Prije deset godina, naučnici u Cernu objavili su da su dokazali postojanje nikad prije viđene "Božje čestice" - Higgsovog bozona, temeljnog gradivnog elementa svemira koji datira još od Velikog praska prije milijardu godina. Kakva je bila atmosfera u vrijeme otkrića, zašto su neki bili razočarani, kakav je značaj otkrića nakon 10 godina, koja su otvorena pitanja, koliko smo daleko od razumijevanja svemira i šta se može očekivati od ponovnog pokretanja sudarača, s kojim je Cern još jednom ušao u trku za revolucionarnim otkrićem?

U Cernu, najvećoj svjetskoj laboratoriji za fiziku čestica, hiljade naučnika pokušavaju raspetljati neriješene misterije fizike. Na francusko-švicarskoj granici, nedaleko od Ženevskog jezera, duboko pod zemljom njihovo je ključno oružje – LHC (Large Hadron Collider), prstenasti tunel sa obimom od 27 kilometara, koji je najmoćniji akcelerator čestica na svijetu.

Akcelerator ispaljuje čestice (protone) jedne prema drugima pri visokim energijama i skoro brzinom svjetlosti, stvarajući svake sekunde stotine miliona sudara čestica.

Na ovaj način naučnici stvaraju uslove koji su veoma slični onima u prvim trenucima svemira, nakon Velikog praska, što omogućava njihovo detaljnije proučavanje.

Sa izuzetno visokim energijama koje LHC može generisati, naučnici mogu steći uvid u skrivene zakone i svojstva i istraživati misteriozne pojave poput tamne tvari i tamne energije, za koje naučnici pretpostavljaju da postoje, ali ni jedna od njih još nije dokazana ili otkrivena.

Cern, kao i drugi akceleratori čestica, rekreira prirodne pojave u svemiru – u kontrolisanim laboratorijskim uslovima, što im omogućava detaljnije proučavanje. U svemiru se dešava više od deset miliona eksperimenata sličnih LHC-u u sekundi.

2012. je: Pronašli smo misterioznu česticu

Iako LHC ima mnogo različitih zadataka, njegov prioritetni zadatak bio je jasan – traženje Higgsovog bozona, misteriozne čestice, jednog od temeljnih gradivnih elemenata svemira, koji se po mnogo čemu razlikuje od svih do sada posmatranih čestica i povezan je sa brojnim neodgovorenim pitanjima iz fizike…

Da je dugo traženi Higgsov bozon pronađen, iz Cerna su objavili 4. jula prije deset godina. Otkrili su ga saradnici grupa ATLAS i CMS na Velikom hadronskom sudaraču (LHC) skoro pola vijeka nakon što je škotski fizičar Peter Higgs prvi predvidio moguće postojanje te čestice.

Veliko otkriće otkrili su na događaju koji je, prema svjedočenju nekih učesnika, više ličio na rock koncert nego na naučni simpozijum – ljudi su stajali u dugačkom redu da bi mogli da prisustvuju događaju, neki od njih su tamo čak i prespavali, samo da ne bi ostali ispred zatvorenih vrata punog Cernovog auditorijuma.

Higgsov bozon se često opisuje i kao Božja čestica, što nije nadimak koji bi fizičari dali čestici, mnogi od njih bi čak zakolutali očima prilikom spominjanja Božje čestice. Objašnjenje koje se najčešće spominje je da je nobelovac za fiziku Leon Lederman Higgsovu česticu nazvao »od Boga prokleta čestica« (engleski goddamn particle).

Tim nadimkom želio je da se našali na račun toga kako je teško otkriti tu česticu i da bi tako želio nazvati svoju knjigu, koja je objavljena devedesetih godina prošlog vijeka. Izdavači su tada navodno promijenili naslov u »Božja čestica«, odakle se nadimak proširio.

Naučnik na čelu otkrića: Bilo je prilično fantastično

Nagovještaj postojanja Higgsovog bozona primijetili su već 2011. godine, a godinu dana kasnije potvrđen je novim podacima i analizama. Naučnici na čelu otkrića, među kojima je i poznati njemački eksperimentalni fizičar dr. Markus Klute sa Karlsruhe Institute of Technology, za otkriće su znali mjesec dana prije svjetske javnosti.

»Bio je to fantastičan period. Veoma napeto, kada niko ne želi da pogriješi i kada radi 24 sata dnevno da bi postigao rezultat,« prisjeća se dr. Klute, koji se u to vrijeme bavio CMS eksperimentom. To je i danas glavni fokus njegovog istraživanja. Zajedno sa svojom istraživačkom grupom na američkom MIT-u, gdje je u to vrijeme radio, odigrao je centralnu ulogu u otkriću Higgsovog bozona.

