François Englert şi Peter W. Higgs îşi împart premiul Nobel pentru fizică pe anul 2013, acordat pentru teoria ce explică modul în care microparticulele dobândesc masă. În anul 1964 cei doi savanţi au pus bazele acestei teorii, în mod independent unul de celălalt, Englert lucrând cu colegul său Robert Brout, decedat între timp.
În 2012 ideile lor au fost confirmate prin descoperirea aşa numitei particule Higgs în laboratoarele de la CERN (lângă Geneva, Elveţia).
Nucleul acestei teorii constituie partea centrală a modelului standard al microparticulelor, model ce descrie modul în care este construită lumea fizică. Conform modelului standard, totul, de la flori şi oameni la stele şi planete, este format din doar câteva cărămizi de bază: microparticulele. Acestea sunt guvernate de forţele mediate prin intermediul particulelor de câmp, care asigură ca totul să funcţioneze corect.
Întregul model standard se bazează, de asemenea, pe existenţa unui tip special de particule, numite particule Higgs. Ele sunt conectate cu un câmp ce umple spaţiul, chiar şi în zonele considerate vide. Dacă aceste particule nu ar fi prezente, electronii şi quarcurile ar fi lipsiţi de masă, aşa cum se întâmplă cu fotonii (particulele de lumină). Şi la fel precum fotonii, ei ar zbura prin spaţiu, după cum prezice teoria lui Einstein, cu viteza luminii, fără posibilitatea de a forma atomi şi molecule. Şi nimic din ceea ce cunoaştem astăzi n-ar mai exista.
Particulele Higgs, notate H, completează modelul standard al particulelor fizice ca blocuri de bază în construcţia Universului
Atât François Englert, cât şi Peter Higgs erau tineri oameni de ştiinţă atunci când, în 1964, în mod independent, au iniţiat o teorie ce a salvat modelul standard de la prăbuşire. După aproape jumătate de secol, pe data de 4 iulie 2012, ambii se aflau la Laboratorul European pentru Fizica Particulelor (CERN - Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) de lângă Geneva, în momentul în care existenţa particulei Higgs a fost în sfârşit confirmată, iar vestea a fost făcută publică.
François Englert şi Peter Higgs, pe 4 iulie 2012, pentru prima dată împreună la CERN cu ocazia anunţării la nivel mondial a descoperirii particulei Higgs
Modelul care a creat ordine în universul subatomic
Ideea că lumea poate fi explicată pe baza câtorva blocuri de bază utilizate în construcţia ei nu este nouă. Deja în anul 400 înaintea erei noastre, filosoful grec presocratic Democrit postula că totul este format din atomi, átomos semnificând în limba greacă indivizibil. Astăzi ştim că atomii nu sunt indivizibili, ei fiind constituiţi din electroni ce orbitează în jurul unui nucleu format din protoni şi neutroni. La rândul lor, atât protonii, cât şi neutronii sunt formaţi din particule mai mici denumite quarcuri. Astfel, doar quarcurile şi electronii sunt consideraţi indivizibili de către modelul standard.
Componenţi ai nucleului atomic, protonii şi neutronii poartă numele generic de nucleoni. Nucleonii sunt formaţi din două tipuri de quarcuri: quarcurile up (sus) şi quarcurile down (jos). Astfel, în construcţia întregii materii existente sunt necesare trei tipuri de particule elementare: electronii, quarcurile up şi quarcurile down. Cum în anii 50’ şi 60’ au fost puse în evidenţă noi microparticule, atât în radiaţia cosmică, cât şi în acceleratoarele de particule nou construite, modelul standard a trebuit să explice noi combinaţii de electroni şi quarcuri.
În afară de particulele de materie există, de asemenea, şi particule de forţă (particule de câmp). Acestea sunt asociate celor patru forţe fundamentale cunoscute: gravitaţia, electromagnetismul, forţa tare şi forţa slabă.
