Nota editorului: La 8 octombrie 2013, Peter Higgs și Francois Englert au câștigat Premiul Nobel pentru fizică pentru munca lor în bosonul Higgs. Mai jos, cronicarul nostru de știință Brian Greene explică știința din spatele descoperirii.
Din această poveste
[×] ÎNCHIS
Detectorul ATLAS, unul dintre cele două experimente pentru a observa evazivul boson Higgs în smashup-uri de particule de la colibrul de Hadroni mari din CERN, cântărește până la o sută de 747 de jeturi și adăpostește peste 1.800 de mile de cablu. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Solenoidul de Muon Compact de la Colizorul de Hadron Mare prinde particule în act. (Michael Hoch / CERN) 
Înapoi la tabloul de desen: Fizicianul Peter Higgs își scanează faimoasa ecuație care descrie sursa masei unei particule. Ar fi nevoie de o jumătate de secol pentru a se dovedi adevărat. (Stuart Wallace / Splash News / Newscom) 
Echipa lucrează cu detectorul ATLAS, unul dintre cele două experimente pentru identificarea bosonului Higgs evaziv în smashup-uri de particule. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Înainte de instalare, porțiuni ale detectorului CMS locuiau într-o cameră de curățare a CERN. (Maximilien Brice, Michael Hoch, Joseph Gobin / CERN) 
Magnetul din detectorul CMS produce un câmp magnetic de 100.000 de ori mai puternic decât cel al Pământului. (Gobin / CERN) 
Un close-up al detectorului CMS - unul dintre cele două experimente pentru detectarea semnăturilor bosonului Higgs. (Gobin / CERN) 
Deși bosonul Higgs pare prea scurt pentru a fi detectat direct, fizicienii de la CMS își pot deduce existența studiind dușurile de particule rămase în urma coliziunilor proton-proton. (T. McCauley, L. Taylor / CERN) 
Galerie foto
Continut Asemanator
- Arta și Știința se ciocnesc în descoperirea Bosonului Higgs
O poveste faimoasă din analele fizicii spune despre un Albert Einstein, în vârstă de 5 ani, bolnav în pat, care primește o busolă de jucărie de la tatăl său. Băiatul a fost deopotrivă încurcat și fascinat de forțele invizibile de la serviciu, redirecționând acul busolei spre punctul nord, ori de câte ori poziția lui de repaus era perturbată. Acea experiență, ar spune mai târziu Einstein, l-a convins că există o natură profundă ascunsă naturii și l-a impins să-și petreacă viața încercând să o dezvăluie.
Deși povestea are mai mult de un secol, tânărul conundrum Einstein a întâlnit rezonează cu o temă cheie în fizica contemporană, una esențială pentru cea mai importantă realizare experimentală în domeniul ultimilor 50 de ani: descoperirea, acum un an în iulie, din bosonul Higgs.
Lasă-mă să explic.
Știința în general, și fizica în special, caută modele. Întindeți un arc de două ori mai departe și simțiți de două ori rezistența. Un tipar. Măriți volumul pe care îl ocupă un obiect, ținându-și fix masa și cu cât plutește mai mult în apă. Un tipar. Observând cu atenție tiparele, cercetătorii descoperă legi fizice care pot fi exprimate în limbajul ecuațiilor matematice.
Un model clar este, de asemenea, evident în cazul unei busole: mutați-l și acul indică din nou spre nord. Îmi imaginez un tânăr Einstein gândindu-se că trebuie să existe o lege generală care să prevadă că ace metalice suspendate sunt împinse spre nord. Dar nu există o astfel de lege. Când există un câmp magnetic într-o regiune, anumite obiecte metalice experimentează o forță care le aliniază de-a lungul direcției câmpului, oricare ar fi această direcție. Și câmpul magnetic al Pământului se întâmplă spre nord.
Exemplul este simplu, dar lecția este profundă. Modelele naturii reflectă uneori două caracteristici întrețesute: legi fizice fundamentale și influențe de mediu. Este versiunea naturii a naturii versus nutriția. În cazul unei busole, dezamăgirea celor doi nu este dificilă. Manipulându-l cu un magnet, concluzionați cu ușurință orientarea magnetului determină direcția acului. Dar pot exista și alte situații în care influențele de mediu sunt atât de omniprezente și, dincolo de capacitatea noastră de a manipula, ar fi mult mai dificil să le recunoaștem influența.
Fizicienii povestesc o parabolă despre peștele care investighează legile fizicii, dar atât de obișnuiți cu lumea lor aposă, încât nu reușesc să ia în considerare influența sa. Lupta peștilor poate explica ușor balansarea plantelor, precum și propria lor locomoție. Legile pe care le găsesc în cele din urmă sunt complexe și nedemne. Apoi, un pește strălucitor are un progres. Poate că complexitatea reflectă simple legi fundamentale care acționează singure într-un mediu complex - unul care este umplut cu un fluid vâscos, incompresibil și pervasiv: oceanul. La început, peștele insightful este ignorat, chiar ridiculizat. Dar, încet, și ceilalți își dau seama că mediul lor, în ciuda familiarității sale, are un impact semnificativ asupra a tot ceea ce observă.
Pilda se taie mai aproape de casă decât am fi putut crede? S-ar putea să existe alte caracteristici subtile, dar totodată pline de mediu, care, până acum, nu am reușit să ne înțelegem în mod corespunzător? Descoperirea particulei Higgs de către Colibrul de Hadroni de la Geneva i-a convins pe fizicieni că răspunsul este un da răsunător.
În urmă cu aproape o jumătate de secol, Peter Higgs și o mână de alți fizicieni încercau să înțeleagă originea unei trăsături fizice de bază: masa. Vă puteți gândi la masă ca la o forță a obiectului sau, mai puțin precis, la rezistența pe care o oferă la modificarea mișcării sale. Apăsați pe un tren de marfă (sau o pene) pentru a-i crește viteza, iar rezistența pe care o simțiți reflectă masa sa. La nivel microscopic, masa trenului de marfă provine din moleculele și atomii săi, care sunt ele însele construite din particule fundamentale, electroni și quark. Dar de unde provin masele acestor și alte particule fundamentale?
Când fizicienii din anii '60 au modelat comportamentul acestor particule folosind ecuații înrădăcinate în fizica cuantică, au întâlnit un puzzle. Dacă și-au imaginat că particulele sunt toate fără masă, atunci fiecare termen din ecuații a făcut clic pe un model perfect simetric, precum vârfurile unui fulg de zăpadă perfect. Și această simetrie nu era doar elegantă din punct de vedere matematic. A explicat tiparele evidente în datele experimentale. Dar - și iată puzzle-ul - fizicienii au știut că particulele au masă, iar atunci când au modificat ecuațiile pentru a da seama de acest fapt, armonia matematică a fost stricată. Ecuațiile au devenit complexe și nepoluante și, mai rău, încă inconsistente.
Ce sa fac? Iată ideea propusă de Higgs. Nu aruncați masele particulelor pe gâtul ecuațiilor frumoase. În schimb, mențineți ecuațiile curate și simetrice, dar considerați-le să funcționeze într-un mediu particular. Imaginează-ți că tot spațiul este umplut uniform cu o substanță invizibilă - numită acum câmpul Higgs - care exercită o forță de tracțiune asupra particulelor atunci când acestea accelerează prin el. Apasă pe o particulă fundamentală în efortul de a-i crește viteza și, potrivit Higgs, ai simți această forță de tracțiune ca o rezistență. În mod justificativ, ați interpreta rezistența ca masa particulelor. Pentru o țintă mentală, gândiți-vă la o minge de ping-pong cufundată în apă. Când apăsați pe mingea de ping-pong, se va simți mult mai masiv decât în afara apei. Interacțiunea sa cu mediul apos are ca efect dotarea cu masă. La fel și cu particule scufundate în câmpul Higgs.
În 1964, Higgs a trimis o lucrare la un jurnal de fizică proeminent în care a formulat această idee matematic. Lucrarea a fost respinsă. Nu pentru că conținea o eroare tehnică, ci pentru că premisa unui spațiu invizibil care pătrunde, interacționând cu particule pentru a le oferi masa lor, ei bine, totul părea a fi o mulțime de speculații supraîncărcate. Redactorii jurnalului au considerat că „nu are nicio relevanță evidentă pentru fizică”.