Dr. Klute je tako bio među prvima koji su uvidjeli da pred sobom imaju izvanredno otkriće, da su pronašli misterioznu česticu. Sjeća se velikog uzbuđenja kada su on i njegovi studenti prvi put ugledali podatke i vidjeli višak događaja koji su ukazivali na postojanje Higgsovog bozona. »Bilo je prilično fantastično,« kaže Klute.

Bilo je jasno da su svjedoci nečega izuzetnog, što se dešava jednom u životu. »To je nešto čime smo se mi kao zajednica bavili 50 godina. Prva ideja za LHC akcelerator došla je 80-ih godina i trebalo je mnogo vremena da se s međunarodnim naporima izgrade svi ti eksperimenti. I kada dođeš do te tačke, kada dostigneš otkriće za koje je uređaj bio napravljen, to je zaista nešto fantastično, veliko, što se ne može nadmašiti,« opisuje Klute značaj tog događaja.

Fantastično dostignuće, ali sa nešto gorkog ukusa

Kako objašnjava Klute, bio je iznenađen što je Higgsov bozon izgledao upravo onako kako su očekivali. Pri tom inače izvanrednom otkriću, bilo je i nešto gorkog okusa jer nisu pronašli nešto neobično, iznenađujuće, nešto izvan standardnog modela fizike elementarnih čestica.

»Nakon otkrića sam bio u nekom stanju žalosti, jer sam se toliko nadao da ćemo ipak dobiti nagovještaj nove fizike, što je otkriće na nekoliko trenutaka postavilo na sporednu prugu. Ali kada to prespavaš i razmisliš o tome, otkriće samo po sebi je tako fantastično. Ja ne stvaram prirodu, nego je posmatram, na nju ne mogu da utičem,» kaže Klute.

Uloga slovenačkih istraživača

Kako ističe dr. Marko Mikuž sa Odsjeka za eksperimentalnu fiziku elementarnih čestica Instituta Jožef Stefan, koji u Cernu vodi grupu slovenačkih istraživača, otkriće Higgsovog bozona je postepen proces, rezultat višegodišnjih istraživanja i priprema, čiji dio su bili i slovenački istraživači.

Oni već od 1996. godine sarađuju u eksperimentu ATLAS na LHC-u. Glavni doprinos slovenačkih istraživača bila je izgradnja SCT poddetektora u samom srcu više od 50-metarskog ATLAS detektora.

Mikuž se dobro sjeća objavljivanja velikog otkrića. Iako je 4. jula bio na najvećoj konferenciji u oblasti fizike visokih energija u Melburnu, događaj su pratili uživo, tako da je uzbuđenje bilo slično onom kao da ste tamo. »Radost i opuštenost zbog tog otkrića bile su skoro iste kao na seminaru u Cernu. Bio si među kolegama i dijelio si radost objavljivanja tog otkrića.«

Higgsov bozon – komadić slagalice koji nedostaje

»Otkriće Higgsove čestice i posljedično efekata Higgsovog polja je toliko epohalno da mu ništa što se dogodilo u fizici čestica u poslednjih 10 godina nije ni do koljena,« kaže dr. Jure Zupan, koji se bavi teorijskom fizikom visokih energija.

Naime, otkriće Higgsovog bozona bilo je od ključnog značaja za fiziku čestica, za koju je Higgsov bozon predstavljao nedostajući dio standardnog modela fizike elementarnih čestica – teorijskog modela koji predstavlja okvir za naše trenutno razumijevanje elementarnih čestica i sila prirode. Do sada su naučnici mogli da objasne postojanje svemira sa 17 osnovnih elemenata, ali je nedostajao poslednji, ključni element – Higgsov bozon.

Kako objašnjava Klute, Higgsov bozon nije bilo koja čestica, već najvažnija čestica jer bi navodno trebao biti izvor jednog od ključnih svojstava svih stvari – mase. Bez njega ne bi bilo zvijezda, planeta, a time i svih nas.

LHC proizvodi jedan Higgsov bozon u oko milijardu sudara, gdje je njegova postojanost tako kratkotrajna da naučnici njegova svojstva proučavaju indirektno, kroz sekundarne čestice na koje se raspada. Slika prikazuje tragove dva fotona visoke energije izmjerena CMS eksperimentom.

