Lion Ledermen
BOŽIJA ČESTICA

Iz bestselera “Božija čestica”, američkog fizičara,
dobitnika Nobelove nagrade, Liona Ledermena, Biblioteka ALEXANDRIA donosi najzanimljiviji odlomak

Predgovor srpskom izdanju

Knjiga "Božija čestica" dovršena je početkom 1993. godine. Namera je bila da posluži kao laka istorija fizike čestica. Tu su, zapravo, prepletene dve istorije. Jedno je istorija Vaseljene, a drugo je istorija čovekovih nastojanja da Vaseljenu shvati. Za ovu drugu istoriju od bitnog značaja su instrumenti; mnogi su opisani u ovoj knjizi.
Prošlo je, od tada, nekoliko godina. Za to vreme desilo se mnogo štošta. Izgradnja superprovodnog superkolajdera, koja je bila već 20% odmakla, obustavljena je glasanjem američkog Kongresa u oktobru 1993. Godine 1994. top kvark (vrhunski kvark) otkriven je u Fermilabu, a ovo otkriće potvrđeno je 1995. godine. Njegova izuzetno velika masa (150 protonovihmasa) bila je jedan od razloga što se na ovo otkriće čekalo punih sedamnaest godina posle otkrivanja donjeg (botom) kvarka, koje je ostvareno takođe u Fermilabu, godine 1977.Obilata proizvodnja čestica Z0 u CERN-u dala je mnoge važne rezultate, među kojima možda najvažniji jeste po tvrda jednog zaključka iz astrofizike koji kaže da ne postoji više od tri generacije kvarkova i leptona.
Godina je, evo, 1997. Fizika čestica nastavlja da sve tačnije određuje parametre standardnog modela i pojačava traganje za masom neutrina i za, u teoriji obožavanom, supersimetrijom; takođe čeka da se u Evropi uključi veliki hadronski kolajder (očekujemo zrak godine 2005) da bi se mogla uhvatiti ukoštac sa česticom na koju se odnosi naslov moje knjige, dakle, sa Higsovim bozonom. Konačno, sa iščekivanjem i nadom pratimo pomne napore u Japanu, na Stenfordu, na Kornelu, u Fermilabu i u Nemačkoj usmerene ka rešavanju zagonetke takozvanog 'CP narušavanja'.

Lion M. Ledermen
25. avgust 1997.

