2013 m. Nobelio fizikos premija

Tik­riau­siai nie­kas per­ne­lyg ne­abe­jo­jo, už ką šiais me­tais tu­rė­tų bū­ti skir­ta No­be­lio fi­zi­kos pre­mi­ja. Tai­gi, No­be­lio ko­mi­te­tas siur­pri­zo ne­pa­tei­kė ir fi­zi­kos pre­mi­ja bu­vo su­teik­ta už teo­ri­ją, ap­ra­šan­čią, kaip sub­at­om­in­ės da­le­lės įgau­na ma­sę. Ji per­nai mir­gė­jo ant­raš­tė­se, kai bu­vo pa­tvir­tin­ta CERN la­bo­ra­to­ri­jo­je Že­ne­vo­je, at­ra­dus efe­me­riš­ką­ją Higg­so da­le­lę. Pre­mi­ją pa­si­da­li­no du moks­li­nin­kai, ne­pri­klau­so­mai vie­nas nuo ki­to pa­siū­lę teo­ri­ją 1964-aisiais: Peter Higgs iš Britanijos ir Francois Englert iš Bel­gi­jos.

Dalelių fizikams paprastai nelengva varžytis su politikais ir įžymybių paskalomis dėl vietos antraštėse, bet Higso bozonas susilaukė tikrai nemažo dėmesio. Būtent tai nutiko 2012 liepos 4 d., kai CERN mokslininkai paskelbė radę dalelę, besielgiančią taip, kaip jie tikėjosi, kad turėtų elgtis Higgso bozonas. Gal bozono garsusis ir kontroversiškasis nikas, „dieviškoji dalelė“, palaikė žiniasklaidos srautą. Vėlgi, intriguojanti galimybė, kad visatoje Higso bozonas viskam suteikia masę, irgi užvaldo vaizduotę. O gal tiesiog esame sujaudinti daugiau sužinoję apie mūsų pasaulį ir žinome, kad jei Higso bozonas egzistuoja, dar daugiau jo paslapčių išnarpliosime.

Tačiau norint iš tiesų suprasti, kas Higso bozonas yra, turime ištirti vieną iš iškiliausių teorijų, aprašančių kosmoso veikimą: standartinį modelį. Šis modelis aprašo dalelių fiziką, sritį, kurioje fizikai stengiasi sudėtingą mūsų visatą supaprastinti iki pačių pagrindinių jos statybinių blokelių. Tai iššūkis, su kuriuo dorojomės šimtmečius ir pažengėme labai toli. Pirmiausia atradome atomus, tada protonus, neutronus ir elektronus, ir galiausiai – kvarkus ir leptonus (daugiau apie juos vėliau). Bet visata susideda ne vien iš materijos; joje esama ir jėgų, tą materiją veikiančių. Standartinis modelis leido į materijos tipus ir jėgas pažvelgti ko gero giliau, nei bet kuri kita teorija.

Standartinis modelis

Štai Standartinio modelio esmė, išvystyta aštuntojo dešimtmečio pradžioje: Visata sudaryta iš 12 skirtingų materijos dalelių ir keturių jėgų [šaltinis: European Organization for Nuclear Research]. Tarp šių 12-os dalelių rasite šešis kvarkus ir šešis leptonus. Kvarkai sudaro protonus ir neutronus, tuo tarpu leptonų šeimoje yra elektronas ir elektronas neutrinas, neturintis krūvio atitikmuo. Mokslininkai mano, kad leptonai ir kvarkai yra nedalūs, kad jų neina išardyti į mažesnes daleles. Su šiomis dalelėmis Standartinis modelis aprašo ir keturias jėgas: gravitacijos, elektromagnetinę, stipriąją ir silpnąją.

Skirtingų Standartinio modelio dalelių sąveika

Kaip jau su teorijomis būna, Standartinis modelis buvo labai efektyvus, jei neskaitysime niekaip neįsitenkančios gravitacijos. Ja apsiginklavę, fizikai numatė tam tikrų dalelių egzistavimą dar likus daug metų iki jų empirinio patvirtinimo. Deja, modeliui tebetrūksta dar vienos dalies – Higgso bozono. Kas jis yra ir kodėl jis būtinas Standartinio modelio aprašomos visatos veikimui? Išsiaiškinkime.

Higgso bozonas: paskutinė galvosūkio detalė

Pasirodo, mokslininkai mano kad kiekviena iš šių keturių fundamentalių jėgų turi ir atitinkamą dalelę nešėįą, kitaip, bozoną, veikiantį materiją. Šią koncepciją sunkoka perprasti. Esame linkę manyti apie jėgas, kaip apie paslaptingus, efemeriškus dalykus tarp egzistavimo ir nebūties, bet tikrovėje jos tokios pat realios, kaip ir pati materija.

Kai kurie fizikai apibūdino bozonus kaip svarelius, pritvirtintus paslaptingomis gumos juostomis prie jas kuriančių materijos dalelių. Naudodamiesi šia analogija, galime įsivaizduoti daleles, tuoj pat išnykstančias arba lygiai taip pat galinčias susipainioti su kitomis guminėmis juostelėmis, pritvirtintomis prie kitų bozonų (ir tuo pačiu perduodančių jėgą).

Mokslininkai mano, kad kiekviena iš keturių fundamentalių sąveikų turi savo specifinius bozonus. Pavyzdžiui, elektromagnetiniai laukai jėgą materijai perduoda fotonais. Fizikai mano, kad Higgso bozono funkcija panaši – tik jie perduoda masę.

Ar negali materija tiesiog turėti masę be visų Higgso bozono sudėtingumų? Pagal Standartinį modelį, ne. Bet fizikai rado išeitį. O kas, jei visos dalelės neturi įgimtos masės, o ją įgauna, judėdamos lauke? Šis laukas, vadinamasis Higgso laukas, skirtingai veikia skirtingas daleles. Fotonai gali slysti lauku netrukdomi, tuo tarpu W ir Z bozonai apkraunami mase. Iš tiesų, tariant, kad Higgso bozonas egzistuoja, viskas, kas turi masę, įgauna ją, sąveikaudamas su visatą užpildančiu visagaliu Higgso lauku. Kaip ir kitiems Standartinio modelio aprašomiems laukams, Higgso laukui reikia dalelės nešėjos, ir ši dalelė vadinama Higgso bozonu.

2012 liepos 4 dieną, su Didžiuoju hadronų greitintuvu (LHC) dirbę mokslininkai paskelbė atradę dalelę, besielgiančią taip, kaip turėtų elgtis Higgso bozonas. Nors rezultatai paskelbti su dideliu užtikrintumu, tebėra šiek tiek preliminarūs. Kai kurie tyrėjai vadina dalelę „Higgsiška“, kol tyrimai ir duomenys nebus kruopščiai patikrinti*. Kaip bebūtų, šis atradimas gali paskatinti sparčius atradimus apie mūsų visatą.

* Šiais metais Higso bozono tapatybė buvo patvirtinta.

Trumpas ir vaizdingas Higso lauko ir Higso bozono paaiškinimas be formulių: