Cząstka na końcu Wszechświata
W serii ukazały się: w 2012 roku: Richard Dawkins Samolubny gen Ian Stewart Dlaczego prawda jest piękna. O symetrii w matematyce i fizyce Günter Nimtz Przestrzeń czasu zerowego. Tunelowanie kwantowe i prędkości nadświetlne Astrid Haibel Ian Stewart Stąd do nieskończoności. Przewodnik po krainie dzisiejszej matematyki John D. Barrow Księga wszechświatów Shing-Tung Yau Geometria teorii strun. Ukryte wymiary przestrzeni Steve Nadis Leon Lederman Boska cząstka. Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie? Dick Teresi David A. Weintraub Ile lat ma wszechświat. Wielkie pytanie i wielka podróż ku odpowiedzi Brian Greene Ukryta rzeczywistość. W poszukiwaniu wszechświatów równoległych Ian Sample Peter Higgs. Poszukiwania boskiej cząstki w 2013 roku: Lisa Randall Pukając do nieba bram. Jak fizyka pomaga zrozumieć wszechświat Paul Davies Milczenie gwiazd. Poszukiwania pozaziemskiej inteligencji Leon Lederman Zrozumieć niepojęte. Fizyka kwantowa i rzeczywistość Christopher Hill Frank Close Zagadka nieskończoności. Kwantowa teoria pola na tropach porządku Wszechświata Stephen Oppenheimer Pożegnanie z Afryką. Jak człowiek zaludniał świat Bruce Rosenblum Zagadka teorii kwantów. Zmagania fizyki ze świadomością w 2014 roku: Lawrence M. Krauss Wszechświat z niczego. Dlaczego istnieje raczej coś niż nic Jim Baggott Higgs. Odkrycie boskiej cząstki Caleb Scharf Silniki grawitacji. Jak czarne dziury rządzą galaktykami i gwiazdami
Sean Carroll Cząstka na końcu Wszechświata Bozon Higgsa i nowa wizja rzeczywistości Przełożyli Bogumił Bieniok i Ewa L. Łokas
Tytuł oryginału THE PARTICLE AT THE END OF THE UNIVERSE How the Hunt for the Higgs Boson Leads Us to the Edge of a New World Copyright Sean Carroll 2012 All rights reserved Projekt okładki Prószyński Media Ilustracja na okładce Zbigniew Larwa / CERN Redaktor serii Adrian Markowski Redakcja Anna Kaniewska Korekta Anna Kaniewska Łamanie Jacek Kucharski ISBN 978-83-7961-036-5 Warszawa 2014 Wydawca Prószyński Media Sp. z o.o. 02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28 www.proszynski.pl Druk i oprawa Drukarnia TINTA 13-200 Działdowo, ul. Żwirki i Wigury 22 www.drukarniatinta.pl
Spis treści Prolog... 11 Rozdział 1. Sedno... 19 Rozdział 2. W obliczu boskości... 33 Rozdział 3. Atomy i cząstki... 55 Rozdział 4. Historia akceleratorów... 74 Rozdział 5. Największe urządzenie w historii... 98 Rozdział 6. Wiedza płynąca ze zderzeń...119 Rozdział 7. Cząstki w falach...145 Rozdział 8. Po drugiej stronie pękniętego lustra...168 Rozdział 9. Głośne owacje...200 Rozdział 10. Głoszenie dobrej nowiny...233 Rozdział 11. Marzenia o Noblu...260 Rozdział 12. Poza horyzontem...299 Rozdział 13. Dlaczego warto o to walczyć...331 Dodatek 1. Masa i spin...349 Dodatek 2. Cząstki Modelu Standardowego...361 Dodatek 3. Cząstki i ich oddziaływania...368 Literatura uzupełniająca...380 Podziękowania...386 Indeks...389
Mojej mamie, która zaprowadziła mnie kiedyś do biblioteki
Ludzie nie zdają sobie sprawy, jak duże znaczenie ma nowa rzeczywistość Joe Incandela, rzecznik zespołu detektora CMS prowadzącego badania w Wielkim Zderzaczu Hadronów
Prolog JoAnne Hewett jest wyraźnie oszołomiona, ale uśmiecha się szeroko, mówiąc z przejęciem do obiektywu kamery. Na przyjęciu w szwajcarskim konsulacie w San Francisco słychać głośny szum rozmów podekscytowanych gości. To wyjątkowa okazja do świętowania: w tunelu Wielkiego Zderzacza Hadronów niedaleko Genewy zaczęły krążyć pierwsze protony. Wielki Zderzacz Hadronów, w skrócie LHC od ang. Large Hadron Collider, to olbrzymi akcelerator cząstek wybudowany pod granicą francusko-szwajcarską, który ma posłużyć uczonym do odkrycia tajemnic Wszechświata. Szampan