Božija čestica

    Imam slajd sa slikom, meni vrlo dragom, na kojoj se vidi božanstvo odeveno u belu togu i sa oreolom iznad glave. Božanstvo stoji i gleda mašinu na kojoj piše: 'Mašina za proizvodnju vaseljena'. Na mašini postoji dvadeset poluga, svaka napravljena tako da je moguće pomeriti je do nekog određenog broja; tu je i jedno dugme na kome piše: 'Pritisni da dobiješ vaseljenu'. (Tu zamisao sam dobio od nekog studenta koji je iznad mašine za sušenje ruku u WC-u okačio natpis: 'Pritisni da dobiješ poruku od dekana'.) Zamisao je da onaj ko hoće da napravi jedan kosmos mora prvo da odredi nekih dvadesetak brojeva. Koji su to brojevi (ili parametri, kako se to kaže u svetu fizike)? Pa, evo, treba nam dvanaest brojeva da bismo precizirali mase kvarkova i leptona. Zatim tri broja koji će specifikovati snagu triju sila. (Četvrta sila, gravitacija, nije stvarno deo standardnog modela, barem ne za sada.) Potrebni su nam neki brojevi i da bismo pokazali u kakvim je vezama jedna sila sa drugom. Onda jedan broj za način na koji narušavanje CP-simetrije ulazi u ovo, kao i jedan broj za masu Higsove čestice, i tako to... još poneko zgodno brojčano određenje.
    Ako imamo tih dvadesetak osnovnih brojeva, sve ostale parametre možemo izvesti iz njih – na primer, onu dvojku u zakonu o obrnutoj srazmernosti kvadratu rastojanja, masu protona, veličinu vodonikovog atoma, strukturu H2O i dvostruke heliks-spirale (DNK), temperaturu na kojoj će se voda zamrzavati, kao i bruto-proizvod albanske privrede u godini 1995. Većinu tih izvedenih brojeva ja ne bih umeo da izračunam, ne bih znao ni kako da počnem, ali imamo ogromne računare, pa...
    Težnja ka jednostavnosti nagoni nas da veoma ironično posmatramo potrebu da se odredi dvadeset parametara. Nijedan Bog koji drži do svog ugleda ne bi tako organizovao mašinu za pravljenje Vaseljena. Trebalo bi da mu je dovoljan jedan parametar, možda dva. Alternativni način da ovo isto kažemo bio bi sledeći: naše iskustvo sa prirodnim svetom navodi nas da očekujemo elegantniju organizaciju. Eto šta je, kao što smo se već požalili, stvarni problem kod našeg standardnog modela. Naravno da je pred nama još ogroman posao koji treba dovršiti da bi se parametri ustanovili tačno. Ali ne valja nam estetika: šest kvarkova, šest leptona, dvanaest baždarskih čestica koje prenose silu, a kvarkovi u tri razne boje, pa onda još i antičestice. I povrh svega sila teže koja tek čeka da stupi na pozornicu. Gde je Tales, sad kad nam je potreban?
    A zašto je gravitacija izostavljena? Zato što još niko nije uspeo da prisili gravitaciju – dakle, opštu teoriju relativnosti – da se podvrgne kvantnoj teoriji. Ova tema, kvantna gravitacija, jeste jedno od graničnih područja na kojima se radi u naučnom istraživanju u devedesetim godinama. Da bismo opisali Vaseljenu u njenim sadašnjim velikim razmerama, kvantna teorija nije nam ni potrebna. Ali u jedno davno, staro vreme, cela Vaseljena bila je malena, ne veća od jednog današnjeg atoma – štaviše, i mnogo manja. Izuzetno slaba sila gravitacije bila je pojačana ogromnom energijom čestica od kojih su kasnije nastale sve planete, sve zvezde, sve ove milijarde galaksija sa milijardama zvezda u svakoj; sva ta masa bila je zbijena u nešto što je 'čiodina glava čiodine glave', nešto majušno u poređenju čak i sa jednim atomom. Zakoni kvantne fizike morali bi važiti i tu, u toj praiskonskoj gravitacionoj oluji, a mi ne znamo kako da to izvedemo! Među teoretičarima danas vlada uverenje da je središnji problem sveukupne savremene fizike upravo taj: kako sklopiti brak između opšte relativnosti i kvantne teorije. Teorijski napori koji se čine duž tih linija dobili su nazive 'supergravitacija', ili 'supersimetrija', ili 'superstrune', ili čak 'teorija svega' ('Theory of Everything' – TOE).
    Ovde imamo egzotičnu matematiku pred kojom se upliću u čvor obrve čak i najboljih matematičara na ovome svetu. Priča se tu o deset dimenzija: o devet prostornih i o jednoj vremenskoj. Živimo u četiri dimenzije: tri su prostorne (istok-zapad, sever-jug i gore-dole), a vremenska je samo jedna. U svojoj intuiciji ne možemo nikako da doživimo više od tri prostorne dimenzije. "Nema problema", kažu nam. Onih dodatnih šest dimenzija je navodno 'sabijeno', one su svijene i smotane u nešto nezamislivo maleno, tako da se ne primećuju u svetu koji je nama poznat.
    Današnji teoretičari imaju jedan hrabar cilj: tragaju za teorijom koja će opisati devičansku jednostavnost u vrlo žestokoj vrelini vrlo rane Vaseljene, za teorijom koja neće da ima nijedan parametar. Sve mora da proistekne iz jedne, osnovne jednačine; svi parametri moraju da se rode iz te teorije. Problem je u tome što jedina teorija koja je, za sada, kandidat za tu ulogu nema nikakve veze sa svetom koji možemo da posmatramo; ili, barem, još nema. Ta teorija raspolaže samo jednim vrlo kratkim trenutkom u kome je bila primenljiva. Bilo je to u imaginarnom području za koje stručnjaci imaju naziv 'Plankova masa'; u tom vilajetu, sve čestice u Vaseljeni imale su energije milion milijardi puta veće od onoga što bismo mogli da domašimo pomoću superkolajdera. Koliko je bio kratak taj trenutak uzvišene slave? Bio je to milijarditi deo milijarditog dela milijarditog dela sekunde. Ubrzo posle toga, teorija postaje zbrkana – mogućnosti ima previše, ne postoji nikakva vidljiva putanja koja bi značila da na osnovu nečega može biti predskazan nastanak nas, ljudi, i planeta, i galaksija.
    Sredinom osamdesetih godina TOE je bila fantastično privlačna za mlade fizičare naklonjene teoriji. Rizik je bio veliki da će uložiti duge godine rada, a da će rezultat biti možda vrlo malen ili nikakav; pa ipak su krenuli za svojim vođama (kao leminzi, rekao bi neko) prema Plankovoj masi. Mi koji smo ostali kod kuće, u Fermilabu i CERN-u, nismo od njih dobili nijednu razglednicu, nijedan telegram. Posle nekog vremena počelo je da se širi razočaranje. Neki od najzvezdanijih boraca za TOE najzad su rekli "Dosta!" i odustali. Zatim su se iz pravca Plankove mase počeli vraćati puni autobusi osujećenih teoretičara u potrazi za nečim stvarnim što bi moglo da se izračuna. Nije ta pustolovina još okončana, ali jeste usporena, sad se odvija smirenije; za to vreme ljudi pokušavaju da napreduju drugim, tradicionalnijim putevima ka objedinjenju.