Gravitaţia şi electromagnetismul sunt câmpurile de forţă cele mai cunoscute, ele manifestându-se prin fenomene de atracţie, respectiv de atracţie-respingere. Forţa tare acţionează la nivelul quarcurilor, ţinând nucleonii împreună în nucleul atomic. În fine, forţa slabă este responsabilă pentru fenomenul de dezintegrare radioactivă, fenomen apărut spre exemplu în procesele nucleare ce au loc în interiorul Soarelui.
Modelul standard al fizicii particulelor reuneşte cărămizile de bază ale naturii (electronii şi quarcurile) şi trei din cele patru câmpuri de forţă, excepţia fiind gravitaţia. Pentru mult timp, modul în care aceste forţe acţionează a constituit un mister. De exemplu, ne-am întrebat deseori cum este atras un corp metalic de către un magnet situat la oarecare distanţă de acesta? Sau cum simte Luna prezenţa Pământului în apropierea sa?
Câmpuri invizibile umplu spaţiul
Explicaţia oferită de fizică fenomenelor de mai sus este că spaţiul este inundat de câmpuri invizibile: gravitaţionale, electromagnetice, tari şi slabe. Putem spune că toate aceste câmpuri umplu spaţiul fizic sau mai corect continuumul spaţiu-timp cvadridimensional - un spaţiu abstract ce constituie suport pentru teoriile fizice. Modelul standard este o teorie cuantică ce consideră câmpurile şi particulele ca fiind elementele esenţiale ale Universului.
În această teorie cuantică totul este văzut ca o colecţie de vibraţii ale unui câmp cuantic, vibraţii care se propagă sub forma unor mici pachete denumite cuante, ce ne apar sub forma unor particule. Există două tipuri de câmpuri cuantice: câmpurile de materie ce au drept cuante particulele de materie şi câmpurile de forţă ce folosesc drept mediatori particulele de forţă. În acest sens, particula Higgs este privită ca o vibraţie într-un câmp specific, referit deseori drept câmp Higgs.
Fără acest câmp, modelul standard s-ar prăbuşi precum un castel din cărţi de joc, deoarece teoria cuantică a câmpului introduce singularităţi (infinituri ce nu pot fi eliminate) şi simetrii ce nu pot fi înţelese. Odată cu acceptarea ideilor lui François Englert şi Robert Brout, ale lui Peter Higgs şi ulterior ale altor cercetători, s-a dovedit că aşa numitul câmp Higgs poate rupe simetria Modelului Standard fără a distruge teoria.
Toată discuția porneşte de la faptul că modelul standard funcţionează doar dacă particulele nu au masă. Astfel, pentru cazul forţelor electromagnetice nu apar probleme, deoarece cuantele de mediere a interacţiunilor sunt fotonii, particule fără masă de repaus. Forţa slabă, însă, este mediată de trei particule masive: două particule W încărcate electric şi o particulă Z neutră. Ele se comportă cu totul diferit faţă de extrem de rapidul foton. Şi atunci, cum am putea înţelege forţa electro-slabă care unifică electromagnetismul şi forţa slabă? Modelul standard era ameninţat. Acesta a fost momentul în care Englert, Brout şi Higgs au intrat în scenă, propunând un ingenios mecanism prin care particulele să dobândească masă, iar modelul standard să fie salvat.
Câmpul fantomă al lui Higgs
Câmpul Higgs nu seamănă cu alte câmpuri din fizică. Toate câmpurile variază ca intensitate şi tind către zero pe măsură ce nivelul lor energetic scade. Nu şi câmpul Higgs, însă. Chiar dacă spaţiul devine complet vid, el va fi încă umplut de un câmp fantomă care refuză să dispară: câmpul Higgs. Nu-l putem observa. El este precum aerul pentru noi sau precum apa pentru peşti. Fără el nu am exista, deoarece particulele capătă masă numai ca urmare a interacţiunii cu acesta.
Particulele care nu interacţionează cu câmpul Higgs nu dobândesc masă, cele care interacţionează slab devin cuante de lumină, iar cele care interacţionează puternic devin particule masive.
De exemplu, electronii, căpătând masă în urma interacţiunii cu câmpul Higgs, joacă un rol crucial în menţinerea unitară a atomilor şi moleculelor. Dacă acest câmp ar dispărea, întreaga materie ar colapsa, deoarece electronii, deveniţi brusc imponderabili, s-ar dispersa cu viteza luminii.
Deci, ce face ca acest câmp Higgs să fie atât de special? Câmpul Higgs rupe simetria intrinsecă a lumii. În natură, simetria abundă. Feţele umane au contururi regulate, florile şi fulgii de zăpadă prezintă diverse tipuri de simetrii geometrice. Fizica dezvăluie numeroase tipuri de simetrii ce caracterizează lumea în care trăim, la cele mai profunde nivele. Astfel, un caz simplu de simetrie stipulează că rezultatul unui experiment simplu de laborator nu depinde de faptul că acesta se efectuează în Stockholm sau în Paris (simetrie spaţială). Nu contează nici ora la care experimentul este efectuat (simetrie temporală). Teoria relativităţii a lui Einstein se ocupă cu simetrii în spaţiu şi timp. Ea a devenit un model pentru multe teorii fizice, cum este şi cazul modelului standard. Ecuaţiile modelului standard sunt simetrice în acelaşi fel în care o minge de fotbal arată la fel indiferent de unghiul sub care te uiţi la ea. Aceste ecuaţii rămân neschimbate, chiar dacă perspectiva ce le defineşte se modifică.
Principiile de simetrie conduc la numeroase rezultate neaşteptate. Astfel, în 1918 matematicianul german Emmy Noether a arătat că legile de conservare a energiei şi sarcinii electrice îşi au originile în simetrie.
Existenţa simetriei cere ca anumite cerinţe să fie îndeplinite. O minge, pentru a fi simetrică, trebuie să fie perfect rotundă. Cea mai mică denivelare va produce o rupere a simetriei. Şi pentru ecuaţii se aplică criterii specifice. Iar una dintre simetriile modelului standard interzice particulelor să aibă masă. Cum, însă, în lumea în care trăim constatăm că particulele deţin masă, trebuie să presupunem că ele au căpătat masa de undeva. Acesta este modul în care ne putem explica mecanismul prin care existenţa intrinsecă a simetriei poate coexista cu starea prin care ea să fie ascunsă percepţiei noastre.
Simetria este ascunsă, dar ea există
Universul nostru s-a născut, cel mai probabil, simetric. La momentul Big-Bangului toate particulele erau lipsite de masă şi toate forţele unite într-o singură forţă primordială. Această ordine iniţială nu mai există astăzi. Simetria ce o caracteriza ne este ascunsă. Ceva s-a întâmplat la doar 10-11s (zece la minus unsprezece secunde) după Big-Bang. Câmpul Higgs şi-a pierdut echilibrul originar. Cum s-a întâmplat asta?
Totul a început perfect simetric. Această stare ar putea fi descrisă ca cea a unei bile de rulment pe fundul unui bol de sticlă, starea de minimă energie. Dând un impuls bilei, aceasta urcă pe peretele de sticlă, după care revine către starea iniţială.
Dacă pe fundul bolului apare o cocoaşă, asemenea unei pălării mexicane, poziţia centrală a fundului de bol rămâne în continuare centrul unei regiuni simetrice, dar devine totodată punct instabil pentru bilă. Bila va părăsi acest punct, rostogolindu-se după oricare dintre direcţii. Fundul de bol este încă simetric, dar poziţionarea excentrică a bilei, departe de centru, ascunde simetria. Într-o manieră similară, câmpul Higgs a rupt simetria şi a găsit un nivel energetic stabil în vid, departe de poziţia simetrică de zero. Această rupere spontană de simetrie este denumită tranziţie de fază a câmpului Higgs, analog situaţiei în care apa trece din stare lichidă în stare solidă prin fenomenul de îngheţ.
Universul a fost creat, probabil, simetric iar câmpul Higgs a avut o simetrie corespondentă poziţiei stabile a unei bile pe fundul unui bol. La zece la minus unsprezece secunde după Bing-Bang câmpul Higgs a rupt simetria, mutând nivelul de minimă energie departe de centrul de simetrie.