leje się szerokim strumieniem i trudno się temu dziwić *. Hewett mówi podniesionym głosem, akcentując każde słowo: Czekałam na ten dzień Dwadzieścia. Pięć. Lat. To była wielka chwila. Właśnie wtedy, w 2008 roku, fizycy osiągnęli w końcu to, o czym marzyli od dawna i co ich zdaniem było konieczne, by móc uczynić kolejny wielki krok naprzód: uruchomili gigantyczny akcelerator cząstek umożliwiający zderzanie ze sobą protonów rozpędzonych do bardzo dużej energii. Przez chwilę wydawało się, że urządzenie takie powstanie w Stanach Zjednoczonych, ale wypadki potoczyły się inaczej, niż planowano. W 1983 roku, gdy Kongres zatwierdził budowę * Wpis JoAnne Hewett na blogu Cosmic Variance z 11 września 2008 roku: http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2008/09/11/giddy-physicists/.
12 Cząstka na końcu Wszechświata Nadprzewodzącego Superzderzacza (w skrócie SSC, od ang. Superconducting Super Collider) w Teksasie, Hewett rozpoczynała dopiero studia. Zgodnie z założeniami SSC miał rozpocząć pracę przed rokiem 2000 i byłby wówczas największym akceleratorem, jaki kiedykolwiek powstał. Podobnie jak wielu innych utalentowanych i ambitnych fizyków jej pokolenia, Hewett wierzyła, że dzięki odkryciom dokonywanym za pomocą tego urządzenia będzie mogła rozwinąć wspaniałą karierę naukową. Ostatecznie jednak zaniechano budowy SSC i fizycy pełni nadziei, że dzięki temu urządzeniu będą mieli pełne ręce roboty przez najbliższe dziesięciolecia, stracili nagle grunt pod nogami. Teraz w Wielkim Zderzaczu Hadronów, podobnym pod wieloma względami do tego, czym mógł być SSC, już wkrótce zacznie krążyć pierwsza wiązka i Hewett wraz z kolegami jest na to gotowa jak nigdy. W ciągu ostatnich dwudziestu pięciu lat brałam na warsztat każdą nową szaloną teorię fizyczną i wyznaczałam jej sygnaturę [parametry pozwalające rozpoznać nowe cząstki] w SSC lub LHC mówi. Jest jeszcze jedna, bardziej osobista przyczyna, dla której czuła się wówczas tak oszołomiona. Na ekranie widać, że jej rude włosy są przycięte bardzo krótko, niemal po wojskowemu. Nie wynika to jednak z najnowszych trendów mody. Przed kilkoma miesiącami dowiedziała się, że ma inwazyjnego raka piersi, który w jednym przypadku na pięć może okazać się śmiertelny. Zdecydowała się na niezwykle agresywne leczenie obejmujące chemioterapię silnymi lekami i niekończące się zabiegi chirurgiczne. Jej piękne rude włosy, sięgające zwykle do pasa, szybko zniknęły. Uśmiechając się, przyznaje, że czasami na duchu podtrzymywały ją rozmyślania o tym, jakie to nowe cząstki uda się odkryć w LHC. Znamy się z JoAnne już od wielu lat, jako koledzy po fachu i przyjaciele. Ja zajmuję się głównie kosmologią, czyli badaniem Wszechświata jako całości, a od pewnego czasu mamy w tej dziedzinie złoty okres przejawiający się zalewem nowych informacji i zaskakujących odkryć. Natomiast fizyka cząstek, nieodłączna towarzyszka kosmologii, od lat
Prolog 13 cierpiała na brak nowych danych doświadczalnych, które mogłyby zachwiać podstawami ustalonych teorii i doprowadzić do odkrycia nowych idei. Taki stan rzeczy doskwierał uczonym przez bardzo długi okres. Gordona Wattsa z Uniwersytetu Stanu Waszyngton w Seattle, jednego z fizyków zaproszonych na przyjęcie, zapytano, czy to długie oczekiwanie na uruchomienie LHC było stresujące. Och, bez wątpienia odparł. Jak widzicie, trochę już posiwiałem. Moja żona twierdzi, że to z powodu naszego dziecka, ale ja wiem, że tak naprawdę przyczynił się do tego LHC. W fizyce cząstek rozpoczyna się nowa epoka, w której jedne teorie legną w gruzach, a inne potwierdzą swoją słuszność. Każdy z fizyków obecnych na przyjęciu ma swój ulubiony model teorię obejmującą bozony Higgsa, supersymetrię, technikolor, dodatkowe