    Ti popularniji drumovi ka potpunom, vrhunskom načelu imaju otmene, moderne nazive. Nabrojaću samo nekoliko: grandiozno ujedinjenje, supersimetrija, tehnikolor. Svi pate od istog problema: nemaju podatke! Svejedno, zakuvali su gustu čorbu od predviđanja. Supersimetrija, za koju je, iz milošte, smišljen i nadimak 'Suzi', i koja je danas verovatno najpopularnija (pobedila bi kad bi teoretičari glasali, ali oni to ne čine), predskazuje ni manje ni više nego udvostručenje sada poznatog broja čestica. Kao što sam objasnio, kvarkovi i leptoni, za koje se zajedno kaže da su fermioni, svi imaju pola jedinice spina, dok čestice-prenosioci, zbirno nazvane 'bozoni', sve imaju po jednu celu jedinicu spina. Kod Suzi je ova asimetrija ispravljena ovako: tvrdi se da svaki bozon ima svog fermionskog partnera i svaki fermion svog bozonskog partnera. A što su lepe nazive dobile te čestice! Prelepe. Supersimetrični ortak elektrona zvao bi se 'selektron', a partneri svih leptona imali bi zbirni naziv 'sleptoni'. Drugari naših kvarkova zvali bi se 'skvarkovi'. Svaki bozon, imajući spin 1, dobio bi partnera sa spinom 1/2 i sa nazivom koji bi se pravio dodavanjem sufiksa 'ino' – na primer, partner gluona bio bi 'gluino', fotona 'fotino', čestice W 'vino', a uz Z bi došao 'zino'. Sve je to baš slađano, ali šarmantna privlačnost ne čini teoriju. Ipak, popularno je.
    Traganje za skvarkovima i vinoima će se nastaviti na Tevatronu koji će tokom devedesetih godina postepeno pojačavati svoju moć, a počeće i na onim mašinama koje će od 2000. godine proraditi. Superkolajder, koji se gradi u Teksasu, omogućiće istraživanje 'masenog područja' sve do, približno, 2 TeV. Definicija šta je to 'maseno područje' vrlo je labava i zavisi od pojedinosti reakcije u kojoj se neka nova čestica stvara. Međutim, jedan znak moći superkolajdera jeste i to što, ako u toj mašini ne bude nađena nijedna čestica Suzi, većina zastupnika teorije Suzi pristaje da napusti tu teoriju, i to na svečanosti na kojoj će svi oni javno polomiti sve svoje drvene olovke.
    Ali superprovodni superkolajder (SSC) ima i jedan neposredniji cilj, a to je da ulovi plen koji je mnogo hitniji i bitniji od svih skvarkova i sleptona. Standardni model, kao sažetak svega što znamo, ima dva glavna nedostatka, i to jedan estetski, a drugi konkretan. Naše estetsko čulo kaže nam da ima previše čestica, previše sila. Što je još gore, mnoge čestice (i to kvarkovi i leptoni) razlikuju se između sebe isključivo po svojim masama, koje kao da su im sasvim nasumce 'date'. Čak i sile se između sebe razlikuju uglavnom zbog različitih masa koje su 'pripisane' česticama-nosiocima. Onaj konkretni problem jeste problem neusaglašenosti. Uzmemo naše teorije o poljima sila, teorije koje se upečatljivo slažu sa svim podacima, i zatražimo od njih da predvide kakvi će biti rezultati opita koje tek treba izvesti, na vrlo visokim energijama; i šta dobijemo? Dobijemo gomilu besmislica, koje fizika ne može prihvatiti. I jedan i drugi problem mogu biti bolje osvetljeni, a možda i razrešeni, ako postoji jedan predmet, i jedna sila, koje bismo mogli obazrivo da ugradimo u standardni model. Taj predmet i ta sila imaju istoime: Higs.
    Jedan od najfinijih romana u američkoj književnosti jeste "Mobi Dik" Hermana Melvila. To je takođe jedan od romana najviše razočaravajućih – bar za glavnog junaka, kapetana Ahaba. Stotinama stranica slušamo kako se Ahab upinje da harpunom probode velikog okeanskog sisara po imenu Mobi Dik. Ahab je besan, smatra da je zeznut. Taj kit mu je odgrizao nogu. Ahab hoće osvetu. Neki kritičari nagoveštavaju da je u tom ugrizu kita Ahab izgubio i još nešto uz nogu; to bi kudikamo bolje objasnilo zašto on baš toliko mrzi Mobija Dika. Svome pomoćniku, koji se zove Starbak, Ahab objašnjava da Mobi Dik nije samo kit, nego i nešto više. Mobi Dik je kartonska maska; Mobi Dik samo zastupa jednu silu prirode, a sa tom silom se Ahab mora suočiti. I tako, Ahab i njegova posada stotinama stranica jurcaju po okeanu, doživljavaju svakojake pustolovine i nevolje, usput ubijaju mnoge manje kitove različitih masa. Konačno, povik "Eno, duva!" Ugledaju velikog belog kita. Zatim se sve razreši u brzom sledu događaja: kit udavi Ahaba, pobije i sve ostale harpunere, i još im, za dobru meru, potopi lađu. Kraj priče. Ta priča ima tužan kraj. Možda je Ahab mogao da uspe da je imao veći harpun, ali nije mogao da ga nabavi zbog budžetskih ograničenja u devetnaestom veku. Hajde da se to ne dogodi nama. Mobi čestica je na domašaju harpuna.
    O našem standardnom modelu svakako moramo da postavimo ovo pitanje: da li je samo kartonska maska? Kako može jedna ista teorija da bude u punoj saglasnosti sa podacima prikupljenim na niskoj energiji, a da predviđa kojekakve gluposti za visoke energije? Odgovor je taj da je nešto izostavljeno iz teorije, neka nova pojava; ali pojava koja će, kad bude jednog dana ugrađena u našu teoriju, neznatno uticati na podatke koji se prikupljaju pri, recimo, Fermilabovim energijama, tako da saglasnost sa onim što je dosad opitno ustanovljeno neće biti pokvarena. Mogla bi to biti, na primer, neka nova čestica, ili promena u ponašanju neke sile. Ove postulisane nove pojave morale bi da dejstvuju zanemarljivo malo pri niskim energijama, ali vrlo jako pri energijama superkolajdera. Kad u jednoj teoriji nedostaju takve odrednice (jer ih još ne znamo), onda teorija, dabome, daje matematički neprimerene rezultate za visoke energije.
    Ovo donekle liči na njutnovsku fiziku, koja radi izvrsno za obične pojave, ali kaže da bilo koji predmet možemo da ubrzavamo i ubrzavamo do beskonačno velikih brzina; ova slabo verovatna posledica pada i biva zauvek onemogućena čim se u Njutnovu teoriju ugradi Ajnštajnova posebna teorija relativnosti. Relativnost ima nemerljivo mali uticaj na ponašanje puščanih metaka i lansiranih raketa. Ali kad neki predmet počne ozbiljno da se bliži brzini svetlosti, pojavljuje se jedno novo dejstvo: masa tog brzog i sve bržeg predmeta povećava se. Beskonačna brzina je nedostupna. Desilo se, eto, da se posebna teorija relativnosti stapa sa njutnovskim rezultatima pri brzinama koje su u odnosu na brzinu svetlosti vrlo skromne. Slabost ovog primera sastoji se u tome što koncept beskonačne brzine, iako je možda uznemiravao neke njutnovce, nije ni približno onako traumatičan kao ono što se nama dogodi kad pokušamo da primenimo standardni model na visoke energije.

