Liepos pradžioje mokslininkai pranešė pagaliau užregistravę naują elementariąją dalelę, panašią į Higgso bozoną, kurio paieškos trunka beveik pusę amžiaus. Kodėl ši dalelė tokia svarbi ir ką reiškia šis mokslinis atradimas žmonijai?

Liepos 4 dieną Ženevoje esančio Europos branduolinių tyrimų centro (angl. CERN) mokslininkai pranešė, kad atrasta nauja dalelė, savo savybėmis labai panaši į Higgso bozoną. Jei bus galutinai įrodyta, kad tai būtent ši elementarioji dalelė, tai taps didžiuliu dalelių fizikos mokslo žingsniu, užbaigiančiu vieną iš labai svarbių etapų. „Mes pasiekėme kertinį įvykį, pagilinantį pasaulio sandaros supratimą“, – šie pakilūs CERN direktoriaus Rolfo Heuerio žodžiai patvirtina atradimo svarbą.
Higgso bozono pėdsakai buvo pastebėti dviejuose nepriklausomai veikiančiuose detektoriuose ATLAS ir CMS, kurie registruoja Didžiajame hadronų greitintuve (angl. Large hadron collider, LHC) vykstančius protonų susidūrimus. Dr. Fabiola Gianotti ir dr. Joe Incandela, detektoriais gaunamus duomenis tiriančių mokslininkų grupių vadovai, patvirtino atradimo faktą. Pasak J.Incandelos, rezultatas, nors dar nepatvirtintas, vis dėlto yra nedviprasmiškas: tai nauja dalelė, kurios masė labai artima teoriniuose skaičiavimuose nurodytai Higgso bozono masei.
Tikslesnių duomenų mokslininkai tikisi sulaukti jau ateinančių metų pradžioje, tačiau galutinių įrodymų, kad tai tikrai Higgso bozonas, teks palaukti iki 2015-ųjų. Mat gruodį LHC bus išjungtas dvejus metus truksiančiai renovacijai, per kurią bus beveik dvigubai padidinta greitintuvo galia.
Bozonai, hadronai, greitintuvai – visi šie terminai skamba magiškai ir nesuprantamai, tokia yra ir dalelių fizika. Vis dėlto pabandykime suprasti, kodėl ši mokslo sritis tokia svarbi pasaulio suvokimui, kodėl būtent Higgso bozonas sukėlė mokslininkų džiaugsmą ir kokios naudos duos šios dalelės atradimas.