wymiary lub ciemną materię będący kłębowiskiem egzotycznych idei, z których wynikają fantastyczne wnioski. Ja mam nadzieję, że badania w LHC pokażą, iż żadna z tych teorii nie odpowiada prawdzie mówi z entuzjazmem Hewett. Jestem święcie przekonana, że czeka nas duże zaskoczenie, ponieważ natura jest mądrzejsza od nas i przygotowała dla nas jeszcze wiele niespodzianek. Będziemy się doskonale bawić, próbując to wszystko rozwikłać. Wprost nie mogę się tego doczekać! Wszystko to działo się w 2008 roku. W 2012, cztery lata po przyjęciu zorganizowanym z okazji uruchomienia Wielkiego Zderzacza Hadronów, oficjalnie rozpoczęła się epoka odkryć. Hewett ma ponownie długie włosy. Leczenie było niezwykle bolesne, ale wydaje się, że odniosło skutek. Eksperyment, na który czekała od tak dawna, staje się częścią rzeczywistości. Po dwudziestu pięciu latach teoretyzowania może w końcu skonfrontować swoje idee z prawdziwymi danymi opisującymi nigdy wcześniej niewidziane cząstki i oddziaływania, które natura skrzętnie przed nami ukrywała. Aż do dziś. Wykonajmy przeskok w czasie do 4 lipca 2012 roku, pierwszego dnia Międzynarodowej Konferencji Fizyki Wysokich Energii. Konferencję
14 Cząstka na końcu Wszechświata tę organizuje się co dwa lata, za każdym razem w innym mieście tym razem nadeszła kolej na Melbourne w Australii. Setki fizyków cząstek wśród nich JoAnne Hewitt wypełniły szczelnie salę, by wziąć udział w wyjątkowym seminarium. Za chwilę okaże się, jakie korzyści przyniosły olbrzymie inwestycje w budowę LHC i co otrzymają fizycy po tak długim wyczekiwaniu. Prezentacja jest transmitowana do Melbourne z CERN-u laboratorium w Genewie, w którym mieści się LHC. Zaplanowano dwa wystąpienia, które w normalnych warunkach zostałyby wygłoszone w Melbourne jako jeden z punktów programu konferencji. Organizatorzy zdecydowali jednak w ostatniej chwili, że w wydarzeniu tej rangi powinni uczestniczyć wszyscy, dzięki którym odniesienie tego sukcesu było w ogóle możliwe. O tym, że była to trafna decyzja, świadczą setki fizyków, którzy ustawili się w CERN-ie w kolejce na wiele godzin przed rozpoczęciem wykładu. Ponieważ początek uroczystości zaplanowano na 9.00 rano czasu lokalnego, wielu z oczekujących spędziło pod salą całą noc w śpiworach, by zapewnić sobie dobre miejsce. Rolf Heuer, dyrektor generalny CERN-u, przedstawia plan wystąpień. Wykłady wygłosi dwoje fizyków: Amerykanin Joe Incandela i Włoszka Fabiola Gianotti rzecznicy dwóch najważniejszych zespołów zbierających i analizujących dane z LHC. W każdej z tych grup pracuje ponad trzy tysiące badaczy, których większość śledzi teraz w napięciu te wydarzenia na ekranach monitorów komputerowych rozsianych po całym globie. Wystąpienia są transmitowane na żywo nie tylko do Melbourne za pośrednictwem Internetu każdy, kto tylko chce, może razem z uczonymi poznać uzyskane wyniki. Trudno nie zauważyć, że to odpowiednie medium do świętowania sukcesu współczesnej Wielkiej Nauki są to w końcu międzynarodowe badania, w których wykorzystuje się najnowsze zdobycze techniki, a gra toczy się o niezwykle wysoką stawkę. W wystąpieniach Gianotti i Incandeli można było wyczuć ślady zdenerwowania, ale przedstawiane przez nich fakty mówiły same za siebie. Na początku oboje podziękowali z całego serca licznej grupie
