Ubrzavajući korak nauke: intervju sa CERN-ovim Rolf Heuer-om Understand article

Prevela Elvira Đurđić. Generalni direktor CERN-a priča priču nakon otkrića Higsovog bozona- i opisuje sledeće korake.

Rolf Heuer
Slika dobijena od CERN

CERN nije samo najveća svetska laboratorija fizike elementarnih čestica. Kao generalni direktor, Rolf Heuer, objašnjava, “CERN je uzor, demonstrira da nauka može da poveže kulture i nacije. Nauka je univerzalni jezik kojim se govori u CERN-u”.

Deo tumela dugog 27 km koji
je dom LHC-u. Kako bi se
omogućila potrebna merenja
nove čestice, LHC će raditi do
februara 2013. godine.
Profesor Heuer objašnjava:
“Zamislite da vidite nekoga
ko iz daleka liči na vašeg
najboljeg prijatelja. Da biste
bili sigurni da je to on, a ne
njegov brat blizanac, morate
sačekati da se dovoljno
približi. Za to je potrebno
vreme.

Slika dobijena od CERN

CERN takođe povezuje ljude i na druge načine. “Kao mladi student letnje škole, možeš imati priliku da ručaš pored dobitnika Nobelove nagrade. I svi, počev od osoblja u kantini do vodećeg rukovodstva- svi se mi poistovećujemo sa CERN-om, sa istom željom da povećamo znanje čovečanstva. Svi dajemo svoj doprinos tom  u ostvarenju tog cilja, ostavljajući političke, kulturne i obrazovne razlike izvan kampusa.”

Ovo nesporivo čini CERN veoma specifičnim mestom za rad, ali ono što ga čini zaista posebnim je njegov ubrzavač čestica, Veliki hadronski sudarač (Large Hadron Collider- LHC). Prvi put pušten u rad 2008., LHC je najceći ubrzavač čestica na svetu, njegov 27km dug tunel čini prsten ispod Francusko-Švajcarske granice. Kako profesor Heuer objašnjava, “To je takođe jedno od najhladnijih mesta u Univerzumu, ohlađeno do 1.9K sa superfluidnim helijumom. Čak je i svemir topliji sa 2.7K.”

Ajnštajnova čuvena jednačina
nam govori da nam je za
stvaranje jako masivnih
čestica koje su stvorene
nekoliko sekundi posle
Velikog praska u LHC-u
potrebno da sudaramo
čestice visoke energije.

Slika dobijena od Nicola Graf

“Istovremeno, to je jedno od najtoplijih mesta u galaksiji, jer kada sudaramo protone na LHC-u, mi proizvodimo temperature koje su mnogo, mnogo više od onih u centru Sunca.” Profesor Heuer opisuje sudar dva protona koji se kreću brzinom bliskom brzini svetlosti kao sudar dva komarca u letu.”

“Ključna razlika je u tome što su ovi protoni izuzetno sićušne čestice, pa je gustina njihove energije-energija protona podeljena njihovom zapreminom- veoma velika i upravo ona nas dovodi izuzetno blizu Velikog praska.”

Kao što je opisano u prethodna dva Science in School članka (Landua & Rau, 2008; Landua, 2008), u ovim visokoenergetskim sudarima mogu da nastanu veoma masivne čestice, odnosno vrsta čestica koje su činile ekstremno energetske uslove u deliću sekunde posle Velikog praska. Te čestice su toliko masivne da nisu bile kreirane od tada (upamti da nam Ajnštajnov zakon E=mc2 govori da nam je potrebna ogromna količina energije da bismo stvorili jako masivne čestice).

Slika 1: Standardni model
elementarnih čestica od kojih
smo mi, i sve vidljivo u
Univerzumu, načinjeni, kao i
sile kojima one međudeluju.
Kliknuti na sliku da se
poveća
.
Slika dobijena od CERN

Dok razgovaram sa profesorom Heuer-om, javlja se izuzetno daleka istorija: 4. jula 2012. godine CERN je objavio da je uočena čestica na LHC-u koja je konzistentna sa Higsovim bozonom, koji je poslednji put kreiran 10-12 sekundi posle Velikog praska. To je monumentalna novost. “Tražili smo tu česticu 40 godina. Nisam siguran da li smo do sad shvatili tu vest, ali ja mislim da bi to moglo biti jedno od najvećih otkrića proteklih dekada”, kaže mi.