Otkriće je tako promijenilo svijet fizike čestica i otvorilo vrata koja su bila zatvorena do njegovog otkrića. Zbog toga se fizika više promijenila u posljednjih deset godina nego u prethodnih 30, rekao je na konferenciji za novinare uoči godišnjice (30. juna) Gian Giudice, šef odjela teorijske fizike u Cernu.

Da se radilo o jednom od najvećih dostignuća nauke, potvrdila je i odluka da se Nobelova nagrada za fiziku dodijeli fizičarima Francoisu Englertu i Peteru Higgsu, koji su prije skoro 50 godina predvidjeli postojanje čestice.

Otkrićem Higgsovog bozona potvrdilo se postojanje Higgsovog polja

Značaj otkrića nije bio (samo) u tome što je pronađena nova, dugo očekivana čestica, već prije svega u tome što je postojanje te čestice prvi neposredan dokaz da smo okruženi novim tipom fundamentalnog polja poznatim kao Higgsovo polje, koje je jedno od glavnih komponenti standardnog modela fizike elementarnih čestica, objašnjava slovenački istraživač dr. Liza Mijović, koja na Fakultetu za fiziku i astronomiju u Edinburgu vodi eksperimentalnu istraživačku grupu Higgsovog bozona.

Higgsovo polje je svuda oko nas, prožima sav prostor ili cijeli svemir i daje masu drugim česticama. Interakcija sa Higgsovim poljem kroz koju čestice dobijaju masu, poznata je kao Brout-Englert-Higgs mehanizam odnosno Higgsov mehanizam, kako ga najčešće spominju.

Dokaz postojanja Higgsovog polja može biti samo sam Higgsov bozon, zbog čega su naučnici skoro pola vijeka pokušavali da ga pronađu. »Higgsovo polje možemo otkriti samo njegovim uznemiravanjem, slično bacanju kamena u vodu i gledanju talasa. Higgsov bozon je manifestacija takvog poremećaja – neka vrsta talasa na toj površini,« objašnjava Mijović.

Ilustracija Higgsovog mehanizma

Zamislimo da gomila fizičara na slici, koji tiho ćaskaju, predstavlja prostor ispunjen Higgsovim poljem.

U sobu ulazi poznati naučnik, koji svojim kretanjem izaziva uznemirenost i svakim svojim korakom privlači gomilu obožavatelja. Istovremeno se povećava njegov otpor pri kretanju, drugačije rečeno, dobija na masi, baš kao i čestica koja se kreće kroz Higgsovo polje…

Otkriće Higgsovog bozona je tek početak

Iako je otkriće Higgsovog bozona nesumnjivo bilo izuzetno važno, to nije bio kraj nego tek početak istraživanja. Sve do 2012. godine naučnici pokušavaju nacrtati što precizniji portret te čestice. Tako danas znaju da mu je masa 125 milijardi elektronvolti, što znači da je 130 puta masivniji od protona te da ima nulti spin i zbog toga je jedina elementarna čestica bez spina.

Istovremeno Higgsov bozon nije samo predmet istraživanja, nego je u posljednjih deset godina postao snažno oruđe za proučavanje načina na koje osnovno Higgsovo polje utiče na elementarne čestice standardnog modela fizike elementarnih čestica, kaže Marko Mikuž.

Kako objašnjava dr. Jure Zupan, o prirodi Higgsove čestice u posljednjih deset godina mnogo su naučili preciznim mjerenjima kolega na LHC, a bilo je i nekoliko iznenađenja.

»Čini se da živimo u svemiru koji je prilično ’blizu ruba’. Za samo približno deset posto izmijenjene interakcije Higgsa sa najtežim kvarkom (top kvarkom) značile bi da se naš svemir brzo promijenio u oblik koji ne omogućava život (preko raspada vakuuma). Vrlo zanimljivo je takođe da se sva mjerenja karakteristika Higgsovog bozona do sada, podudaraju sa standardnim modelom, čak i sa vrlo lakim česticama.

Među centralnim pitanjima, koja i dalje ostaju nerazriješena po riječima Lize Mijović, ostaje pitanje na koji način neke čestice dobivaju masu (da li se to kod svih čestica događa preko Higgsovog mehanizma ili ne), pitanje da li se Higgsov bozon može raspasti na nove Higgsove bozone – od čega zavisi stabilnost a time i sudbina našeg svemira, i koji je životni vijek Higgsovog bozona.

