Historię „boskiej” cząstki opowiada prof. Adam Ptara, fizyk FERMILABu

Panie profesorze, może na początek kilka słów o sobie. Jak znalazł się pan w FERMILABie? Jak przebiegało pana życie profesjonalne do tej pory? Co pan robił w Polsce?

– Skończyłem studia w Warszawie, na wydziale fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Potem zrobiłem tam doktorat. Następnie wyjechałem do CERNu na dwuletni staż. Po powrocie byłem asystentem i adiunktem na wydziale fizyki. W 1981 roku wyjechałem do francuskiego ośrodka Saclay pod Paryżem, potem znowu byłem w CERNie 2 i pół roku, a od 1985 roku jestem w FERMILABie i pracowałem nad eksperymentami neutrinowymi, nad eksperymentami poszukującymi bozonu Higgsa w FERMILABie. A w tej chwili pracuję nad przyszłym akceleratorem przyspieszającym.

 

Czy miał Pan ciągle kontakty z CERNem?

– W FERMILABie zajmowałem się raczej eksperymentem zderzacza protonów „antyproton”, który konkurował z podobnym eksperymentem w CERNie, ale był niezależny. Teraz FERMILAB wspomaga eksperyment CERNowski, lecz ja mam w tym stosunkowo niewielki udział.

 

Jako fizyk na pewno wie Pan wszystko na temat niedawno potwierdzonej „boskiej” cząstki Higgsa. Proszę nam przybliżyć historię tego fascynującego odkrycia.

– W latach 60. i 70. zaczęły się próby stworzenia generalnej, ogólnej teorii cząstek elementarnych. Te próby okazały się całkiem sporym sukcesem, bo udało się stworzyć bardzo prosty model cząstek elementarnych i ich oddziaływań. Model ten wiele faktów opisywał, przewidywał kilka nowych faktów, które zostały później potwierdzone. To zbudowało w nas pewność, że model ten, ta teoria, jest prawdziwy, ponieważ prawdopodobnie opisuje świat, w którym żyjemy. Jednak ta teoria miała jedną wadę – tylko i wyłącznie mogła być prawdziwa, jeżeliby wszystkie cząstki nie miały żadnej masy.

 

Więc z jednej strony mieliśmy teorię, która bardzo wszystko pięknie opisuje, można wszystko przewidzieć i przeliczyć, ale z drugiej strony wymaga założenia, że w sumie nie ma sensu w praktyce. Wielu ludzi myślało o tym, jak można pogodzić fakty, że z jednej strony cząstki mają masę, a z drugiej, że teoria wyklucza masę cząstek. Higgs i kilku innych badaczy, mniej więcej w tym samym czasie, wymyślili taki mechanizm, który pozwalał te dwie sprzeczności pogodzić. Postulowali, że być może wszystkie te cząstki nie mają masy, natomiast to, że my widzimy, że te cząstki mają masę, to nie to, że mają ją naprawdę, tylko że w próżni, w której my żyjemy, one się poruszają wolniej, bo są hamowane jak gdyby przez tę próżnię. Że to, co my nazywamy masą cząstek, jest efektem oddziaływania próżni na te cząstki, a nie efektem masy cząstek samej w sobie.

 

Na czym polegał eksperyment CERNu i czy doświadczenia FERMILABu pomogły w realizacji?

– Pomysł mechanizmu Higgsa ma już w tej chwili ponad 40 lat. Natychmiast po opublikowaniu tej teorii naukowcy zaczęli szukać możliwości jej sprawdzenia. Jeżeli coś takiego ma miejsce w przyrodzie, to znaczy, że musi istnieć nowa elementarna cząstka, jeszcze nie zbadana naukowo. Cząstka, która jest odpowiedzialna za oddziaływanie na próżnię, powodując, że cząstki poruszające się w próżni są przez nią hamowane i że wyglądają na posiadające masę. Więc taka cząstka musi istnieć. Od prawie 50 lat szukamy, czy taka cząstka naprawdę istnieje. Jeżeli istnieje, to wiemy o niej prawie wszystko, za wyjątkiem tego, jaką ma masę. Resztę wiemy z teorii Higgsa. Szukaliśmy jej w latach 80., szukaliśmy tu w FERMILABie, tylko energie, którymi dysponowaliśmy w FERMI i laboratoriach CERNowskich, wykluczały istnienie cząstek o masie poniżej pewnej granicy.