Însă Higgs a perseverat (iar lucrarea sa revizuită a apărut mai târziu în acel an într-o altă revistă), iar fizicienii care și-au ocupat timpul pentru a studia propunerea au realizat treptat că ideea lui a fost un atac de geniu, care le-a permis tortul și să-l mănânce și ei. . În schema lui Higgs, ecuațiile fundamentale își pot păstra forma curată, deoarece munca murdară de a furniza masele particulelor este retrogradată în mediu.
În timp ce nu eram în preajmă să asist la respingerea inițială a propunerii lui Higgs în 1964 (bine, eram în preajmă, dar abia abia), pot să atest că până la mijlocul anilor '80, evaluarea s-a schimbat. Comunitatea fizică, în cea mai mare parte, a cumpărat pe deplin ideea că există un spațiu de permeare a câmpului Higgs. De fapt, într-un curs de absolvire am luat în considerare ceea ce este cunoscut sub numele de modelul standard al fizicii particulelor (ecuațiile cuantice fizicienii s-au reunit pentru a descrie particulele de materie și forțele dominante prin care se influențează reciproc), a prezentat profesorul Higgs câmp cu o astfel de certitudine încât de mult timp habar nu aveam că trebuie încă stabilit experimental. Uneori, asta se întâmplă în fizică. Ecuațiile matematice pot spune uneori o poveste atât de convingătoare, că pot radia realitatea atât de puternic, încât devin înrădăcinate în vernacul fizicienilor care lucrează, chiar înainte de a exista date care să le confirme.
Dar numai cu datele se poate falsifica o legătură cu realitatea. Cum putem testa testul pentru câmpul Higgs? Aici intervine Marele Colibru de Hadroni (LHC). Îndepărtându-se la sute de metri sub Geneva, Elveția, traversând granița cu Franța și înapoi, LHC este un tunel circular de aproape 17 mile care servește ca o pistă de curse pentru rupând împreună particule de materie. LHC este înconjurat de aproximativ 9.000 de magneți supraconductori și găzduiește fluxuri de hoarde de protoni, care circulă în jurul tunelului în ambele direcții, pe care magneții accelerează până la timiditatea vitezei luminii. La astfel de viteze, protonii biciuiesc în jurul tunelului de aproximativ 11.000 de ori pe secundă, iar atunci când sunt direcționați de magneți, se angajează în milioane de coliziuni în clipirea unui ochi. La rândul lor, coliziunile produc spray-uri de particule, precum artificii, pe care detectoarele mamut le captează și le înregistrează.
Una dintre principalele motivații pentru LHC, care a costat ordinul de 10 miliarde de dolari și implică mii de oameni de știință din zeci de țări, a fost căutarea de dovezi pentru domeniul Higgs. Matematica a arătat că, dacă ideea este corectă, dacă suntem într-adevăr cufundați într-un ocean din câmpul Higgs, atunci ciocnirile de particule violente ar trebui să fie capabile să jongleze câmpul, atât cât două submarine ciocnitoare ar jigli apa din jurul lor. Și de fiecare dată, jigling-ul ar trebui să fie corect pentru a arunca o pâlpâie a câmpului - o picătură mică din oceanul Higgs - care ar apărea ca o particulă căutată de mult timp.
De asemenea, calculele au arătat că particula Higgs ar fi instabilă, dezintegrându-se în alte particule într-o fracțiune minusculă de secundă. În maelstromul de particule ciocnitoare și nori încărcători de resturi de particule, oamenii de știință înarmați cu computere puternice ar căuta amprenta lui Higgs - un model de produse de descompunere dictate de ecuații.
