Galvasopis dėl Higso bozono

Šiek tiek susigraudino ne vien Higgsas. Galų gale, tai buvo didis įvykis. Higso bozonas užbaigia didingą rūmą – materijos ir fundamentaliųjų sąveikų Standartinį modelį. Darbas atliktas.

Jei tik viskas būtų taip paprasta… Kai dalelių fizikai kitą savaitę susirinks (Straipsnio publikavimo technologijos.lt portale metu (11–18) ji jau bus baigusis (11–13 iki 11–16) – red. past.) Kioto mieste Japonijoje į pirmąją didelę konferenciją nuo paskelbimo liepą, tebelieka atviras klausimas ar toji dalelė išties yra Standartinio modelio pièce de résistance. Ir tuo tarpu sklando netgi dar šventvagiškesnės mintys: jei tai iš tiesų jis, ar mes to išvis norime?

Higgso keverzonės turėjo išspręsti painią ir daugialypę problemą. Septintojo dešimtmečio pradžioje fizikai džiūgavo, galėdami aprašyti elektromagnetinius laukus ir jėgas per bemasių fotonų mainus. Jie trūks plyš norėjo panašios kvantų teorijos ir silpnajai branduolinei sąveikai, bet netrukus susidūrė su problema: skaičiavimai reikalavo, kad šią jėgą pernešančios dalelės, dabar žinomos, kaip W ir Z bozonai, irgi turėtų būti bemasiai. Iš tiesų jų masė yra tarp 80 ir 90 gigaelektronvoltų (GeV), beveik 100 kartų didesnė už protonų.

Higgso ir kitų sugalvotas sprendimas buvo naujas, erdvę pripildantis laukas, suteikiantis vakuumui teigiamą energiją, kuri savo ruožtu galėtų dalelėms suteikti skirtingą masę, nelygu jų sąveikavimo su lauku laipsnis. Šio lauko kvantinė dalelė buvo pavadinta Higso bozonu.

Standartiniam modeliui vystantis, darėsi vis aiškiau, kaip gyvybiškai svarbu rasti šią dalelę. Modelis reikalavo, kad labai ankstyvoje karštoje visatoje elektromagnetinė ir silpnoji branduolinė sąveika būtų viena. Ir tik tada, kai po milijardosios sekundės dalies ar dar anksčiau atsirado Higso laukas, ši pora išsiskyrė kataklizminio pokyčio, vadinamojo elektrosilpnosios supersimetrijos suirimo metu. W ir Z bozonai nutuko ir grįžo į subatominius pančius, tuo tarpu fotonai skriejo bemasiai ir elektromagnetinė sąveika įgavo dabartinę begalinę veikimo zoną. Tuo pat metu, materiją sudarančios fundamentaliosios dalelės – pavyzdžiui, elektronai ir kvarkai, vadinami bendru fermionų pavadinimu – su Higso lauku sąveikavo ir taip pat įgavo masę. Iš bemasio beprotnamio kilo tvarkinga visata su aiškia masių hierarchija.

Tai graži istorija, bet kai kam ji atrodo mažumėlę pritempta. „Minimalus Standartinio modelio higsas panašus į pasakėlę,“ sako Guido Altarelli iš CERN šalia Ženevos, Šveicarijoje. „Tai žaislinis modeliukas, sukurtas tam, kad teorija atitiktų duomenis, ramentas, leidžiąs Standartiniam modeliui paėjėti toliau, kol atsiras kas geresnio.“ Bėda, kad Standartinis modelis aiškiai neišbaigtas. Jis numato įprastų dalelių eksperimentų baigtį keleto ženklų po kablelio tikslumu, tačiau tampa nebylus, prakalbus apie gravitaciją, tamsiąją materiją ir kitus žinomus ar numanomai egzistuojančius kosmoso komponentus. Altarelliis ir kiti tvirtina, kad mums reikia ne standartinio higso, bet kažko subtiliai ar radikaliai skirtingo – gilesnės teorijos rakto.

Tapatybės klausimai

Kol kas, Higso bozonas atrodo nesuprantamai paprastas. Liepos 4-ąją gimusi dalelė buvo atrasta, sijojant trilijonų protonų susidūrimų nuolaužas galinguose ATLAS ir CMS detektoriuose CERN Didžiajame dalelių greitintuve. Iš pradžių buvo stebėtas jos suirimas į W ir Z bozonus, ko ir buvo galima tikėtis iš dalelės, suteikiančios joms masę.

Tačiau netgi tokiu atveju užtikrintas apibrėžimas priklauso nuo dalelės kvantinių savybių kruopščių matavimų (žr. „Sukinio atspindžiai“). „Mūsų laukianti užduotis yra dešimt kartų sunkesnė, nei buvo pats atradimas,“ sako Dave'as Newboldas iš Bristolio Universiteto, JK, CMS darbo grupės narys.