Kriza mase

    Nagoveštavao sam da bi svrha Higsove čestice mogla biti da daje masu česticama koje masu nemaju, i time da prikriva istinsku simetriju sveta. Ovo je jedna nova, bizarna zamisao. Dosad je, kao što smo videli u našoj mitskoj istoriji, jednostavnost pronalažena tako što su ispod izvesnih struktura otkrivane druge, niže – dakle, substrukture. To je u skladu sa Demokritovom idejom o atomosu. Tako smo mi putovali od molekula do hemijskog atoma, odatle do jezgra, pa do protona i neutrona (i njihove mnogobrojne grčke rodbine), i najzad do kvarkova. Istorija bi nas navela na očekivanje da ćemo sad pronaći u kvarkovima neke male momke; ovo se i te kako može još dogoditi. Ali mi ne verujemo stvarno da će na taj način biti dostignuta dugo očekivana potpuna teorija sveta. Možda stvar više liči na spravicu koju sam ranije pominjao, kaleidoskop, u kome nekoliko ogledala dobacuje svetlost tamo-amo na takav način da nekoliko komadića obojenog stakla dobije privid složenih pravilnih šara. Konačni smisao postojanja Higsa (ovo više nije nauka, ovo je sad filozofija) mogao bi biti da stvori jedan zabavniji, složeniji svet, u skladu sa kitolovačkom alegorijom koju sam dao kao moto ovom potpoglavlju.
    Ta nova zamisao kaže da sav prostor sadrži u sebi jedno polje, Higsovo polje, koje prožima sav vakuum i koje je prisutno svuda. Ovo znači da kad u vedroj noći podigneš pogled ka zvezdama, vidiš ih kroz Higsovo polje. Čestice pod dejstvom tog polja dobijaju masu. Ovo samo po sebi ne bi bilo ništa naročito zato što čestice već dobijaju energiju od (baždarskih) polja koja smo pominjali – naime, od gravitacionog ili elektromagnetnog. Na primer, ako uzmeš jedan blok olova i izneseš ga na vrh Ajfelove kule, taj komad materijala stiče potencijalnu energiju zato što je promenio mesto u Zemljinom gravitacionom polju. Pošto je E = mc˛, ovo povećanje potencijalne energije ravno je povećanju mase, u ovom slučaju mase sistema olovni blok-Zemlja. Ovde moramo nežno da pridodamo jednu malu složenost Ajnštajnovoj staroj, sedoj jednačini. Ta masa, m, sastoji se, zapravo, iz dva dela. Jedno je masa mirovanja, m0, ona koju merimo u laboratoriji kad neka čestica miruje. Drugi deo mase je onaj koji čestica 'stiče' svojim kretanjem (recimo, protoni u našem Tevatronu) ili svojom potencijalnom energijom u nekom polju. Sličnu dinamiku vidimo kod atomskih jezgara. Na primer, ako počneš da razdvajaš proton i neutron koji sačinjavaju jedno jezgro deuterijuma, zbir njihovih masa počne da se povećava.
    Ali potencijalna energija izvedena iz Higsa razlikuje se na nekoliko načina od delovanja onih polja koja su nam bolje znana. Masa koju Higs daje upravo je masa mirovanja. Zapravo, u jednoj verziji (možda najizazovnijoj) Higsove teorije, svu masu stvara Higsovo polje. Druga razlika sastoji se u tome što razne čestice usisaju, upiju u sebe, različite količine mase. Teoretičari kažu da mase čestica u našem standardnom modelu jesu mera koliko su jako te čestice spojene sa Higsovim poljem.
    Higsov uticaj na mase kvarkova i leptona podseća nas na otkriće Pitera Zemana iz 1896. godine; tada je on otkrio da energetski nivo jednog elektrona u jednom atomu može biti 'rascepljen' na više nivoa kad se na taj atom primeni magnetno polje. To polje (koje ovde igra Higsovu ulogu) razbije simetriju prostora u kojoj je elektron dotad uživao. Na primer, pod uticajem magneta jedan energetski nivo rascepi se na tri nivoa: nivo A dobija energiju od tog magnetnog polja, nivo B gubi energiju, a nivo C se uopšte ne izmeni. Naravno, danas u potpunosti razumemo kako se to dešava. To je jednostavan kvantni elektromagnetizam.
    Zasad pojma nemamo kakva pravila kontrolišu higsovsko uvećanje mase. Ali gricka nas pitanje: zašto samo te mase – mase W+, W- i Z0, šest kvarkova (gore, dole, šarma, čudnog, najvišeg i najnižeg) i leptona – mase kod kojih se ne primećuje nikakav pravilan međusobni odnos, obrazac? To su mase u rasponu od elektronove, koja iznosi samo 0,0005 GeV, do mase najvišega kvarka, koja bi morala biti veća od 91 GeV. Treba da se prisetimo da je ova bizarna zamisao – Higsova – upotrebljena sa velikim uspehom u formulisanju elektroslabe teorije. Tu je, naime, Higsovo polje bilo predloženo kao ono koje prikriva jedinstvo elektromagnetne i slabe sile. U jedinstvu, postoje četiri čestice-prenosioca bez mase – W+, W-, Z0 i foton – i sve one prenose elektroslabu silu. Nailazi Higsovo polje i, gle čuda, obe W i Z upijaju u sebe esenciju Higsa i postaju teške; a foton ostaje nedirnut. Zato se elektroslaba razlomi na slabu (koja i mora biti slaba kad su joj nosioci tako debeli) i elektromagnetnu, čije odlike određuje foton, koji masu nema. Ova simetrija slomila se spontano, kažu teoretičari. Meni se više dopada opis koji kaže da Higs, pomoću svoje sposobnosti pridavanja mase, prikriva simetriju. Mase ove W čestice i Z čestice uspešno su predskazane, izvedene iz parametara elektroslabe teorije. Osim toga, nehajni osmesi teoretičara podsećaju nas na to da su t'Huft i Veltman ustanovili da u elektroslaboj teoriji nema onih beskonačnosti.