În primele ore de dimineață ale zilei de 4 iulie 2012, m-am adunat cu aproximativ 20 de alte persoane într-o sală de conferințe din cadrul Aspen Center for Physics pentru a viziona transmisia live a unei conferințe de presă la facilitățile „Big Hadron Collider” din Geneva. Cu aproximativ șase luni mai devreme, două echipe independente de cercetători însărcinate cu colectarea și analizarea datelor LHC au anunțat un indiciu puternic că a fost găsită particula Higgs. Zvonul care zboară acum în jurul comunității de fizică era că echipele aveau în sfârșit dovezi suficiente pentru a formula o cerere definitivă. Împreună cu faptul că însuși Peter Higgs i s-a cerut să efectueze călătoria la Geneva, a existat o motivație amplă pentru a rămâne până la 3 dimineața pentru a auzi anunțul în direct.
Și pe măsură ce lumea a ajuns să învețe rapid, dovezile conform cărora particula Higgs fusese detectată era suficient de puternică pentru a trece pragul descoperirii. Cu particula Higgs acum găsită oficial, publicul din Geneva a izbucnit în aplauze sălbatice, la fel ca micul nostru grup din Aspen și, fără îndoială, zeci de întâlniri similare de pe glob. Peter Higgs șterse o lacrimă.
Cu un an de retrospectivă și date suplimentare care au servit doar pentru a face cazul pentru Higgs mai puternic, iată cum aș rezuma cele mai importante implicații ale descoperirii.
În primul rând, știm de mult timp că există locuitori invizibili în spațiu. Undele de radio și televiziune. Câmpul magnetic al Pământului. Câmpurile gravitaționale. Dar niciuna dintre acestea nu este permanentă. Niciuna nu se schimbă. Niciuna nu este prezentă uniform în întregul univers. În acest sens, câmpul Higgs este fundamental diferit. Credem că valoarea sa este aceeași pe Pământ ca în apropiere de Saturn, în Nebuloasele Orion, în întreaga Galaxy Andromeda și oriunde altundeva. Din câte putem spune, câmpul Higgs este imprimat în mod indelebil pe țesătura spațială.
În al doilea rând, particula Higgs reprezintă o nouă formă de materie, care a fost anticipată pe scară largă de zeci de ani, dar nu a fost văzută niciodată. La începutul secolului XX, fizicienii și-au dat seama că particulele, pe lângă masa lor și sarcina electrică, au o a treia caracteristică definitorie: spinul lor. Dar spre deosebire de vârful unui copil, spinul unei particule este o caracteristică intrinsecă care nu se schimbă; nu accelerează și nu încetinește în timp. Electronii și quark-urile au aceeași valoare de rotire, în timp ce rotirea fotonilor - particule de lumină - este de două ori mai mare decât cea a electronilor și a quarcurilor. Ecuațiile care descriu particula Higgs au arătat că - spre deosebire de orice altă specie de particule fundamentale - nu ar trebui să aibă niciun spin. Datele de la Colizorul de Hadroni Mari au confirmat acest lucru.
Stabilirea existenței unei noi forme de materie este o realizare rară, dar rezultatul are rezonanță într-un alt domeniu: cosmologia, studiul științific al modului în care întregul univers a început și s-a dezvoltat sub forma la care asistăm acum. Timp de mulți ani, cosmologii care studiază teoria Big Bang-ului au fost încruntați. Au pus laolaltă o descriere robustă a modului în care a evoluat universul de la o secundă despărțită după început, dar nu au fost capabili să ofere informații despre ceea ce a condus spațiul pentru a începe să se extindă în primul rând. Ce forță ar fi putut exercita o asemenea apăsare puternică spre exterior? Pentru tot succesul său, teoria Big Bang a lăsat în frâu.