Ukoliko je nova čestica zaista Higsov bozon, to otkriće će potvrditi Standardni model fizike elementarnih čestica. Standardni model (slika 1) opisuje fundamentalne čestice od kojih smo izgrađeni mi, kao i svaka vidljiva stvar u našem Univerzumu, kao i slike kojima one međudejstvuju. Kako profesor Heuer objašnjava “Higsov bozon je bila nedostajuća čestica Standardnog modela.”

Ovo otkriće bi trebalo da objasni zašto čestice- a samim tim i materija- imaju masu. Potraga za Higsovim bozonom je počela 60-tih godina XX veka, kada je grupa fizičara, uključujući i Pitera Higsa, postulirala ono što je danas poznato kao Higsovo polje. Prema njima, odmah nakon Velikog praska, čestice nisu imale masu ali su je vrlo brzo dobile u međudelovanju sa ovim poljem; što su više međudelovale sa njim, postajale su sve masivnije.

“Zamislite da je Higsovo polje žurka novinara, jernako raspoređenih u sali,” kaže profesor Heuer. “Ja mogu da prođem kroz salu bez mase- brzinom svetlosti- zato što me ne poznaju. Ako neko veoma poznat uđe u salu, novinari će se skupljati oko te osobe: brzina te osobe je ograničena i ona dobija masu. Što je poznatija osoba, više će se novinara oko nje skupiti, i ta osoba postaje masivnija. Na ovaj način čestice dobijaju masu u Higsovom polju.” Pogledati sliku 2.

Slika 2: Higsov mehanizam. Kliknuti na sliku da se poveća.
1. Da bi ste razumeli Higsov mehanizam, zamislite salu punu novinara kako ćaskaju i tako predstavljaju Higsovo polje.
2. Čuveni naučnik, Albert Ajnštajn (Albert Einstein),ulazi, praveći poremećaj prethodnog stanja, kako prolazi kroz salu jer privlači određeni broj poštovalaca na svakom koraku.
3. To povećava njegov otpor kretanju- drugim rečima dobija masu, baš kao čestica koja se kreće kroz Higsovo.
4. Ako se trač pronese salom…
5. …izaziva istu vrstu grupisanja. Ali u tom slučaju samih novinara. U toj analogiji, grupe su Higsove čestice
.
Slika dobijena od CERN

Ali odakle taj Higsov bozon? Po definiciji, bozoni su čestice sa svojstvenim ugaonim momentom-poznatijim kao spin- koji odgovara celobrojnom umnošku Plankove konstante (npr. 0, 1 ili 2). Neki bozoni su “čestice” sile, preko kojih čestice materije međudeluju. Na primer, foton je bozon koji prenosi elektromagnetnu silu; graviton je bozon koji prenosi gravitacionu silu. Higsov bozon je ipak postuliran da bude drugačiji: on je rezultat međudelovanja Higsovog polja sa samim sobom (slika 2). “Pretpostavimo da otvorim vrata na žurci novinara i da šapnem trač u salu. Novinari će biti radoznali- ‘šta je rekao?’ Na taj način će novinari da međudeluju- ili međudelovanje Higsovog polja sa samim sobom: to je Higsov bozon.”

Piter Higsa je profesor Heuer
opisao “veoma je dirnut
objavom. Rekao je da smo
isključili mogućnost
postojanja Higsovog bozona
da ne bi više razumeo fiziku
elementarnih čestica.”

Slika dobijena od Murdo
MacLeod

Jedini problem sa Higsovim bozonom je bio taj što niko nije znao da li je on stvarno postojao. Tokom godina, sve veći i veći ubrzavači i sudarači čestica su građeni da bi ga pronašli, sposobni da sudaraju čestice na sve višim energijama. To je omogućilo fizičarima da stvore sve masivnije i masivnije čestice ali tu i dalje nije bilo ni traga ni glasa od Higsovog bozona. Da li on ipak nije postojao ili je bio potreban samo još moćniji ubrzavač da ga detektuje? Nova čestica bi mogla da odgovori na to pitanje.