    Ja se toliko zadržavam na ovom pitanju mase između ostalog i zato što me je ono pratilo tokom celog mog profesionalnog života. U četrdesetim godinama ovog veka činilo se da je pitanje jasno fokusirano. Imali smo dve čestice koje su odlično simbolizovale zagonetku mase: elektron i muon. Činilo se da su istovetne u svakom pogledu, osim što je muon dvesta puta teži od svog perolakog srodnika. Činjenica da su to leptoni, koji prenebregavaju jaku silu, činila je ovu stvar još izazovnijom. Mene je taj problem opsedao, i zato je muon bio moj najomiljeniji predmet proučavanja. Cilj je bio naći još neku razliku (osim mase) između elektrona i muona, možda neku razliku u njihovom ponašanju koja bi dala ključ za shvatanje mehanizma koji je doveo do njihove različitosti u masi.
    Dešava se da neki elektron uleti u neko jezgro i tu ostane zarobljen, a posledica je da izleti jedan neutrino, a jezgro da odskoči unazad pod udarom elektrona. Može li i muon ovo? Izmerimo mi proces ovakvog hvatanja muona – i, gle, ista stvar! Pa onda: visokoenergetski zrak elektrona rasipa protone. (Ova reakcija je proučavana na Stenfordu.) Izmerimo istu reakciju u Brukhejvenu sa muonima. Pokazala se neka mala razlika koja nas je godinama vukla za nos i od koje na kraju nije bilo ništa. Čak smo otkrili da elektron i muon imaju različite neutrinske partnere. U ovoj knjizi je već bilo govora o supertačnom opitu g minus 2, u kome je magnetizam muona meren i poređen sa magnetizmom elektrona. Izuzev dejstva dodatne muonove mase, nađosmo da je magnetizam sasvim jednak.
    Svi napori da se pronađe neki nagoveštaj o poreklu mase propali su. Negde usput Fajnmen je zapisao svoje čuveno pitanje: "Zašto muon teži?" Sad imamo makar i delimičan odgovor. Jedan stentorski moćan glas viče nam: "Zbog Higsa!" Već pedeset i više godina iščuđavamo se otkud masa, a sad nam Higsovo polje izlaže to isto pitanje u novom kontekstu: nije reč više samo o muonu. Higsovo polje daje nam, ako ništa drugo, ono bar zajednički izvor svake mase isvih masa. Novo fajnmenovsko pitanje glasilo bi: kako Higsovo polje određuje ovu prividno nesređenu množinu svakojakih masa koje se pojavljuju kod materijalnih čestica?
    Promena mase sa promenama kretanja tela, zatim promena mase pri raznim konfiguracijama sistema i, najzad, činjenica da neke čestice (foton svakako, a neutrino možda) imaju nultu masu mirovanja – to su tri stvari koje bacaju sumnju na uverenje da je masa osnovna odlika materije. A ne smemo baš sasvim zaboraviti ni ona izračunavanja mase koja su dala beskonačno velike rezultate; mi to nikada nismo rešili, samo smo sklonili i zabašurili pomoću 'renormalizacije'. Imajući u vidu ovu pozadinu, suočavamo se sa problemom kvarkova, leptona i prenosilaca sile – dakle, čestica koje se međusobno razlikuju po svojim masama. Zato naša priča o Higsu postaje branjiva – priča da masa nije unutrašnja odlika čestica samih, nego da je odlika koja se rađa iz međudelovanja čestice i njene okoline. Naelektrisanje je unutrašnja odlika čestice same, a i spin je to; pomisao da masa to nije postaje nam još verovatnija kad zamislimo idiličnu sliku po kojoj je masa svih kvarkova i svih leptona jednaka nuli. Ako bi tako bilo, oni bi imali jednu zadovoljavajuću simetriju, hiralnu, u kojoj bi njihovi spinovi bili za večita vremena spojeni sa njihovim pravcem kretanja. Ali ovu idilu prikriva fenomen Higs.
    Ah, da, još nešto. Govorili smo o baždarskim bozonima i njihovom spinu 1; takođe o fermionima, koji su čestice materije i koji imaju spin 1/2. Koja rasa mačora je Higs? Bozon sa nultim spinom. Reč spin podrazumeva neku usmerenost u prostoru, dok, međutim, Higsovo polje daje masu predmetima na svim mestima, i to bez ikakvog usmeravanja. Zato se ponekad kaže da je Higs 'skalarni bozon'.