Prolog 15 inżynierów i uczonych, bez których przeprowadzenie tych doświadczeń nie byłoby możliwe. Następnie wyjaśnili, dlaczego powinniśmy uwierzyć w wyniki, które za chwilę zaprezentują pokazali, że rozumieją działanie wykorzystywanych urządzeń, a analiza danych została przeprowadzona dokładnie i rzetelnie. Dopiero po takim starannym przygotowaniu gruntu Gianotti i Incandela przedstawili rezultat poszukiwań. Oto i on. Kilka wykresów, które dla niewtajemniczonych wyglądają zupełnie niepozornie, można jednak na nich zauważyć jedną, powtarzającą się cechę: wystąpienie większej, niż oczekiwano liczby zdarzeń (grup cząstek powstających w pojedynczym zderzeniu) o określonej energii. Wszyscy obecni na sali fizycy od razu wiedzieli, co to oznacza wykryto nową cząstkę. Wielki Zderzacz Hadronów pokazał nam fragment przyrody, którego dotychczas nikomu nie udało się zobaczyć. Incandela i Gianotti przedstawili następnie wyniki żmudnej analizy statystycznej, która ma za zadanie oddzielić prawdziwe odkrycia od niefortunnych zbiegów okoliczności i w przypadku obu zespołów ostateczny werdykt brzmiał jednoznacznie: Mamy odkrycie. Oklaski. W Genewie, w Melbourne i na całym świecie. Udało się zebrać tak dokładne i jednoznaczne dane, że nawet uczeni od wielu lat biorący udział w tych pracach nie mogą w to uwierzyć. Walijski fizyk Lyn Evans, który jak nikt inny przyczynił się do pokonania początkowych trudności i doprowadzenia całego przedsięwzięcia do szczęśliwego końca, przyznał, że zupełnie go zatkało, gdy zobaczył niespotykaną zgodność wyników uzyskanych w obu detektorach *. Ja również byłem tamtego dnia w CERN-ie. Wcieliłem się w rolę dziennikarza i dotarłem do pomieszczenia dla prasy znajdującego się tuż obok głównej sali. Dziennikarze nie powinni oklaskiwać relacjonowanych przez siebie wydarzeń, ale zgromadzeni w CERN-ie reporterzy ulegli magii chwili. Nie był to jedynie sukces CERN-u, czy nawet fizyki było to osiągnięcie całej ludzkości. * Wywiad z Lynem Evansem przeprowadzony 4 lipca 2012 roku.
16 Cząstka na końcu Wszechświata Wydaje się, że wiemy, co udało się nam odkryć: nową cząstkę elementarną o nazwie bozon Higgsa (nazwaną tak na cześć szkockiego fizyka Petera Higgsa). Osiemdziesięciotrzyletni Higgs również znajdował się na sali i był wyraźnie poruszony: Nie sądziłem, że zdarzy się to jeszcze za mojego życia wyznał *. Wśród zaproszonych gości było także kilku innych, starszych już fizyków, którzy razem z Higgsem przedstawili tę samą koncepcję w 1964 roku. Nazwy teorii fizycznych nie zawsze oddają sprawiedliwość ich twórcom, ale w tej chwili wszyscy mogli cieszyć się z osiągniętego sukcesu. Czym więc jest ów bozon Higgsa? Jest cząstką elementarną, a takich nie ma zbyt wiele. W dodatku jest bardzo szczególnym rodzajem cząstki. We współczesnej fizyce wyróżnia się ich trzy rodzaje. Pierwszy stanowią cząstki materii, takie jak elektrony i kwarki, tworzące atomy, z których zbudowane jest wszystko, co widzimy wokół siebie. Drugi to cząstki pośredniczące przenoszące grawitację, elektromagnetyzm i oddziaływania jądrowe, dzięki którym cząstki materii utrzymują się blisko siebie. Ostatni, trzeci rodzaj stanowi cząstka Higgsa, będąca klasą sama dla siebie. O znaczeniu cząstki Higgsa decyduje nie to, czym jest, ale to, co robi. Cząstka ta powstaje za sprawą pola wypełniającego całą przestrzeń, które nazywamy polem Higgsa. Wszystko, co istnieje w znanym nam Wszechświecie i porusza się w przestrzeni, musi przemierzać pole Higgsa. Ono istnieje w każdym miejscu i czai się niewidzialne gdzieś w tle. Fakt ten nie jest bez znaczenia: bez pola Higgsa elektrony i kwarki byłyby bezmasowe, tak jak fotony, cząstki światła. Gdyby tak było, również one poruszałyby się z prędkością światła i nie mogłyby tworzyć atomów ani cząsteczek, nie mówiąc już o jakichkolwiek znanych nam istotach żywych. Pole Higgsa nie jest aktywnym czynnikiem biorącym udział * Wywiad z Peterem Higgsem z 10 lipca 2012 roku, zamieszczony na portalu internetowym magazynu New Scientist, http://www.newscientist.com/article/ dn22033-peter-higgs-boson-discovery-like-being-hit-by-a-wave.html.