Naučnici se nadaju da bi detaljnijim istraživanjima Higgsovog bozona ne samo bolje razumjeli čestice, nego bi stigli do fizike izvan okvira standardnog modela fizike elementarnih čestica, kojoj i nakon deset godina od otkrića još uvijek nema traga.

»S jedne strane je to razočarenje, a sa druge se radi o fantastičnom uspjehu teorije – standardnog modela. Svi eksperimenti posljednjih godina podudaraju se sa našom teorijskom slikom, i činjenica da je čovječanstvo sposobno za to, da imamo apstraktan model, teoriju koja perfektno opisuje prirodu, nije loša, nego je fantastična,« mišljenja je Klute

U toku je treći krug takmičenja za otkrivanje nove fizike

Nakon tri godine mirovanja zbog održavanja i nadogradnje, LHC je ponovo započeo takmičenje za otkriće nove fizike. Naime, u utorak su ga ponovo pokrenuli, čime je počeo novi, treći period prikupljanja podataka za fiziku u akceleratoru.

Ovaj put su ga pokrenuli sa najvećom energijom do sada, 13,6 teraelektronvolti (TeV), u odnosu na… više od prošlog, drugog ovogodišnjeg lansiranja. Zbog svih nadogradnji takođe ima i najveću preciznost do sada, a s tim i najveću mogućnost za nova otkrića nego ikada ranije.

U trećem krugu će naučnici promatrati ranije nedostupne procese i poboljšati preciznost mjerenja brojnih poznatih procesa, koji obrađuju elementarna pitanja kao što je izvor asimetrije tvari i antimaterije u svemiru. Proučavaće karakteristike tvari pri ekstremnim temperaturama i gustoćama, te tražiti kandidate za tamnu tvar i druge nove fenomene.

Nije isključeno da će iz podataka, koje su počeli prikupljati u utorak proizaći veliko otkriće. Nadamo se, ali nema garancije, kaže Klute.

Scientists at CERN observe three "exotic" particles for first time https://t.co/8gr9HJYHZQ pic.twitter.com/kkA4fbE6Ct

— Reuters (@Reuters) July 5, 2022

Još više podataka će donijeti nadograđeni sudarač – takozvani High Luminosity LHC (HC-LHC), koji bi trebao raditi od 2028. do 2040. godine. On će još više povećati broj sudara čestica i prikupiti barem 10 puta više podataka nego što su ih prikupili do sada, čime će se snažno povećati mogućnost otkrića rijetkih subatomskih čestica i njihovih interakcija.

100-kilometarski supersudarač budućnosti

Za odgovore na neka od elementarnih pitanja ni nadograđeni akcelerator neće biti dovoljan, zato u Cernu već nekoliko godina planiraju novi, snažniji supersudarač Future Circular Collider (FCC), koji će zamijeniti LHC.

100-kilometarska naprava, koju bi trebali izgraditi u podzemnom tunelu u blizini lokacije Cerna, vremenom bi mogla postići energiju sudara 100 TeV, što je približno šest puta više od energije sudara trenutno aktivnog LHC. Postizanjem izuzetno visokih energija, novi sudarač bi omogućio najdublji uvid u strukturu materije do sada i pružio mogućnost za otkrivanje novih čestica.

Po Mikuževim riječima novi sudarač će biti precizna fabrika Higgsovih bozona, u kojoj će Higgsov bozon proučiti u detalje. »Ne zato da bi potvrdili standardni model, jer to već postaje dosadno, nego da bi saznali šta se događa mimo toga, da bi saznali šta je tamna tvar.« Higgsov bozon će tako, slično kao gravitacijski valovi u astrofizici, poslužiti kao neka vrsta glasnika i posrednika do informacija iz svemira, tačnije do tamne tvari.

Moguće je da se zbog preniskih energija u HC-LHC-u i novoj fabrici Higgsovi bozoni neće direktno vidjeti, no možda će karakteristike Higgsovog bozona pokazati gdje tražiti čestice tamne tvari, napominje Mikuž.

Odluku o gradnji novog sudarača u Cernu potvrdili su 2020. godine, iako ta odluka još nije konačna, objašnjava Mikuž. Naime, za sudarač vrijednosti vrtoglavih 21 milijardu eura Cern još nema sredstva, isto tako ni veliki dio tehnologije koja će biti potrebna konačnoj napravi još nije razvijena i biće predmet intenzivnog proučavanja u nadolazećim decenijama.