Elementariųjų dalelių zoosodas

Dalelių fizika visatos supratimui reiškia panašiai kaip DNR kodas gyvybės suvokimui. Todėl mokslininkai nuolatos bando sukurti idealų fizikinį modelį, kuris kuo tiksliau aprašytų, iš kokių dalelių sudaryta viskas visatoje – tiek tolima žvaigždė, tiek ranka, vartanti šiuos puslapius. Einant šimtmečiams šis žmonijos suvokimas vis gilėjo ir buvo pildomas, o kartais ir apverčiamas aukštyn kojomis.
Tarkime, jau senovės Graikijos ir Indijos mąstytojai suvokė, kad viskas sudaryta iš nedalomų mažyčių dalelių – atomų. Tačiau 1897-aisiais britų mokslininkas Josephas Johnas Thomsonas atlikdamas savo eksperimentus pastebėjo, kad atomas vis dėlto nėra mažiausia dalelė – jį sudaro branduolys ir elektronas. Po kelių dešimtmečių Ernestas Rutherfordas ir keletas kitų žymių fizikų bei chemikų patvirtino, kad atomo branduolį sudaro dar mažesnės dalelės – protonai ir neutronai. Tačiau mokslininkai nė nemanė spausti stabdžių ir 1964-aisiais fizikai Murray Gell-Mannas bei George’as Zweigas „suskaldė“ protonus bei neutronus – pasirodo, juos sudaro dar mažesni kvarkai.
Ilgainiui mokslininkai „pamatė“ dar daugiau dalelių: neutrinus, miuonus, pionus, gliuonus ir galybė kitokių -onų – šiandien fizikai turi tikrą zoologijos sodą, pilną elementariųjų dalelių. O kad jame būtų lengviau susigaudyti, prireikė aiškios schemos, kuri aprašytų, kas iš ko sudarytas ir kaip vienos dalelės veikia kitas.
Viena tokių visatą aiškinančių schemų vadinama Standartiniu modeliu (angl. Standard Model), kuriame aprašyta iš viso 17 dalelių. Šis modelis yra tikrai sudėtingas ir jį aprašančios formulės kartais primena paukščių kalbą. Vis dėlto pabandysime bent šiek tiek apibūdinti šio modelio pagrindus.
Dvylika iš minėtų 17 dalelių sudaro mus supančią medžiagą – šis tuzinas vadinamas fermionais, pagal jų savybes aprašiusio italų mokslininko Enrico Fermi pavardę. Likusios penkios dalelės vadinamos bozonais. Jos taip vadinamos pagal indų mokslininko Satyendros Nath Bose pavardę, kuris kartu su Albertu Einsteinu aprašė dėsnius, pagal kuriuos „elgiasi“ šios dalelės.
Bozonai atsakingi už tai, kad egzistuoja keturios svarbiausios jėgos, kurios yra tarsi grandinės, rišančios visą materiją, – be jų visata būtų tik paskirų dalelių sriuba ir nebūtų nei žvaigždžių, nei planetų, nei gyvybės. Keturi iš penkių bozonų jau kuris laikas nekėlė mokslininkams didelio galvos skausmo, tačiau penktasis – Higgso bozonas iki šiol egzistavo tik popieriuje esančiose formulėse, kurias 1964-aisiais nepriklausomai užrašė britų fizikas Peteris Higgsas bei dar dvi mokslininkų grupės.
Tad kodėl ši dalelė tokia svarbi, kad jos pasirodymo su nekantrumu laukė daugybė mokslininkų? Ogi todėl, kad Higgso bozonas atsakingas už tai, kad medžiaga turi masę, – juk be jos visatoje turėtume tik šviesos greičiu judančių dalelių sriubą, ir nei žvaigždžių, nei planetų, nei žmonių. Jei šios dalelės egzistavimas nebūtų įrodytas eksperimentu, Standartinį modelį galima būtų išmesti į šiukšlių dėžę – tektų ieškoti naujos viską paaiškinančios teorijos. Beje, kartu šiukšlynan keliautų ir keletas Nobelio premijų, gautų už darbus, kurie remiasi šiuo pasaulio suvokimo modeliu.
Todėl liepos pradžios pranešimas daugeliui fizikų sukėlė palengvėjimą ir užkamšė vieną didžiausių Standartinio modelio spragų, leidusių daliai mokslininkų abejoti juo. Juk, tarkime, ir žymusis šių dienų fizikas Stephenas Hawkingas su kolega Gordonu Kane’u buvo susilažinęs, kad Higgso dalelės nepavyks surasti, – laimė, S.Hawkingui teks atsisveikinti su šimto dolerių banknotu.

Prakeikta ar dieviška dalelė

Higgso bozonas vadinamas dieviškąja dalele, nes be jos nebūtų masės ir visa materija visatoje būtų prakeikta amžinai skristi šviesos greičiu – nebūtų nei atomų, nei planetų, nei gyvybės. Tiesa, yra ir kita šio pavadinimo kilmės versija. 1993-iaisiais amerikiečių fizikas, Nobelio premijos laureatas Leonas Ledermanas parašė mokslo populiarinimo knygą apie dalelių fiziką, pavadintą „Dieviškoji dalelė: jei visata yra atsakymas, tai koks tada klausimas?“ (The God Particle: If the Universe Is the Answer, What is the Question?). Pasirodo, kad originaliame pavadinime mokslininkas buvo įrašęs „prakeiktoji dalelė“ (angl. goddamn particle), tačiau redaktorius užsispyrė ir paliko žodelį „dieviškoji“. Pats P.Higgsas savo teoriniuose skaičiavimuose aprašytos dalelės įrodymų turėjo laukti beveik pusę amžiaus, todėl 83 metų sulaukęs mokslininkas su ašaromis akyse džiaugėsi, kad šis atradimas įvyko dar jam gyvam esant.
Higgso bozonas išties paslaptinga dalelė – ji daugiau nei šimtą kartų sunkesnė už protoną, todėl jai sugeneruoti reikalingas didžiulis energijos kiekis. Be to, ši elementarioji dalelė yra netvari ir egzistuoja labai trumpą laiką, kol suskyla į stabilesnes daleles. Tokio lygio energiją pavyko pasiekti tik prieš keletą metų pradėjusiame veikti LHC greitintuve.