Prolog 17 w oddziaływaniach zwyczajnej materii, ale jego obecność w tle ma kluczowe znaczenie. Bez niego świat wyglądałby zupełnie inaczej. I teraz udało nam się je odkryć. W tym miejscu muszę jednak zamieścić pewne zastrzeżenie. Tak naprawdę udało nam się zdobyć dowody na istnienie cząstki przypominającej bardzo cząstkę Higgsa. Ma ona właściwą masę, a także powstaje i rozpada się mniej więcej tak, jak należałoby się tego spodziewać po bozonie Higgsa. Na razie jest jednak jeszcze za wcześnie na to, by móc z całą pewnością stwierdzić, że uczeni zaobserwowali prostą cząstkę Higgsa, której istnienie przewidują podstawowe modele. Nie można wykluczyć, że jest to coś bardziej skomplikowanego może nawet część złożonej struktury powiązanych ze sobą cząstek. Nie ulega jednak wątpliwości, że odkryliśmy jakąś nową cząstkę, która zachowuje się tak, jak powinien się zachowywać bozon Higgsa. Na potrzeby tej książki przyjmiemy więc, że 4 lipca 2012 roku był dniem, w którym ogłoszono odkrycie bozonu Higgsa. Jeśli w przyszłości okaże się, że rzeczywistość jest bardziej złożona, to tym lepiej dla wszystkich fizycy uwielbiają niespodzianki. Uczeni mają nadzieję, że odkrycie cząstki Higgsa będzie początkiem nowej epoki w fizyce cząstek. Wiemy, że fizyka jest bardzo skomplikowana i nie potrafimy jej obecnie w pełni wyjaśnić. Badanie cząstki Higgsa pozwoli nam zajrzeć do światów, których nikt jeszcze nie widział. Fizycy doświadczalni, tacy jak Gianotti i Incandela, mają nowy obiekt badań. Teoretycy, tacy jak Hewett nowe wskazówki pozwalające konstruować lepsze modele. W naszych dążeniach do zrozumienia Wszechświata udało nam się wreszcie zrobić olbrzymi, od dawna wyczekiwany krok naprzód. Jest to opowieść o ludziach, którzy poświęcili swoje życie badaniom ostatecznej natury rzeczywistości a cząstka Higgsa jest jej kluczowym elementem. Są wśród nich teoretycy, siedzący przy biurku z ołówkiem w ręku, rozmyślający o abstrakcyjnych ideach, których przy życiu utrzymuje tylko mocna kawa i zacięte dyskusje z kolegami. Są także
18 Cząstka na końcu Wszechświata inżynierowie, którzy wyciskają z urządzeń i układów elektronicznych maksimum tego, na co pozwala współczesna technika. Przede wszystkim jednak są w tej grupie fizycy doświadczalni, potrafiący umiejętnie wykorzystać te urządzenia i idee do odkrycia czegoś nowego. Zaawansowane badania fizyki współczesnej wiążą się z koniecznością wykonania projektów o budżecie wynoszącym miliardy dolarów, których realizacja zajmuje całe dziesięciolecia. W takiej sytuacji uczeni muszą być gotowi do nadzwyczajnego poświęcenia i grania o wysoką stawkę. Gdy wszystko to jest na swoim miejscu świat się zmienia. Życie jest piękne. Wychylmy jeszcze jeden kielich szampana.