Negana to, Standartinio modelio higsas turi skilti ne tik į sąveiką pernešančius bozonus, bet ir į materiją sudarančius fermionus. Čia reikalai drumstesni. Užregistruotas dalelės skilimas ir į du fotonus, o tai yra netiesioginis įrodymas, kad jis sąveikauja su sunkiausiu, – aukščiausiuoju kvarku: pagal teoriją, higsas negali tiesiogiai sąveikauti su fotonais, nes neturi elektros krūvio, tad pirmiausiai skyla į porą aukščiausiųjų kvarkų ir antikvarkų, kurie savo ruožtu spinduliuoja fotonus. Kiti netvirti fermioniškos sąveikos įrodymai ateina iš JAV, kur tyrėjai (dabar jau nebeveikiančiame) Tevatron greitintuve iš Fermilab Batavijoje, Ilinojuje, užregistravo dalelės skilimo į žemiausiąjį kvarką užuominą.

Bet ir CMS detektorius užfiksavo per mažai skilimų į τ (tau) leptonus, sunkesniuosius elektronų pusbrolius. Jeigu tai pasitvirtins, galėtų kilti konfliktas su Standartinio modelio prognozėmis; tikimasi, kad pirmieji ATLAS τ skilimo matavimai bus pristatyti Kiote kitą savaitę. Ir ATLAS, ir CMS registruoja daugiau skilimų į fotonus, nei tikėtasi, galbūt signalizuodami apie naujus procesus už Standartinio modelio ribų.

Daryti tvirtas išvadas dar anksti. Kadangi gana gerai žinome naujosios dalelės masę – maždaug 125 GeV, arba 223 milijardosios milijardosios mikrogramo dalies (223·10^-30 g) – galime su maždaug vieno procento paklaida nustatyti jos skilimo į įvairias daleles spartą, jei tai Standartinio modelio higsas. Kadangi iki šiol užregistruota gana mažai skilimų, naujosios dalelės matavimų paklaidos ribos yra 20 ar net 30 procentų. Iki šių metų pabaigos, ATLAS ir CMS turės maždaug pustrečio karto daugiau duomenų, nei prieš darant liepos pranešimą, bet to vis tiek nepakaks neužtikrintumui sumažinti iki reikiamo lygio. Tada LHC porą metų bus uždarytas atnaujinimui, po kurio galės sudaužti dar didesnių energijų protonus. „Tikriausiai artimiausiu metu nesužinosime apie naująją dalelę daug daugiau,“ abejoja Newboldas.

Fizikai šį vakuumą norėtų užpildyti nauju greitintuvu. LHC šiaip ar taip nėra idealus: jis sudaužia protonus, o šie yra maišai, kupini kvarkų ir kitų dalių, apsunkinančių matavimą. Tyrėjai užsiima švaresnio elektronų ir pozitronų greitintuvo statybos lobizmu, kuris galbūt iškiltų Japonijoje ir padėtų pabaigti higso bylą, tačiau tai irgi tolima perspektyva.

Tad, turime dalelę, atrodančią, kaip standartinio modelio higsas, bet negalime to galutinai įrodyti. Tad matome dramblį greitintuvo tunelyje: jei tai standartinis higsas, visų pirma, kaip jis ten išvis galėjo atsidurti?

Problema glūdi kvantų teorijos prognozėse, patvirtintose ankstesniu CERN megagreitintuvu, Didžiuoju elektronų ir pozitronų greitintuvu (Large Electron Positron collider), kad dalelės spontaniškai absorbuoja ir spinduliuoja „virtualias“ daleles, pasiskolindamos energijos iš vakuumo. Kadangi Higso bozonas pats surenka masę iš visko, ką paliečia, šie procesai turėtų priversti jo masę išsipūsti nuo 100 GeV zonos iki 10¹⁹ GeV. Šiame taške, vadinamame Planko dydžiu, fundamentaliosios jėgos pakvaišta ir gravitacija – santykinai silpniausia iš jų visų – tampa tokia pati stipri, kaip ir visos kitos. To pasekmė – nerami visata, kupina juodųjų bedugnių ir keisčiausiai iškraipytu erdvėlaikiu.

Sąmokslininkų paieška

Vienas būdas išvengti tokios katastrofos yra nustatyti problemas keliančias virtualių dalelių fluktuacijas taip, kad jos viena kitą panaikintų, pažabodamos higso masę ir padarydamos visatą panašesnę į tai, ką matome. Vienintelis būdas tai pasiekti, išlaikant teorinio išdidumo vaizdą, svarsto Altarelli'is, būtų šauktis sąmokslo, sukelto naujos gamtos simetrijos. „Bet jei yra sąmokslas, turi būti ir sąmokslininkai.“

Kol kas, daugelis fizikų šiuos sąmokslininkus regi hipotetiniuose superpartneriuose, kitaip „sdalelėse“, numatytose supersimetrijos teorijoje. Viẽnos iš sdalelių būtų visų standartinių dalelių parteneriai, gražiai tarpusavyje neutralizuodamos fluktuacijas. Šios sdalelės turi būti itin masyvios: LHC prisijungė prie ankstesnių dalelių greitintuvų, atmetančių jų egzistavimą mažesnės, nei tam tikra masės, kuri dabar yra maždaug 10 kartų didesnė, nei tariamojo higso.