Kriza jedinstvenosti

    Iako nas ovo polje veoma 'golica' tom svojom sposobnošću da daje masu, jedan od mojih omiljenih teoretičara, Tim Veltman, kaže da je to Higsova dužnost koja je daleko manje značajna od one glavne – naime, od dužnosti da se (ništa manje!) naš standardni model učini unutarnje doslednim. Jer, bez Higsa model pada na jednom jednostavnom testu unutarnje doslednosti.
    Evo kako. Puno smo pričali o sudarima. Hajde da uzmemo, recimo, sto čestica i pomoću njih gađamo određenu metu – na primer, parče gvožđa čija je površina jedan kvadratni centimetar. Teoretičar, čak i onaj skromnih sposobnosti, može da izračuna kolika je verovatnoća (sećate se, kvantna teorija nam dopušta samo da izračunavamo verovatnoće) da će se dogoditi rasipanje. Teorija može predvideti, recimo, verovatnoću od deset posto, što bi značilo da će se, od tih stotinu čestica ispaljenih na gvožđe, deset čestica razasuti. E, sad, mnoge teorije predviđaju da će verovatnoća rasipanja zavisiti od energije upotrebljenog zraka. Pri niskoj energiji, sve nama poznate teorije sila – jake, slabe i elektromagnetne – predskazuju verovatnoće koje su u skladu sa onim što smo opitima ustanovili. Međutim, kod slabe sile verovatnoća se pojačava sa energijom, tako da već pri nekoj osrednjoj energiji dostiže 40 posto. Ali kad teorija kaže da će verovatnoća rasipanja biti veća od 100 posto, onda, jasno, ta teorija više ne valja. Nešto je u njoj svakako pogrešno, jer verovatnoća veća od 100 posto je besmislica, značila bi, bukvalno, da se sa gvozdene površine rasipa više čestica nego što je ispaljeno. Kad se ovo desi, kažemo da je teorija pogazila jedinstvenost – naime, nadmašila je verovatnoću 1 (stopostotnu).
    U našoj istoriji, zagonetka se sastojala u tome što je teorija slabe sile bila u dobroj saglasnosti sa opitnim podacima pri niskoj energiji, ali je za visoke energije predviđala gluposti. Ova kriza otkrivena je u vreme kad je energija pri kojoj je nastupala ta katastrofa u predviđanju bila, još, izvan dohvata postojećih akceleratora. Ovaj neuspeh teorije nagovestio je da je nešto iz nje izostavljeno, neki novi proces ili možda neka nova čestica, i da bismo mogli, možda, kad bismo samo znali šta je to izostavljeno, da sprečimo ovo povećanje verovatnoća do besmislenih procentnih vrednosti. Slabu silu je, to ste zapamtili, izmislio Fermi da bi nekako objasnio radioaktivni raspad jezgara. Takvi raspadi su u osnovi niskoenergetski događaji; Fermijeva teorija se razvila i počela veoma tačno da predviđa ogroman broj raznih procesa u energetskom rasponu do 100 MeV. Jedna od naših pobuda za opit sa dva neutrina bila je i ta da proverimo Fermijevu teoriju pri višim energijama, jer se očekivalo da će kriza jedinstvenosti nastupiti već oko 300 GeV. Naš opit, izveden na samo nekoliko GeV, potvrdio je da se teorija kreće prema krizi. Ispostavilo se da je ovo pokazatelj da su teoretičari izostavili iz teorije jednu W česticu mase približno 100 GeV. Prvobitna Fermijeva teorija, u kojoj nije bilo nikakvih W čestica, bila je matematički ravna upotrebi jednog beskonačno masivnog prenosioca sile, a 100 GeV je tako ogromno veće od energije upotrebljene u ranim opitima (ispod 100 MeV) da je i takva teorija radila dobro. Ali kad smo pitali tu teoriju šta će da urade neutrini od 100 GeV, morali smo da uračunamo i W česticu od 100 GeV da bismo izbegli krizu jedinstvenosti... ali to nije sve. Još nešto je potrebno.
    Pa, eto, ovaj pregled ranijih događaja služi naprosto kao pomoć da objasnimo da naš standardni model danas boluje od bolesti jedinstvenosti, i to u najvirulentnijem obliku. Katastrofa se sada dešava pri energijama od oko 1 TeV. Predmet koji bi omogućio da se ta katastrofa izbegne – kad bi postojao – jeste jedna neutralna teška čestica sa posebnim odlikama. Nazivamo je, pogodili ste, Higsova čestica. (Ranije smo govorili o Higsovom polju, ali vi pamtite da su i polja kvantna, a kvanti polja su čestice – jedan određeni niz čestica.) Mogao bi to biti isti onaj objekt koji dovodi do nastanka različitih masa, ili već neki sličan. Moguće je da postoji samo jedna Higsova čestica, ili porodica Higsovih čestica.