Na koji način su naučnici u CERN-u detektovali tu novu česticu?

Signal za kojim su oni tagali bio je raspad Higsovog bozona. Ipak, naučnici su morali da nađu način da razlikuju raspad Higsovog bozona od signala raspada ogromnog broja čestica stvorenih na LHC-u. Profesor Heuer u šali govori “ To je kao da tražite tačno određenu pahulju, fotografišući ih, a u pozadini je snežna oluja. Izuzetno teško.”

Računarska simulacija slike
podataka jednog od mnogih
sudara  koji su bili korišćeni
u potrazi za Higsovim
bozonom. “To nije potraga za
iglom u plastu sena: to je
potraga za iglom u milionima
plastova sena, sa malim
problemom što su i plastovi
sena takođe sačinjeni od
igala, a mi tražimo iglu koja
je samo malo drugačija od
svih ostalih igala,” objašnjava
profesor Heuer
.
Slika dobijena od CERN

Jedan od pouzdanih signala za kojima su tragali bio je raspad Higsovog bozona na dva fotona, posebno na dva visokoenergetska fotona. Kada su detektovana dva fotona koja polaze iz iste tačke, oni su mogli poticati od raspada Higsovog bozona. S druge strane, oni su takođe mogli biti samo pozadinski šum sudara drugih čestica koji se dešavaju na LHC-u. Postavlja se pitanje kako naučnici razlikuju ta dva signala?

Odgovor je da ne mogu da razlikuju u pojedinačnim slučajevima da li je to Higs bozon ili neka druga čestica, ali mogu da koriste statističke analize da izvrše testove, dobiju broj detektovanih raspada i uporede sa očekivanim vrednostima. Za to, oni postavljaju nultu hipotezu – u ovom slučaju da Higsova čestica ne postoji- i predvide šta bi dobili kao rezultat da je ta nulta hipoteza tačna. Ako postoji više raspada nego što je predviđeno, to bi bio znak postojanja Higsovog bozona.

Upravo ovo su dva eksperimenta na LHC-u, ATLAS i CMS, pronašla u julu 2011: malo iznad glatke krive očekivanih rezultata, postojala je devijacija koja je ukazivala na više raspada nego što je očekivano. Što je najvažnije, oba eksperimenta su pronašla ovu devijaciju u istoj tački- predstavljajući raspad čestica mase 126GeV-a i devijacija je imala istu veličinu- predstavljajući isti broj “dodatnih” raspada u ubrzavaču. Postavilo se pitanje da li su te devijacije statistički značajne? Za nova otkrića u fizici elementarnih čestica, granica statističke značajnosti je postavljena veoma visokow1: na pet sigma, što predstavlja jedan prema 3.5 miliona šansu da se primeti veći broj raspada nego što je očekivano, čak i da je nulta hipoteza tačna.

Rezultati dovijeni od ATLAS (levo) i CMS (desno) eksperimenata, koji pokazuju (ponderisan) broj raspada detektovanih za masu svake čestice. Razmak između tačkaste i pune crvene linije pokazuje devijaciju od očekivanih rezultata, predstavljajući raspad nove čestice. Kliknuti na sliku za uvećanje.
Slika dobijena od CERN

Početni podaci u julu 2011. godine su delovali ohrabrujuće, ali nisu bili ni blizu stepenu ove sigurnosti. Tokom naredne godine, ipak, dva eksperimenta LHC-a su prikuljali sve više podataka koji su ukazivali u istom smeru: postojalo je više dvoprotonskih događaja sa masom od 126 Gev-a nego što je bilo očekivano u slučaju da Higsov bozon ne postoji. Konačno, 4. jula 2012. godine, granica od pet sigma je pređena i naučnici u CERN-u su mogli biti dovoljno sigurni da objave svetu da su zaista detektovali  “česticu koja je konzistentna sa Higsovim bozonom”.