Gradnja novog tunela i sudarača bi po najavama trebala početi 2038. godine. Najprije bi Cern izgradio sudarač elektrona i pozitrona sa energijama sudara prilagođenim za što veću proizvodnju Higgsovih bozona. Kasnije u ovom vijeku prvu bi napravu zamijenili sudaračem protona i protona, koji bi postizao energije sudara od 100 TeV.

Slovenija odložila punopravno članstvo u Cernu

Cern trenutno ima 23 punopravne države članice, sedam pridruženih članica i tri pridružene članice na putu ka punopravnom članstvu – među njima je i Slovenija. Sporazum između Slovenije i Cerna prilikom dodjele statusa pridružene članice kao prethodne faze članstvu, u decembru 2016. u Ženevi potpisale su tadašnja ministrica obrazovanja Maja Makovec Brenčič i generalna direktorica Cerna, Fabiola Gianotti. Državni zbor ga je ratificirao u martu 2017. godine.

Nakon dobivanja statusa pridružene članice Slovenija bi nakon pet godina, znači već ove godine, mogla postati punopravna članica Cerna. Kako su objasnili u ministarstvu, Slovenija je prošle godine zamolila za produženje statusa pridružene članice. Očekuje se da bi punopravna članica trebala postati 2024. godine.

Kako su objasnili u ministarstvu za obrazovanje, nauku i sport, za status koji omogućava postepen proces jačanja statusa članstva, odlučili su se zbog visoke članarine, relativno male grupe slovenačkih istraživača u ovom području, te želje za što većim angažmanom slovenačke privrede u dobivanju projekata s Cernom, što bi opravdalo visoku članarinu. U 2022. članarina je iznosila približno 1.8 miliona eura, a u 2023. najmanje 2,2 miliona eura. Puna članarina bi po trenutnim kriterijima iznosila dobrih tri miliona eura.

Nedoumice o smislenosti super skupog supersudarača

Nisu svi uvjereni u smislenost super skupog supersudarača, koji bi možda mogao povesti u novu dimenziju fizike i razumijevanja svijeta. Neki se pitaju da li je novu fiziku moguće dostići ovakvom napravom ili smo dosegli stakleni strop.

Jedna od glasnijih kritičarki je dr. Sabine Hossenfelder, teorijska fizičarka na Institutu za napredne studije u Frankfurtu u Njemačkoj, koja misli da novi sudarač nije dobra zamisao i da naučna dobit ni izbliza nije osigurana. »Govorimo o desetinama milijardi. Mislim samo da trenutno nema dovoljno naučnog potencijala za provođenje takvih studija,« procjenjuje.

Klute koja učestvuje u pripremama za novi sudarač, svjesna je da takav projekat otvara ne samo tehnološka ili fizička pitanja, nego i pitanje podrške u društvu. Skepticima odgovara da je to dobra investicija koja donosi značajnu korist, jer se s tim između ostalog obrazuje mnogo mladih ljudi na području fizike i tehnologije, pored toga u toku procesa se razvijaju tehnologije od koristi cijelom društvu. Istovremeno ovim dokazuju da države mogu zajedno, u miru, sarađivati na rješavanju vrlo kompleksnih problema, nada se, da će se to prenijeti i na druga važna pitanja kao što je klimatska kriza.

»Društvo mora investirati u kulturu, umjetnost i elementarna istraživanja jer su dio vrijednosti čovječanstva,» uvjeren je Klute.

Liza Mijović također naglašava da osmišljavanje novih ekesperimenata ima smisla, jer još uvijek ne razumijemo 95 posto našeg svemira i jer znamo da postoji nova fizika koja bi nam pomogla da to razumijemo, samo je treba otkriti.

Nova fizika je iza ugla

Otkriće Higgsovog bozona zasigurno je bilo jedan od vrhunaca karijere njemačkog fizičara Klutea ali se nada da dolazi još nešto više.

»Na području fizike visokih energija i fizike čestica imamo mnogo otvorenih pitanja i snažno se trudimo da pronađemo odgovore s LHC in drugim eksperimentima. Nadam se, da će se za vrijeme moga života dogoditi još jedno otkriće ove vrste. Važno pitanje je tamna tvar, i njom se vrlo sistematično bavimo.«

»Nova fizika je iza ugla, ali ne znamo gdje je taj ugao/…/ Ako bih se morao kladiti na nešto, rekao bih da će nam Higgsov bozon nagovijestiti gdje bi mogli pronaći novu fiziku.«

Program N1 televizije možete pratiti UŽIVO na ovom linku kao i putem aplikacija za Android|iPhone/iPad