Kaip verdama bozonų sriuba

Dalelių greitintuvas veikia gan paprastai. LHC – tai didžiulis 27 kilometrų skersmens žiedu susuktas vamzdis, esantis 100 metrų gylyje po žeme Šveicarijos ir Prancūzijos teritorijoje. Jame vienas prieš kitą paleidžiami du protonų pluoštai, kuriuos beveik iki šviesos greičio įgreitina ypač galingi iki –271 laipsnio Celsijaus atšaldyti magnetai. Kuo didesnis protonų greitis, tuo daugiau energijos išsiskiria, kai protonų pluoštai susiduria: smūgis būna toks stiprus, kad susidūrimo vietoje gimsta tūkstančiai naujų dalelių, o tarp jų – ir Higgso bozonas.
Aplink susidūrimo vietą esantys detektoriai, tokie kaip minėti CMS bei ATLAS, registruoja šių skilimų pėdsakus, o gautus milžiniškus duomenų kiekius siunčia į po visą pasaulį išsibarsčiusius analizės centrus, kuriuose vietiniai mokslininkai, pasitelkę superkompiuterius, bando atskirti pelus nuo grūdų. Beje, vienas toks duomenų analizės centras yra ir Vilniaus universitete. „Ko gero, galima teigti, kad prie šio atradimo prisidėjo ir lietuvių mokslininkai“, – pabrėžia prof. Egidijus Norvaišas, VU Teorinės fizikos ir astronomijos instituto mokslininkas.

Kas iš to ir kas toliau?

Ne veltui LHC yra laikomas pačiu brangiausiu mokslo projektu – iki šiandien į jį investuota daugiau nei 13 mlrd. JAV dolerių ir kasmet šio greitintuvo išlaikymas kainuoja po vieną milijardą dolerių. Tad galima sakyti, kad Higgso bozono paieškos yra pats brangiausias pasaulyje mokslinis eksperimentas, todėl dažnam kyla klausimas, kokios naudos duos šios dalelės atradimas.
„Svarbiausia, kad šis atradimas tikrai leido užbaigti vieną iš svarbių Standartinio modelio formavimo etapų“, – džiaugiasi E.Norvaišas. Pasak mokslininko, šiandien sudėtinga numatyti, kaip Higgso bozono atradimas pakeis technologijų tobulėjimą ar atvers kelius naujiems atradimams. Juolab kad CERN mokslininkams bei dalelių fizikams turėtume būti dėkingi už daugelį šiandien mūsų gyvenimą gerinančių išradimų – internetą, medicininius magnetinio rezonanso tyrimus ar modernius smegenų vėžio gydymo būdus.
Be to, Higgso bozono atradimas leidžia mokslininkams eiti toliau ir ieškoti tobulesnių visatos veikimą paaiškinančių teorijų. Nors ši dalelė leis užpildyti spragas ir patvirtinti Standartinį modelį, tačiau jis neduoda atsakymų į daugybę klausimų. Tarkime, šis modelis numato, kad visatoje turėtų būti vienodas materijos ir antimaterijos kiekis, bet iš tikrųjų antimaterijos yra nykstamai mažai.
Taip pat nežinia, kur pasidėjo didesnė dalis medžiagos, turėjusios atsirasti po Didžiojo sprogimo: sudėję visų žvaigždžių, planetų, galaktikų bei kitų dangaus kūnų masę gauname tik apie 5 proc. visos medžiagos. Ši žmonijos sukurtais prietaisais nematoma visatos dalis vadinama tamsiąja medžiaga ir tamsiąja energija. Kadangi Higgso bozonas yra atsakingas už masę, todėl gali būti, kad jame slypi raktas į tamsiosios visatos dalies paslapčių įminimą.
Bet kokiu atveju naujai atrasta dalelė žymi didžiulius pokyčius: geriausiu atveju ji taps pamatu naujoms pasaulio suvokimo teorijoms, blogiausiu – privers fizikus iš naujo perrašyti kai kuriuos dėsnius. Na, o moksliniai eksperimentai pagimdys šimtus naujų inovacijų, kurios gerins kasdienį žmonių gyvenimą.