Profesor Heuer opisuje sudar
čestica u LHC-u kao sudar
dva komarca u letu
.
Slika dobijena od ARTPUPPY /
iStockphoto

Za većinu, bez obzira na prethodne probne tvrdnje CERN-a, ova objava je bila prilično iznenađujuća. Za profesora Heuera, nasuprot, uzbuđenje je raslo mesecima, ali otkrivanje ovog otkrića korak po korak nije umanjio njegov uticaj ni malo. “Otkriće je najuzbudljiviji trenutak u mojoj karijeri, zato što smo napisali mali delić istorije.”

Koliko mi zapravo znamo o ovoj novoj čestici?

“Znamo da je u pitanju nova čestica i da je bozon. To je najmasivniji bozon ikad apronađen i izgleda kao Higsov bozon. Ipak, naučnici su veoma oprezni. Kao laik, rekao bih da smo “pronašli Higsov bozon”. Kao naučnik, ja se pitam “šta smo to pronašli?”

Slika dobijena od CERN

Sledeći korak je da izmerimo karakteristike ove čestice, zajedno sa njenim spinom. Svi od ranije poznati bozoni imaju spin 1, kao na primer fotoni. Njima su pridruženi vekroska polja: elektromagnetno polje, na primer, je vektorsko polje koje ima i intenzitet i smer. Kao rezultat, foton se kreće u određenom pravcu: ima svoj spin. Higsov bozon ipak, je postuliran drugačije- njemu je pridsruženo skalarno polje, Higsovo polje, što znači da ima spin 0.

“Ako plivaš u reci, sila koju će voda vršiti na tebe zavisi od toga u kom smeru plivaš. To bi bilo vektorsko polje. Ako, suprotno tome, plivaš u bazenu, sila koju voda vrši na tebe je ista u kom god smeru da plivaš. To je skalarno polje.”

The CERN control room
Slika dobijena od CERN

Veoma je važno, takođe, da se mnogo preciznije izmeri masa nove čestice. “Umesto što je to onaj Higsov bozon, mogao je biti samo Higsov bozon. Standardni model predviđa samo jedan, ali teorija supersimetrije- nastavak Standardnog modela (kako je objašnjeno u Landua & Rau, 2008) – predviđa najmanje pet. Najmanja masa Higsovog bozona predviđena teorijom supersimetrije je veoma slična masi predviđenoj Standardnim modelom.

“Upravo je  zbog toga teško razlikovati koji je od ta dva; zato nam je potrebno još merenja.” Zbog toga, LHC će skupljati podatke iz najvećeg mogućeg broja sudara sve do februara 2013. godine, kada će biti zaustavljen do kraja 2014. godine kako bi se podesio za više energije sudara, što bi omogućilo stvaranje i detekciju još masivnijih čestica.

Slika dobijena od CERN

Ako merenja u narednim mesecima pokažu da je nova čestica onaj (ili samo) Higsov bozon, onda bi Standardni model bio potvrđen, dokazujući postojanje Higsovog polja, a samim tim i potvrđujući mehanizam kojim čestice dobijajumasu. Ali šta ako novootkriveni bozon ipak nije Higsov bozon? “Ako je on malo drugačiji od onog što smo mi očekivali, mogao bi da nas upozna sa fizikom iza Standardnog modela.”

Ova mapa poredi raspodelu
„normalne“ materije, praćene
uz pomoć vrućeg gasa,
viđene uz pomoć teleskopa
XMM-Njutn (Newton)
(crveno) i zvezda i galaksija
posmatranih uz pomoć
Hablovog svemirskog
teleskopa( Hubble Space
Telescope) (sivo), u odnosu
na nevidljivu tamnu materiju
(plavo), o kojoj govori efekat
gravitacionog zakrivljenja.
Ova mapa demonstrira kako
“normalna” materija u
Univerzumu prati skelet
načinjen od tamne materije.