Pentru ca tranziţia de fază să poată să apară, au fost necesare patru particule, dar numai una – particula Higgs – a supravieţuit. Celelalte trei au fost consumate de către particulele de mediere a forţei slabe, cele două particule W încărcate electric şi particula Z neutră, acestea dobândindu-şi astfel masa. În acest mod, simetria forţei electro-slabe în descrierea modelului standard a fost salvată – simetria dintre cele trei particule grele ale forţei slabe şi fotonul fără masă de repaus continuă să existe, dar este ascunsă percepţiei.
Maşini extreme pentru fizică extremă
Laureaţii premiului Nobel pentru fizică din acest an probabil că nu şi-au imaginat că vor ajunge să-şi vadă teoria confirmată pe timpul vieţii lor. Pentru aceasta a fost nevoie de un enorm efort depus de fizicieni de-a lungul unui mare interval de timp, de două laboratoare: Fermilab situat lângă Chicago, Statele Unite ale Americii, şi CERN - aflat la graniţa franco-elveţiană, şi de o acerbă competiţie în încercarea de punere în evidenţă a particulei Higgs. Când acceleratorul Tevatron de la Fermilab a fost închis, acum câţiva ani, CERN a devenit singurul loc din lume în care vânătoarea de particule Higgs a continuat.
CERN a fost înfiinţat în 1954, într-o încercare de reanimare a cercetării nucleare europene şi de restabilire a unei relaţii de colaborare între statele Europei, destul de divizate după cel de-al doilea război mondial. Această colaborare reuneşte douăzeci de state membre şi aproximativ o sută de naţiuni partenere la proiecte din întreaga lume.
Grandioasa realizare de la CERN, acceleratorul de particule LHC (Large Hadron Collider), este probabil cea mai mare şi mai complexă maşină construită vreodată de om. Două grupuri de cercetători, numărând aproximativ trei mii de oameni de ştiinţă, vânează particule cu ajutorul marilor detectoare ATLAS şi CMS. Detectoarele sunt situate la 100 de metri sub nivelul solului şi pot gestiona 40 de milioane de ciocniri între particule în fiecare secundă. Această valoare sugerează rata mare de coliziuni ce apar ca urmare a injectării de particule în tunelul circular LHC de 27 de kilometri, ce sunt apoi accelerate unele către celelalte.
Protonii sunt injectaţi în LHC la fiecare zece ore, formând două fascicule îndreptate unul către celălalt. O sută de mii de miliarde de protoni sunt adunaţi într-o rază ultra-subţire – o sarcină nu tocmai uşor de îndeplinit ţinând cont de respingerea ce apare între particulele încărcate pozitiv. După ce protonii ating o viteză de 99,99999 procente din viteza luminii în vid, se ciocnesc cu o energie de aproximativ 4 tera-electroni-volţi fiecare şi 8 tera-electroni-volţi pe pereche (1 TeV = 1 mie de miliarde de electroni-volţi). Un tera-electron-volt poate să nu pară o energie atât de mare, fiind aproximativ egală cu cea a unui ţânţar în zbor. Ţinând cont însă de faptul că ea este furnizată unui singur proton şi că în fascicul sunt 500 de miliarde de protoni, energia totală devine egală cu cea a unui tren la viteză maximă. Iar în 2015 această energie furnizată de LHD se va dubla.
O imagine realizată de detectorul ATLAS prezintă traiectoriile a patru miuoni (cu roşu) creaţi în urma dezintegrării unei particule Higgs cu viaţă scurtă. Imagine furnizată de CERN: http://cds.cern.ch/record/1459496
O particulă Higgs a fost creată şi apoi s-a dezintegrat în doi fotoni. Traseele lor (cu verde) sunt vizibile în detectorul CMS. Imagine furnizată de CERN: http://cds.cern.ch/record/1459459
Un puzzle în interiorul unui puzzle
Experimentele cu microparticule sunt deseori comparate cu acţiunea de zdrobire a două ceasuri elveţiene pentru a vedea modul în care acestea sunt construite. De fapt lucrurile sunt mult mai complicate deoarece microparticulele pe care oamenii de ştiinţă le caută sunt cu totul noi, create din energia eliberată în urma ciocnirii.