Higsova kriza

    Na mnoga pitanja mogao bi se naći odgovor. Koje su osobine Higsovih čestica i, najvažnije od svega, kolika je njihova masa? Kako ćemo prepoznati Higsovu česticu ako je vidimo u nekom sudaru? Koliko tipova Higsove čestice postoji? Da li Higs stvara svemase, ili samo do neke mere povećava mase? Kako da saznamo više o ovome? Pošto je to Njena čestica, možemo naprosto da čekamo, pa ako budemo vodili primeran život, saznaćemo kad se vaznesemo u Njeno carstvo. Druga nam je mogućnost da potrošimo osam milijardi dolara i sagradimo taj superkolajder u mestu Vaksahači u Teksasu, koje je predviđeno kao pogon za proizvodnju Higsovih čestica.
    I kosmologe očarava Higsova zamisao jer su se oni, manje-više, spotakli o potrebu da imaju i skalarna polja koja bi učestvovala u veoma složenom procesu širenja Vaseljene. Time su povećali teret koji Higs mora da nosi.
    Higsovo polje, kako ga sada zamišljamo, može biti uništeno visokim energijama (ili visokim temperaturama) zato što one dovode do kvantnih fluktuacija koje ga neutrališu. Prema tome, ujedinjena čestično-kosmološka slika rane Vaseljene, čista i zasenjujuće simetrična, prevruća je za Higsa. Ali čim temperatura spadne ispod 1015 stepeni Kelvina ili 100 GeV, Higs digne nos i uradi to svoje sa masom. Tako, na primer, pre Higsa imamo W i Z čestice i fotone bez mase, kao i objedinjenu elektroslabu silu. Vaseljena se širi i hladi i, gle, pojavljuje se Higs, W i Z se ugoje – ali Higs iz nekog razloga prenebregne fotone – a posledica toga jeste slom elektroslabe simetrije. Dobijemo zasebnu slabu silu, čiji prenosioci jesu masivne čestice W+, W- i Z0, kao i zasebnu elektromagnetnu silu koju prenose fotoni. Stvar dejstvuje kao da je za neke čestice Higsovo polje kao gusto ulje, kroz koje se te čestice protiskuju tromo, pa zato izgledaju kao da su masivne. Za neke druge čestice Higsovo polje je kao voda, one se kroz njega kreću lakše. A za neke čestice, kao što su fotoni i možda neutrini, Higsovo polje je nevidljivo.
    Trebalo bi, valjda, da dam jedan kratak pregled nastanka Higsove zamisli; malo sam se, dosad, ustručavao da pustim tu mačku iz vreće. Higsova zamisao još se naziva 'skrivena simetrija', odnosno 'spontano slamanje simetrije'. U fiziku čestica uveo ju je Piter Higs sa Univerziteta Edinburg. Onda su je upotrebili teoretičari Stiven Vajnberg i Abdus Salam, radeći nezavisno jedan od drugoga, i pomoću nje objasnili kako se to može jedna objedinjena i simetrična elektroslaba sila, koju prenosi srećna porodica sačinjena od četiri čestice-glasnika bez ikakve mase, preobratiti u dve veoma različite sile: u QED (kvantnu elektrodinamičku) sa fotonom koji ostaje bez mase, i u slabu silu koju prenose masivne čestice W+, W- i Z0. Vajnberg i Salam su gradili na ranijem radu Šeldona Glešoua, koji je, idući stopama Džulijana Švingera, naprosto znao da mora postojati jedna unutarnje dosledna, objedinjena elektroslaba teorija, ali nije baš složio sve pojedinosti u jednu celinu. Radili su na ovoj stvari i Džefri Goldstoun, Martinus Veltman i Žerar t'Huft. Bilo je i drugih i trebalo bi da ih pomenem, ali, eto, to vam je život. Uostalom, koliko teoretičara treba uključiti da bi proradila jedna sijalica?
    Drugi način da gledamo Higsa jeste iz perspektive simetrije. Pri visokim temperaturama simetrija se otkriva našem vidu – kraljevska simetrija, čista jednostavnost. Pri nižim temperaturama ona biva skršena. Vreme je da upotrebim još alegorija.
    Razmišljajte o jednom magnetu. Magnet je magnet zato što pri niskim temperaturama njegovi atomi, koji su magnetčići, ostaju postrojeni. Magnet ima jedan svoj poseban pravac, svoju osovinu sever-jug. Prema tome, propala mu je ona simetrija koju je imao dok je bio parče nemagnetnog gvožđa kod kojega su svi prostorni pravci jednako 'vredni'. Ovo možemo da 'popravimo'. Zagrevamo magnet sve dok se ne pretvori opet u nemagnetno gvožđe. Vrelina prinuđuje molekule na uzrujano kretanje tamo-amo, tako da magnetčići (atomi) napuste svoj paradni poredak i okrenu se kud koji. Eto nama čistije simetrije. Postoji još jedna metafora za ovo: meksikanski šešir. On je jedna simetrična kupola okružena simetričnim podvrnutim obodom. Stavite kliker na vrh kupole. Rotaciona simetrija savršena, stabilnosti nema. Kliker se skotrlja niz kupolu i zaustavi se u stabilnijem položaju (sa nižom energijom) negde na obodu, to jest u obodu šešira. I sad je simetrija upropašćena iako osnovna struktura ostaje simetrična.
    Evo i trećeg poređenja. Zamišljamo savršenu kuglu ispunjenu vodenom parom na vrlo visokoj temperaturi. Simetrija savršena. Ako dopustimo da se sistem hladi, posle nekog vremena imaćemo baru vode po kojoj će ploviti i nešto leda, a iznad toga ostaće ipak i malo zaostale vodene pare. Simetrija je sasvim upropašćena najjednostavnijim hlađenjem, koje je dopustilo da se ispolji dejstvo sile teže. Međutim, u raj simetrije ova kugla se ipak može vratiti tako što ćemo je, naprosto, zagrejati.
    Dakle: pre Higsa, simetrija i sve dosadno. Posle Higsa, složenost i uzbuđenje. Kad sledeći put dignete pogled ka noćnom nebu, trebalo bi da budete svesni da je sav prostor ispunjen tim tajnovitim Higsovim uticajem koji je, kaže nam teorija, doveo do sve ove složenosti sveta koji nam je poznat i koji volimo.
    Sad zamislite formule (puuuuh...) koje daju tačna predviđanja i potvrde odlika raznih čestica i sila izmerenih u Fermilabu i drugim laboratorijama u devedesetim godinama. Kad u te formule uguramo vrednosti za reakcije koje tek treba obaviti, pri mnogo višim energijama, dobijemo gomilu koještarija. Ali – aha! Ako uračunamo i Higsovo polje, time menjamo teoriju dovoljno da se dobiju razumni rezultati i pri 1 TeV. Higs spasava stvar, spasava nam standardni model i sve vrline njegove. Da li sve ovo dokazuje da je standardni model istina? Ma, ne. On je naprosto najbolje što su teoretičari u stanju da urade. Boginja je lukavija.