În anii 1980, a fost descoperită o posibilă soluție, una care sună un clopoțel puternic Higgsian. Dacă o regiune a spațiului este uniformă cu un câmp ai cărui constituenți particulari nu sunt spini, atunci teoria lui Einstein a gravitației (teoria generală a relativității) dezvăluie că o forță repulsivă puternică poate fi generată - un bang și o mare în acest sens. Calculele au arătat că a fost dificilă realizarea acestei idei cu câmpul Higgs în sine; dubla datorie de a furniza mase de particule și de a alimenta bretonul dovedește o povară substanțială. Însă oamenii de știință înțelegători și-au dat seama că punând un al doilea câmp „asemănător lui Higgs” (care are același spin în dispariție, dar o masă și interacțiuni diferite), ei puteau împărți sarcina - un câmp pentru masă și celălalt pentru împingere respingătoare - și să ofere o explicație convingătoare a bretonului. Din această cauză, de mai bine de 30 de ani, fizicienii teoretici au explorat cu tărie teoriile cosmologice în care astfel de câmpuri asemănătoare lui Higgs joacă un rol esențial. Mii de articole din jurnal au fost scrise dezvoltând aceste idei și s-au cheltuit miliarde de dolari pentru observații în spațiu profund, căutând și găsind dovezi indirecte că aceste teorii descriu cu exactitate universul nostru. Confirmarea LHC conform căreia cel puțin un astfel de câmp există de fapt pune o generație de teoretizare cosmologică pe o bază mult mai fermă.
În cele din urmă, și poate cel mai important, descoperirea particulei Higgs este un triumf uluitor al puterii matematicii de a dezvălui funcționarea universului. Este o poveste recapitulată în fizică de nenumărate ori, dar fiecare nou exemplu emoționează la fel. Posibilitatea găurilor negre a apărut din analizele matematice ale fizicianului german Karl Schwarzchild; observațiile ulterioare au dovedit că găurile negre sunt reale. Cosmologia Big Bang a apărut din analizele matematice ale lui Alexander Friedmann și, de asemenea, ale lui Georges Lemaître; observațiile ulterioare au dovedit că această perspectivă este corectă. Conceptul anti-materie a apărut pentru prima dată din analizele matematice ale fizicianului cuantic Paul Dirac; experimentele ulterioare au arătat că și această idee este corectă. Aceste exemple oferă o idee pentru ceea ce a însemnat marele fizician matematic Eugene Wigner când a vorbit despre „eficiența nerezonabilă a matematicii în descrierea universului fizic”. Câmpul Higgs a apărut în urma studiilor matematice care căutau un mecanism pentru dotarea particulelor cu masă. Și încă o dată matematica a trecut prin culori zburătoare.
Ca fizician teoretic, unul dintre mulți s-a dedicat să găsească ceea ce Einstein numea „teoria unificată” - conexiunile profund ascunse între toate forțele naturii și materia la care visa Einstein, mult timp după ce a fost agățat de fizică de lucrările misterioase ale busolei. - descoperirea Higgs este deosebit de îmbucurătoare. Munca noastră este condusă de matematică și până în prezent nu a luat contact cu datele experimentale. Așteptăm cu nerăbdare anul 2015 când un LHC modernizat și totuși mai puternic va fi reactivat, deoarece există șanse mari ca noile date să ofere dovezi că teoriile noastre se îndreaptă în direcția cea bună. Repere majore ar include descoperirea unei clase de particule până acum nevăzute (numite particule „supersimetrice”) pe care le previn ecuațiile noastre sau indicii ale posibilității sălbatice a dimensiunilor spațiale dincolo de cele trei pe care le experimentăm cu toții. Mai interesantă ar fi însă descoperirea a ceva complet neanticipat, trimițându-ne pe toți să ne învârtim pe tablele noastre.
Mulți dintre noi încercăm să scalăm acești munți matematici timp de 30 de ani, unii chiar mai mult. Uneori am simțit că teoria unificată se afla dincolo de vârful degetelor noastre, în timp ce alteori cu adevărat bâjbâim în întuneric. Este un mare impuls pentru generația noastră să asistăm la confirmarea Higgs, să asistăm la idei matematice vechi de patru decenii realizate ca pop-uri și fisuri în detectoarele LHC. Ne reamintește să luăm în inimă cuvintele laureatului Nobel Steven Weinberg: „Greșeala noastră nu este că ne luăm prea în serios teoriile, dar nu le luăm suficient de în serios. Este întotdeauna greu să ne dăm seama că aceste numere și ecuații cu care ne jucăm la pupitrul nostru au ceva de-a face cu lumea reală. ”Uneori, acele numere și ecuații au o capacitate neobișnuită, aproape obositoare de a ilumina colțurile întunecate ale realității. Când o fac, ne apropiem atât de mult de a ne înțelege locul în cosmos.