 

Już w latach 80. proponowano, żeby w Stanach Zjednoczonych zbudować wielki akcelerator, to się nazywało SSC (Superconducting Super Colider) i jego głównym celem było zbadanie, czy taka elementarna cząstka istnieje. Ten projekt został zatwierdzony w latach 80., miał być budowany, ale prezydent Clinton projekt skasował, co było wielkim ciosem dla amerykańskich fizyków. Na szczęście w tym samym czasie CERN postanowił zbudować akcelerator podobny do SSC, troszkę mniejszy, ale bardzo podobny, i też z nadzieją, że mimo mniejszej energii, uda się tę cząstkę wykryć. FERMILAB włączył się do prac CERNU. Pomagaliśmy w budowie akceleratora i eksperymentów. No i od trzech lat ten akcelerator działa. Był co prawda pierwszy niewypał, kiedy na skutek błędów w spawaniu magnesów nastąpił mały wybuch pod ziemią, na szczęście nikomu się nic nie stało, aczkolwiek nastąpiło opóźnienie w oddaniu go do użytku, ale od trzech lat działa doskonale, nawet lepiej niż było planowane.

 

Bardzo skomplikowane eksperymenty, w których bierze udział 5000 osób, też działają doskonale. No i w zeszłym roku pokazały się pierwsze wyniki, w których okazało się, że w zderzeniach produkuje się jakaś nowa cząstka, do tej pory nieznana, o masie rzędu 120 mas protonu, i wszyscy sądzimy, że to prawdopodobnie jest elementarna cząstka Higgsa. Nie mamy na to jeszcze dowodu, tak że w tej chwili przez najbliższe lata będziemy starać się udowodnić, że ta nowoodkryta cząstka jest rzeczywiście cząstką Higgsa, a wszystko na to wskazuje.

 

Ponieważ kolokwialnie bozon Higgsa nazywa się „boską” cząstką, kojarzy się to z teorią powstania wszechświata. Jak to odkrycie pomoże w zrozumieniu procesu powstawania?

– „Boskość” tej cząstki to bardzo niefortunny efekt dowcipu byłego dyrektora FERMILABu, Leona Ledermana. Napisał książkę o cząstce Higgsa i nazwał „Goddamn Particle”, a wydawca powiedział, że gwarantuje, że z takim tytułem nikt książki nie kupi. Lederman, który ma duże poczucie humoru, zmienił tytuł na „God Particle”, na co wydawca się bardzo ucieszył i tak zostało. Ale to jest jedyny związek cząstki Higgsa z Bogiem.

 

A ze wszechświatem?

– Ze wszechświatem… Nie ma bezpośredniego związku cząstki Higgsa z powstaniem wszechświata. Na początku naszego wszechświata była taka mała przestrzeń, w której się wszystko „gotowało” i w szczególności było dużo tych cząstek Higgsa, a ponieważ mają one własności, jakie mają, to nasz wszechświat jest, jaki jest. Gdyby cząstki Higgsa miały inne własności, to nasz świat wyglądałby zupełnie inaczej.

 

Rola cząstek Higgsa jest następująca. Mamy w przyrodzie fotony, cząstki światła, i mamy też cząstki, które są podobne do fotonów (fotony wirtualne), ale przenoszą działania elektromagnetyczne. Dwa elektrony komunikują się jakby za pomocą fotonu i ten foton powoduje, że jedna cząstka oddziaływuje na drugą cząstkę. To są działania elektromagnetyczne. To jeden z rodzajów działań, jakie na świecie występują.