Digresija ni o čemu

    Tačnije, o ničemu. U starim danima, u Maksvelovo doba, fizičarima se činilo da moraju imati neki medijum kojim bi sav prostor bio prožet; kroz taj medijum bi se prostirali talasi svetlosti i druga elektromagnetna talasanja. Nadenuli su mu naziv eter i odredili su koje odlike mora da ima da bi mogao obavljati svoj posao. Eter je ujedno dao i jedan apsolutni koordinatni sistem naspram koga je bilo moguće izmeriti brzinu svetlosti. Ajnštajnu je 'sinulo' da je eter nepotreban tovar koji samo opterećuje Vaseljenu. Sad se već kačimo sa jednim mnogo obožavanim, starim konceptom, a to je ona 'praznina', ono 'ništa' koje je izmislio (ili otkrio) Demokrit. Danas je praznina, za koju se koristi naziv 'vakuumsko stanje', u prednjem i u srednjem delu nauke.
    Vakuumsko stanje sastoji se od onih oblasti kosmosa gde nema baš nikakve materije i gde nema nikakve energije, a ni impulsa. Ono je 'ništa, baš ništa'. Džejms Bjorken, govoreći o tom stanju, kaže da je bio u iskušenju da uradi u fizici ono što je Džon Kejdž uradio u muzici: da publici odsvira četiri minuta i dvadeset dve sekunde... ničega. Tišine. Odustao je samo zato što se plašio kako će reagovati predsedavajući na toj konferenciji. Jest da je taj Bjorken stručnjak za vakuumsko stanje, o čijim odlikama mnogo zna, ali ni blizu nije t'Huftu, koji o baš ničemu zna još mnogo više.
    Tužni deo priče jeste to što je devičanska celovitost vakuumskog stanja (kao koncepta) tako teško zabrljana (čekajte samo dok to doznaju ekolozi...) radom teoretičara u dvadesetom veku, da sad tu vlada strašna gužva, neopisivo složenija nego što beše odbačeni eter devetnaestoga veka. Ne govorim tu samo o onim avetima virtuelnih čestica, kojih ima tako mnogo, nego i o Higsovom polju, čijepune razmere još ne znamo. Da bi Higsovo polje radilo svoj posao, mora da postoji (i da se u opitima pokaže) bar jedna Higsova čestica, električno neutralna. Ona bi mogla biti samo vrh ledenog brega; mogao bi postojati čitav jedan zoološki vrt Higsovih bozonskih kvanta, i tek svi oni zajedno dovršili bi opis ovog novog etera. Očigledno, ovde su na delu nove sile i novi procesi. Ono malo što znamo, možemo rezimirati ovako: bar neke od čestica koje predstavljaju Higsov eter moraju imati spin jednak nuli, moraju biti blisko, ali tajanstveno povezane sa masom, i moraju se ispoljiti na temperaturama koje su ravne energiji manjoj od 1 TeV. Ima nesuglasica oko moguće strukture Higsa. Jedna škola mišljenja kaže da je Higs temeljna čestica. Ali neki drugi ljudi misle da je Higs sagrađen od nekih novih predmeta, nalik na kvarkove, koji bi jednog dana takođe mogli biti viđeni u laboratoriji. Treći tabor je zaintrigiran ogromnom masom najvišeg kvarka i misli da bi Higs mogao biti sagrađen od jednog najvišeg i jednog antinajnižeg kvarka koji su u vezanom stanju. Tek će nam podaci reći ko je u pravu. U međuvremenu, ostaje nam da se zaprepašćujemo kako to uopšte uspevamo da vidimo ijednu zvezdu.
    Novi eter je, dakle, referentni okvir za energiju, u ovom slučaju potencijalnu energiju. Sam Higs ne može da objasni i druge krhotine i razno teorijsko smeće koje je istovareno u vakuum. Baždarske teorije izručuju u vakuum razne svoje zahteve, kosmolozi iskorišćavaju 'lažnu energiju vakuuma', a tokom razvoja Vaseljene taj isti vakuum uspeva i da se rasteže i širi.
    Čovek naprosto čezne da se pojavi neki novi Ajnštajn koji bi, u jednom nadahnutom uviđanju, dokučio istinu i vratio nam ono naše divno ništa.

Pronaći Higsa!

    Znači, Higs je nešto veoma dobro. Pa zašto onda nije i opšteprihvaćen? Piter Higs, koji je toj čestici pozajmio svoje prezime (ne svojom voljom), sad radi na drugim stvarima. Veltman, jedan od arhitekata Higsove čestice, kaže da je ona tepih pod koji nastojimo da pometemo sva svoja neznanja. Glešou je još neugodniji, on kaže da je Higsova čestica klozet u koji mi bacamo sve što je u našim teorijama neusaglašeno, a onda povučemo vodu. Postoji i još jedna primedbica, možda jača od svih tih ostalih kritika: nije nađen još nijedan, baš ni najmanji dokaz o postojanju Higsove čestice.
    Kako bi čovek mogao dokazati da to polje postoji? Higs, baš kao i QED, QCD, ili slaba sila, ima svoju česticu-nosioca, a to je Higsov bozon. Dokazati da Higs postoji? Pa, dovoljno je pronaći taj bozon. Standardni model prikladno je snažan da nam kaže da od svih Higsovih čestica koje možda postoje (a možda postoje mnoge), ona sa najnižom masom mora da ima 'težinu' manju od 1 TeV. Zašto? Zato što, ako bi ta težina iznosila 1 TeV ili više, standardni model bi postao neusaglašen, pao bi u krizu jedinstvenosti.
    Higsovo polje, standardni model i naša predstava o tome kako je Boginja napravila Vaseljenu, sve te tri stvari zavise od otkrivanja Higsovog bozona. Nažalost, na planeti Zemlji još ne postoji nijedan akcelerator koji bi imao dovoljno energije da napravi česticu tešku 1 TeV.

Copyright © sprskog izdanja by „Polaris“, 1997.
Objavljeno po odobrenju izdavača