Conform binecunoscutei formule a lui Einstein: energia este egală cu masa înmulţită cu viteza luminii în vid ridicată la pătrat; putem spune că masa este un fel de energie. Şi în asta constă întreaga magie, făcută posibilă de către ecuaţia de mai sus, chiar şi pentru particulele lipsite de masă. În urma ciocnirilor apare ceva cu totul nou, ca atunci când din doi fotoni apare un electron şi antiparticula sa – pozitronul sau când o particulă Higgs este creată ca urmare a coliziunii dintre doi gluoni cu energii suficient de mari.
Protonii sunt asemenea unor mici pachete umplute cu particule – quarcuri, antiquarcuri şi gluoni. Majoritatea protonilor trec unul pe lângă altul, în linişte şi fără efecte. În medie, la fiecare ciocnire de fascicule protonice apar doar în jur de douăzeci de coliziuni frontale, adică mai puţin de o coliziune la un miliard de perechi protonice. Deşi o astfel de rată a ciocnirilor poate să nu pară semnificativă, în urma fiecărei coliziuni apare o interacţiune explozivă a circa o mie de particule. La 125 GeV (1 giga-electron-volt = o mie de milioane de electroni-volţi) o particulă Higgs este de peste o sută de ori mai grea decât un proton, acesta fiind şi unul dintre motivele pentru care ea este atât de dificil de produs.
Cu toate acestea, experimentul este încă departe de a fi încheiat. Oamenii de ştiinţă speră ca următorii ani să aducă descoperiri mai inovatoare. Chiar dacă găsirea particulei Higgs este o mare realizare – piesa lipsă din puzzle-ul modelului standard – teoria obţinută nu constituie ultima piesă a jocului cosmic.
Chiar dacă particula Higgs a finalizat puzzle-ul Modelului Standard, această teorie nu constituie piesa finală din marele joc cosmic.
Unul dintre motive este acela că modelul standard tratează anumite particule, cum ar fi neutrinii, ca fiind practic lipsite de masă, în timp ce studiile recente arată că ei de fapt au masă. Un alt motiv este că teoria descrie doar materia vizibilă, reprezentând doar o cincime din întreaga materie a Universului. Restul este aşa-numita materie întunecată, de o natură cu totul necunoscută. Deşi ea nu este observabilă în mod direct, produce efecte gravitaţionale ce au drept consecinţă ţinerea la un loc a structurilor ce formează galaxiile.
În toate celelalte privinţe, materia întunecată evită să interacţioneze cu materia vizibilă. Dar să ne amintim că particula Higgs este atât de deosebită. Poate că prin intermediul ei am putea stabili contactul cu enigmatica parte întunecată a Universului. Oamenii de ştiinţă speră să captureze măcar o bucăţică de materie întunecată, fapt ce-i face să continue şi în următoarele decenii goana după particulele - necunoscute încă - ce apar în LHC.
Link-uri şi lecturi suplimentare
Informaţii suplimentare cu privire la premiile din acest an, inclusiv un articol ştiinţific fundamental în limba engleză, pot fi găsite pe site-ul suedez al Academiei Regale de Ştiinţe: http://kva.se precum şi la: http://nobelprize.org. Aceste site-uri includ, de asemenea, versiuni web-TV de conferinţe de presă în care au fost anunţate premiile. Informaţii cu privire la expoziţii şi activităţi legate de premiile Nobel şi Premiul în Ştiinţe Economice pot fi găsite la: www.nobelmuseet.se.
Laureaţii
François Englert este cetăţean belgian născut în 1932 la Etterbeek. A obţinut titlul PhD în 1959 la Université Libre de Bruxelles, şi tot aici titlul de Profesor emerit.
www.ulb.ac.be/sciences/physth/people_FEnglert.html
Peter W. Higgs este cetăţean britanic născut în 1929 la Newcastle upon Tyne. A obţinut titlul PhD la King’s College, University of London, iar cel de Profesor emerit la University of Edinburg.
www.ph.ed.ac.uk/higgs/
Traducere de George Mahalu după Physics Prize 2013