 

Działania grawitacyjne są bardzo podobne. Dwa ciała, jedno z nich wysyła grawiton, który jest nośnikiem siły grawitacji, drugie ciało go chwyta i widzimy, jak się ciała przyciągają. To jest drugi rodzaj oddziaływania. Mamy oprócz tego dwa inne rodzaje oddziaływań – tzw. działania słabe i działania silne. Na ogół ich nie widzimy i o nich nie wiemy, dlatego że ich zasięg jest bardzo mały. Siły elektryczne i grawitacyjne mają zasięg nieograniczony, słońce jest daleko od Ziemi, ale Ziemię przyciąga. Dwa ładunki na siebie oddziaływują. Podczas gdy działania silne i słabe mają zasięg taki, że prawdopodobnie działają tylko na odległościach rozmiaru jądra atomowego. Poza atomem to ich wcale nie widać.

 

Te działania słabe mają trzy nośniki: dwie cząstki Z+ i Z- oraz 0. Teoria mówi, że działania elektromagnetyczne i działania słabe powinny być równoległe, symetryczne, wymienne, że powinny się zmieniać jedne w drugie. I tak naprawdę jest, pod warunkiem, że w naszym świecie, w naszej próżni, istnieje cząstka Higgsa, która wybiera jedną z cząstek zamiennych. Ona wybiera, co jest fotonem, a co jest cząstką działań słabych.

 

Jeżeli cząstka Higgsa zostanie potwierdzona naukowo, co fizyka jako nauka na tym zyska?

– W podobny sposób, jak grawitacja wyróżnia kierunek pionowy, pole Higgsa w próżni wyróżnia pewien kierunek i powoduje złamanie symetrii przestrzeni. Cząstki Zet i fotony powinny być kompletnie symetryczne, a cząstka Higgsa łamie tę symetrię i odróżnia kierunek zetowy od kierunku fotonowego. To nam mówi, że próżnia, w której my żyjemy, ma taką własność, że pewne a priori symetrie nie są realizowane, tylko ten zwrot, że foton nie ma żadnej masy a zero na masę. I to jest efekt cząstki Higgsa.

 

Cząstka Higgsa jest odpowiedzialna za to, że nam się wydaje, że cząstki mają masę. Zastanówmy się, co rozumiemy pod słowem masa, co to jest masa. Jak się zastanowimy, to masa nam mówi o tym, jak łatwo jest wprowadzić ciało w ruch. Jak coś ma masę małą i wprawimy to w ruch, poleci szybko. Jak coś ma masę dużą i wprawimy w ruch z tą samą siłą, to poleci powoli. Ta reakcja szybkości jest prawdziwą miarą masy. I to rozumiemy pod słowem masa. Jak szybko porusza się ciało pod wpływem siły.

 

Zgadzamy się, że mamy jakąś siłę, i to co się porusza szybciej ma masę małą, a wolniej masę większą. Ale weźmy na przykład dwa balony, jeden większy a drugi mały. Mają tyle samo powietrza, ważą tyle samo. Balony wrzucamy do wody, i ktoś te balony popchnie, balon większy ma większy opór wody, więc porusza się wolniej. Jeśli ktoś patrzy z daleka i nie widzi wody, opisując to doświadczenie stwierdzi, że większy balon ma większą masę, nie biorąc pod uwagę oporu wody. Mimo że tak naprawdę wiemy, że oba balony mają tę samą masę, a wynik powstał z oporu wody. Czyli masa może być wartością nie tyle samego ciała, ale również środowiska, w którym się to ciało znajduje. Balony w próżni mają masę taką samą, a jak występuje opór wody, to różnie reagują na tą samą siłę, a my to definiujemy, że mają różną masę. Cząstka Higgsa to jest ta woda. Pole Higgsa wypełnia całą przestrzeń, cząstki poruszają się w polu Higgsa. Ponieważ nie mają żadnej masy, ale są hamowane jedne szybciej, inne wolniej, mówimy, że jedne mają masę większą a inne mniejszą. Pole Higgsa powoduje, że cząstki zachowują się jakby miały masę.

