

Răspunsul este că, în orice caz, nu se poate spune dacă fotonii provin dintr-un bozon Higgs sau din descompunerea altor particule, însă cercetătorii pot folosi o analiză statistică pentru a stabili dacă numărul de descompuneri detectate este cel aşteptat. Pentru aceasta, ei construiesc o ipoteză nulă (prin reducere la absurd, n.t.) – că particula Higgs nu există, în cazul nostru – şi prezic ceea ce ar trebui să găsească dacă ipoteza nulă ar fi adevărată. Dacă însă au fost detectate mai multe descompuneri decât se aşteptau, aceasta înseamnă că bozonul Higgs există.

Exact acest lucru au determinat experimentele ATLAS şi CMS de la LHC din iulie 2011: deasupra curbei line a rezultatelor aşteptate a existat o deviaţie reprezentând mai multe descompuneri decât erau aşteptate. Aspect important, ambele experimente au găsit acastă deviaţie în acelaşi punct – reprezentând descompunerea particulelor cu masa de 126 GeV – referindu-se la acelaşi număr de descompuneri suplimentare din accelerator. Întrebarea era: aceste deviaţii au fost semnificative statistic? Actualmente, pentru validarea descoperirilor din fizica particulelor, ştacheta pentru semnificaţia statistică este ridicată foarte susw1: validarea prin metoda statistică ‘five sigma’ impune evidenţierea unei instanţe din 3,5 milioane de ocurenţe privind detectarea descompunerilor suplimentare, chiar dacă ipoteza nulă ar fi adevărată.

Rezultate obţinute prin experimentele ATLAS (stânga) şi CMS (dreapta), arătând numărul (ponderat statistic) de descompuneri detectate pentru fiecare masă de particule. Golul dintre liniile punctate şi cea roşie continuă constituie deviaţia de la rezultatele aşteptate, reprezentând descompunerea unei noi particule. Punctaţi pe imagine pentru a o mări
Pentru imagine, multumim CERN

Datele iniţiale din iulie 2011 promiteau în mod cert, dar nu se apropiau de acest nivel de certitudine. Pe durata anului următor, cele două experimente LHC au colectat tot mai multe date, toate indicând aceeaşi direcţie: existau mai multe evenimente fotonice cu masa de 126 GeV decât s-ar fi aşteptat în lipsa bozonului Higgs. În final, pe 4 iulie 2012, pragul five-sigma a fost trecut şi cercetătorii de la CERN au devenit suficient de siguri pentru a anunţa lumii că au descoperit cu adevărat ‘o particulă compatibilă cu bozonul Higgs’.

Profesorul Heuer descrie
coliziunea particulelor în LHC
ca fiind asemenea ţânţarilor
ce se ciocnesc în zbor

Pentru imagine, multumim
ARTPUPPY / iStockphoto

Pentru majoritatea dintre noi, în ciuda declaraţiilor de la încercările anterioare de la CERN, acest anunţ a venit chiar neaşteptat. În schimb pentru Profesorul Heuer entuziasmul a fost clădit în decursul lunilor, dar revelarea pas cu pas a decoperirii nu i-a redus deloc impactul. „Descoperirea aceasta e cel mai tulburător moment al carierei mele, deoarece noi scriem aici un pic de istorie.”

Deci cât de mult cunoaştem acum despre noua particulă?

“Ştim că este o particulă nouă şi că este un bozon. Este cel mai greu bozon găsit până acum, şi arată precum bozonul Higgs. Totuşi, savanţii sunt foarte precauţi. Ca profan aş spune că ‘am găsit bozonul Higgs’. Ca om de ştiinţă trebuie să mă întreb ‘oare ce am găsit noi aici?’”

Pentru imagine, multumim
CERN

Astfel că în următoarea fază trebuie să măsurăm proprietăţile acestei particule, inclusiv spinul său. Toţi bozonii cunoscuţi anterior sunt particule cu spinul 1, de exemplu fotonul. Ei sunt asociaţi cu câte un câmp vectorial: câmpul electromagnetic, de exemplu, este un câmp vectorial, având atât direcţie cât şi intensitate. Astfel că fotonul se mişcă într-o direcţie particulară: are spin. Însă bozonul Higgs a fost postulat diferit: este asociat cu un câmp scalar, câmpul Higgs, ceea ce înseamnă că are spin 0.

“Dacă înoţi într-un râu, forţa pe care apa o exercită asupra ta va depinde de direcţia în care înoţi. Acesta ar fi un câmp vectorial. Dacă, în schimb, înoţi într-o piscină, forţa pe care apa o exercită asupra ta este aceeaşi indiferent de direcţia în care înoţi. Acesta este un câmp scalar.”

Camera de control a CERN
Pentru imagine, multumim
CERN

Este de asemenea important să se măsoare mai precis masa noii particule. “În loc să fie bozonul Higgs, ar putea fi un bozon Higgs. Modelul standard (din fizica particulelor) prevede un singur bozon, dar supersimetria – o extensie a modelului standard (precum se explică în articolul Landua & Rau, 2008) – prevede cel puţin cinci bozoni. Iar cel mai uşor bozon Higgs prezis de teoria supersimetriei este foarte similar în masă cu cel prezis de modelul standard.

“Acest aspect face dificilă distingerea între cele două; avem nevoie de măsurători suplimentare.” Pentru a rezolva această problemă, LHC va colecta date din cât mai multe evenimente de coliziune înainte de februarie 2013, când acceleratorul va fi închis până la finele lui 2014 pentru a-l pregăti pentru coliziuni cu energii şi mai ridicate, permiţându-i să creeze şi să detecteze particule şi mai grele.