Slika dobijena od NASA / ESA /
R Massey (California Institute of
Technology)

Kakvi god da su rezultat i merenja nove čestice, kada se LHC ponovo pokrene, u njegovom fokusu će biti istraživanja o fizici iza Standardnog modela, koji opisuju samo vidljivi Univerzum- za koji se smatra da sačinjava ne više od 4-5%ukupne energije u Univerzumu. Kako profesor Heuer naglašava, “Standardni model ima mnogo otvorenih pitanja. NA primer, ne govori nam šta se dogodilo sa antimaterijom koja je postojala na početku Univerzuma, kao ni u koliko dimenzija prostora i vremena živimo. A ne daje nam baš ni mnogo naznaka o tome sta su tamna materija i tamna energija.”

Standardni model se ne odnosi na 95% tame u Univerzumu, a smatra se da 25% nje čini tamna materija. “ Kada uporedimo tih 5% koji sačinjavaju vidljivi Univerzum, očigledno je da je tamna materija igrala dominantnu ulogu u oblikovanju ranog Univerzuma. Astronomi mogu reći kako je oblikovan Univerzum, ali ubrzavači čestica mogu napraviti tamnu materiju u laboratoriji i pomoći nam u razumevanju toga šta je ona zapravo. Da li je tamna materija sačinjena samo od jedne vrste čestica ili je bogata i raznovrsna kao normalan svet?” Jedan od mogućih odgovora uključuje supersimetriju, a nakon obnavljanja LHC će biti dovoljno moćan da stvori i detektuje neke od veoma masivnih čestica koje supersimetrija predviđa.

Ostale tri četvrtine tamnog Univerzuma čini tamna energija, za koju se smatra da razdvaja Univerzum. Profesor Heuer smatra da LHC i istraživanja Higsovog bozona na njemu mogu i u toj oblasti biti važni.

“Higsovo polje je skalarno, kao i tamna energija. Oni nisu isti, ali proučavanje Higsovog polja nam može reci mnogo i o tamnoj energiji.”

Ukratko, “ Do sada, znamo jako malo o tamnoj materiji i ne znamo skoro ništa u suštini o tamnoj energiji, ali mislim da smo, sa LHC-om blizu da zakoračimo u tamni Univerzum.”

Slika dobijena od CERN

Kroz naš intervju bilo je očigledno koliko profesor Heuer uživa u približavanju nauke onima koji nisu stručnjaci. On je očigledno izuzetno dobar u tome: “Imao sam predavanje u Royal Society u Londonu u kome sam prezentovao LHC, nauku koja je oko njega i fascinaciju tamnim Unverzumom. Dan kasnije, primio sam elektronsko pismo od četrnaestogodišnjaka koji je napisao u pismu da je jako dobar u matematici i fizici i da bi 2018. godine želeo da počne da radi u CERN-u.”

Slika dobijena od CERN

Nije teško, kako profesor Heuer priznaje, da se probudi interesovanje i entuzijazam mladih ljudi za naukom, već da se ono održi. Sada on naglašava važnost “pojašnjavanja razvoja i važnih tema u nauci, koristeći na primer upravo Science in School”. Profesor Heuer je očigledno fan časopisa.

Za kraj razgovora pitam profesora Heuer-a da li ima još neki savet za naše čitaoce. “Zainteresovati učenike sa trenutnim školskim planom i programom može biti veoma teško- ukoliko se počne sa mehanikom iz XIX veka, odmah ćete izgubiti pažnju 99% učenika. Predstavljanje savremene nauke zaista može da pomogne.” On je ubeđen da mnogo toga može da se objasni bez korišćenja matematike.

“Na primer, objasnio sam Higsov mehanizam govoreći o novinarima. Naravno, da bi vaši učenici mogli u potpunosti da razumeju i shvate mehanizam, morali bi da koriste matematiku, ali mogli bi da je se podsete. Ono što oni treba da razumeju je logika.”

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Institution

EIROforum, CERN

Author(s)

Dr Eleanor Hayes je glavni urednik časopisa Science in School. Studirala je zoologiju na Oksfordu, Velika Britanija, i doktorirala na temi ekologije insekata. Provela je neko vreme radeći u administraciji Univerziteta pre nego što se preselila u Nemačku i počela da se bavi izdavaštvom u nauci 2001. 2005. godine je prešla u European Molecular Biology Laboratory kako bi pokrenula Science in School.




License

CC-BY-NC-ND