 

Co to odkrycie znaczy dla nauki, dla fizyki i dla przeciętnych ludzi w sposób praktyczny?

– To jest świetne pytanie, tylko tak o 50 do 100 lat za wcześnie. Dlatego że praktyczne skutki odkryć tego rodzaju okazują się po 50 do 100 lat później. Dla przykładu – w 1916 roku Einstein myśląc o wszechświecie, o grawitacji, wymyślił ogólną teorię względności. Z tej teorii wynika, że światło się zagina w pobliżu słońca, że czas płynie różnie w różnych punktach wszechświata, że na przykład czas na 10 piętrze budynku płynie inaczej niż na parterze, aczkolwiek różnica jest tak mała, że jest kompletnie nieobserwowalna. I wiele naukowców się pytało przez wiele lat, czy ta teoria jest naprawdę prawdziwa, a nawet jeżeli tak, to co z niej wynika. No i nic z niej kompletnie nie wynikało.

 

Do czasów jakieś 10-15 lat temu, kiedy zaczęliśmy tworzyć system GPSu. I system GPSu, który określa położenie odbiornika z dokładnością metra lub półmetra, porównuje ze sobą sygnały satelitów, które krążą wokół Ziemi. Kiedy ten system był projektowany, pracowała nad nim wielka grupa inżynierów, techników, naukowców. Jakiś fizyk, który się o tym dowiedział, usiadł i policzył parametry, i powiedział, że jak się bierze dane z satelitów, to trzeba pamiętać, że czas na górze, gdzie krążą satelity, płynie inaczej niż na Ziemi. Wszyscy się z tego bardzo uśmieli, bo przecież nikt w to nie wierzył, ale na szczęście ten fizyk był na tyle przekonujący, że ci, co programowali satelity, wprawdzie poprawek nie umieścili od razu, ale wprowadzili takie możliwości, że gdyby później coś trzeba było poprawić, to da się ten software załadować z Ziemi do satelitów. No i okazało się, że gdyby tej poprawki nie było i różnica w czasie nie została uwzględniona, to GPS działałby poprawnie tylko przez 15 minut. Ta własność przestrzeni, że czas płynie inaczej na różnych wysokościach, czyli absolutna teoria Einsteina, okazała się kluczowa dla współczesnej technologii.

 

Podobnie mamy teraz teorię, której dokładność jest niewyobrażalna. To jest precyzja, z jaką teoria cząstki elementarnej Higgsa opisuje wszystkie znane wyniki doświadczeń. W tej chwili wchodzimy w technologie, które coraz bardziej wykorzystują zjawiska kwantowe, bardziej precyzyjnie, i trudno jest przewidzieć, co będzie za lat 10, 15 albo 50. Jest całkiem prawdopodobne, że te własności próżni, o których dowiadujemy się z doświadczeń, być może będą kluczowe dla nowych urządzeń czy gadżetów w przyszłości. Teraz trudno sobie wyobrazić praktyczne wykorzystanie, ale tak samo trudno było sobie wyobrazić działanie laserów.

 

I co dalej panie profesorze?

 

Na razie trzeba uważać, CERN był bardzo ostrożny w formułowaniu komunikatu. Póki co wiemy, że w tych doświadczeniach odkryto nową cząstkę. Oczywiście uważa się, że to może być cząstka Higgsa, lecz trzeba teraz sprawdzić, czy na pewno. A może świat jest jeszcze bardziej skomplikowany. Model Higgsa to jeden z najprostszych zbudowanych mechanizmów. Więc może istnieje jeszcze więcej niezbadanych cząstek.

 

Dziękuję za rozmowę.

Rozmawiała:

Bożena Jankowska

Categories: Wywiady

Write a Comment

Your e-mail address will not be published.
Required fields are marked*