Tai jau sukėlė stiprų spaudimą netgi paprasčiausiems supersimetrijos modeliams. Bet, pasak Jameso Wellso iš CERN teorinės grupės, dar ne viskas prarasta. Jei neina surasti mažos masės sdalelių, galima šiek tiek pritaikyti teoriją „pareguliuojant“, kad jų masė būtų didesnė. „Tikėjomės surasti higsą ir kad kartu bus rasta jo paramos grupė, tačiau nebūtinai tame pačiame energijos lygyje,“ sako jis.

Tačiau netgi šiuo atveju vartų negalima nustumti pernelyg toli: jei dalelės taps pernelyg sunkios, jos nestabilizuos higso masės įtikinamai „natūraliu“ būdu. Sdalelių užsidegus ieškoma ir kaip visatos tamsiosios materijos kandidačių. Naujausi pasiekimai bus pristatyti Kiote kitą savaitę ir yra vilties gauti netiesioginių supersimetrijos nuorodų iš kitų Standartinio modelio dalelių skilimo spartos anomalijų matavimo. Jei čia nieko rasta nebus (Kaip jau žinome, taip ir įvyko - red. past.), visų akys nukryps į LHC, kai 2015-aisiais jis pradės veikti beveik dvigubai didesne dalelių sudaužimo energija. Atnaujintas LHC turėtų gebėti ištraukti masyvesnes daleles iš nebūties, o gal net radikalesnes daleles, pavyzdžiui, siejamas su papildomais erdvės matmenimis. Šios dalelės prisidėtų prie kito bandymo užpildyti tarpą tarp to, kur higsas „turėtų būti“ – Planko dydžio – ir kur jis išties yra.

Tačiau keisčiausia būtų, jei tarp Standartinio modelio tvirtai valdomų energijų ir Planko dydžio energijų, kur išsiskiria kvantų lauko teorijos ir Einšteino gravitacija, nebūtų nieko. Kaip paaiškintume didžiulį neatitikimą tarp higso tikrosios masės ir kvantų teorijos numatytosios?

Siūbuojant ant skardžio

Vienas sprendimas būtų tiesiog priimti tai, – jei viskas būtų ne taip, visų dalelių masės ir jų sąveikos būtų visai kitokios, mums pažįstama materija neegzistuotų, ir nebūtų mūsų, kvaršinančių sau galvas tokiais klausimais. Toks antropinis paaiškinimas, naudojantis mūsų egzistavimą tam tikrų visatos savybių, kurių ši galėjo turėti, atmetimui, dažnai siejamas su multivisatų koncepcija – idėja, kad yra nesuskaičiuojama daugybė visatų, turinčių visus įmanomus fizikos dėsnių derinius. Daugeliui fizikų tai atrodo, kaip išsisukinėjimas. „Tai regisi, kaip išsisukinėjimas nuo gilesnio mūsų pasaulio paaiškinimo, ir mes nenorime pasiduoti,“ sako Jonas Butterworthas iš Londono universiteto koledžo (UCL), dirbantis ATLAS eksperimente.

Bet antrasis faktas apie naująją dalelę suteikia pauzę pamąstymui. Ne tik jo 125 GeV masė daug mažesnė, nei turėtų būti, ji yra tokia maža, kokia tik gali būti, kad nenutemptų visatos į kitą katastrofišką transformaciją. Jeigu ji būtų vos keliais GeV lengvesnė, higso sąveikos stipris pasikeistų taip, kad žemiausia vakuumo energijos būsena nukristų žemiau nulio. Tada visata kuriuo nors metu galėtų netikėtai „tuneliuoti“ į šią keistą būseną, akimirksniu vėl pakeisdama visų dalelių ir sąveikų konfigūraciją ir sunaikindama tokias struktūras, kaip atomai.

Dabar visata, panašu, stovi ant amžino stabilumo ir visiškos griūties sandūros. „Įdomus sutapimas, kad esame tiesiai ant šių dviejų fazių ribos,“ pastebi CERN teoretikas Gianas Giudice'is, skaičiavęs 125 GeV higso egzistavimo implikacijas, vos LHC pasirodė pirmosios stiprios dalelės užuominos pernai metų gruodį.

Jis atsakymo nežino. Bet kokiu atveju, bet kokios naujos dalelės atradimas vėl pakeis žaidimą. „Mokslo istorijoje daug klausimų, kurių atsakymai pasirodė nulemti išorinių, o ne fundamentalių sąlygų,“ sako Giudice'is. „Menkiausia naujos fizikos užuomina ir mano skaičiavimai bus pamiršti.“ Tad būtent į tai iš tikrųjų ir bus nukreiptos akys Kiote. Higgso keverzonės, panašu, tapo tikrove – bet vardan įdomesnio pasakojimo, turime tikėtis, kad kokie nors panašūs pavinguriavimai greitai parodys gyvybės ženklus.

Matthew Chalmers
New Scientist, № 2890