Pentru imagine, multumim
CERN

Dacă măsurătorile din următoarele luni arată că particula cea nouă este bozonul (sau un bozon) Higgs, atunci modelul standard ar fi validat, dovedind existenţa câmpului Higgs, şi astfel confirmând mecanismul prin care particulele colectează masă. Dar dacă nou-descoperitul bozon se dovedeşte a nu fi un bozon Higgs? „Dacă e vreun pic diferit de ceea ce ne aşteptăm, atunci ar conduce fizica particulelor dincolo de modelul standard.”

Harta aceasta compară
distribuţia materiei ‘normale’,
trasată prin gaz fierbinte,
observată prin telescopul
spaţial XMM-Newton
(figurată în roşu) şi a stelelor
şi galaxiilor observate prin
telescopul spaţial Hubble (în
gri), cu distribuţia materiei
negre invizibile (în albastru),
care a fost dedusă din efectul
de focalizare gravitaţională.
Harta demonstrează cum
materia ‘normală’ din Univers
urmează structura unui
‘eşafodaj’ de substrat al
materiei negre

Pentru imagine, multumim
NASA / ESA / R Massey
(California Institute of
Technology)

Indiferent de rezultatul măsurătorilor asupra noii particule, imediat ce instalaţia LHC se redeschide, atenţia se va îndrepta dincolo de modelul standard, care descrie numai Universul vizibil – considerat a nu depăşi 4-5% din totalul energiei Universului. După cum şi profesorul Heuer subliniază, „Modelul standard lasă multe întrebări suspendate. De exemplu, el nu ne spune ce se întâmplă cu antimateria care exista la începuturile Universului, şi nici în câte dimensiuni de spaţiu sau timp evoluăm. Şi nu aruncă nici măcar o lumină palidă asupra a ceea ce este materia neagră sau energia neagră.”

Din partea de 95% din Univers neadresată prin modelul standard, 25% este considerată a fi materie neagră. „Dacă vom compara acest procent cu cei 5% alcătuiţi de Universul vizibil, devine clar că materia neagră trebuie să fi jucat un rol dominant în formarea Universului timpuriu. Astronomii ne pot spune cum s-a format Universul, dar numai acceleratoarele de particule vor fi capabile să producă materie neagră în laborator şi să ne ajute să înţelegem ce este aceasta. Materia neagră este compusă dintr-un singur fel de particulă sau este complexă şi variată ca lumea normală?” Un răspuns potenţial sugerează teoria supersimetriei, şi după recondiţionarea acceleratorului de particule, LHC va fi destul de puternic pentru a crea şi detecta unele dintre particulele foarte grele pe care supersimetria le-ar prezice.

Celelalte trei sferturi ale Universului întunecat sunt energie neagră, considerată ‘uzurpatoarea’ Universului. Profesorul Heuer crede că cercetările LHC privind bozonul Higgs ar putea fi importante şi în această direcţie.

“Câmpul Higgs este scalar, aşa cum este şi energia neagră. Ele nu sunt acelaşi lucru, dar studiind câmpul Higgs am putea afla multe şi despre energia neagră.”

Pe scurt, „Până acum ştim foarte puţin despre materia neagră şi mai nimic despre energia neagră, dar cred că, cu ajutorul LHC, suntem pe cale să în intrăm în Universul întunecat.”

Pentru imagine, multumim
CERN

Pe tot parcursul interviului a fost evident cât de mult reuşeşte profesorul Heuer să animeze fizica pentru nespecialişti. În mod clar, este foarte bun la asta: „Am susţinut o prelegere publică la Societatea Regală din Londra în care am prezentat laboratoarele LHC, ştiinţa din jurul acceleratorului şi fascinaţia Universului întunecat. În ziua următoare am primit un email de la un băiat de 14 ani care îmi spunea că învaţă foarte bine la matematică şi la fizică şi că vrea să înceapă lucrul la CERN în 2018.”

Pentru imagine, multumim
CERN

Dificultatea – după cum recunoaşte profesorul Heuer – nu stă în a stârni entuziasmul tinerilor pentru ştiinţă, ci în a-l menţine. Aşa încât el subliniază importanţa „explicării de noi descoperiri şi de subiecte importante din ştiinţă, de exemplu folosind Science in School”. Profesorul Heuer este cu siguranţă un fan.

Apropiindu-ne de finalul interviului, l-am întrebat pe profesorul Heuer dacă are vreun sfat special pentru cititorii noştri. „Să-i entuziasmezi pe elevi cu actuala programă de învăţământ este foarte dificil – dacă începi cu mecanica secolului 19 vei pierde instant 99% dintre ei. Pe când prezentarea ştiinţelor moderne poate ajuta mult.” Din fericire, el crede că se pot explica o mulţime de lucru şi fără matematică.

„De exemplu, eu am explicat mecanismul Higgs vorbind despre ziarişti. Desigur, pentru a înţelege complet mecanismul, elevii vor avea nevoie de matematică, dar asta o pot face şi ulterior. Pentru început trebuie să înţeleagă logica.”

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Institution

EIROforum, CERN

Author(s)

Dr. Eleanor Hayes este redactor-şef al revistei Science in School. Ea a studiat zoologia la Universitatea Oxford, Marea Britanie, şi a luat doctoratul în ecologia insectelor. A lucrat apoi în administraţia universităţii, iar din 2001 s-a mutat în Germania, şi lucrând în domeniul mediatizării ştiinţelor. Din 2005 s-a transferat la European Molecular Biology Laboratory pentru lansa Science in School.




License

CC-BY-NC-ND