Wszystko wskazuje na to,

e po niemal pl wieku szkocki

fizyk Peter Higgs doczeka si

potwierdzenia swej teorii.

Czstka nazwana jego imieniem

prawdopodobnie pojawia si

w detektorach wielkiego

akceleratora LHC.

Na konferencji prasowej 4 lipca br europejski orodek bada jdrowych CERN ogosi, e w jego akceleratorze LHC odnaleziono oznaki bozonu Higgsa. Czym jednak jest ta od ponad 40 lat poszukiwana czstka i jakie znaczenie moe mie jej odkrycie? WERONIKA LIWA

D z., ju w szkole dowiemy si o bu-dowie atomw, ktrych cikie jdra, zbudowane z protonw i neutronw, s okrane przez lekkie elektrony. Jednak w XX w. fizycy poznali wiele in-nych typw czstek, dowiedli, e pro-ton i neutron zawieraj bardziej elementarne skadniki zwane kwarkami, a take odkryli superlekkie i niemal nie-uchwytne neutrina. W latach 70. rozpoczto prace nad tzw. Modelem Standardowym. Zgodnie z nim wiat bu-duje zaledwie 12 podstawowych czstek tworzcych trzy kolejne, podobne do siebie generacje. Do pierwszej genera-cji nale elektron i neutrino elektronowe oraz dwa kwar-ki: grny i dolny. Z ich kombinacji zbudowane s proton i neutron. Jak wida, ju pierwsza generacja wystarczy, by stworzy nasz codzienny, zoony z atomw wiat. Jednak natura na tym nie poprzestaje: do kolejnej gene-racji nale mion - ciszy odpowiednik elektronu - i od-powiadajce mu neutrino mionowe oraz kwarki: dziwny i powabny. Trzecia, najcisza generacja skada si z super-cikiego taonu, neutrina tau oraz kwarkw szczytowego i dennego. Wszystkie te cegieki materii oddziauj ze so-b poprzez czstki poredniczce: oddziaywania grawita-cyjne przenosz grawitony, elektromagnetyczne fotony, silne - gluony, ktrych jest a osiem rodzajw, a oddzia-ywania sabe - masywne czstki W W-- i Z.

SKD TA MASA? Czy wszystko ju wiadomo? W trakcie opracowania mo-delu fizycy natknli si na problem: nie umieli wyjani, dlaczego wszystkie czstki, w szczeglnoci bozony W i Z, s obdarzone mas. Najprostsza wersja modelu sugerowaa, e powinny by one bezmasowe. Wkrtce pojawio si rozwizanie. Zgodnie ze stworzon przez Petera Higgsa i kilku innych fizykw teori wszystkie czstki z natury" s pozbawione masy, co mona do-strzec powyej pewnej, nieosigalnej na Ziemi ener-gii. Jednak gdy energia czstek jest nisza, ich oddzia-ywanie z czstkami Higgsa nadaje im mas tym wik-sz, im silniej z nimi oddziauj. Fizycy porwnuj pole Higgsa do gstego bota lub melasy, oblepiajcych i ob-ciajcych zanurzone w nim obiekty. Tylko nieliczne czstki, m.in. fotony, s w stanie lizga si po higgso-wej melasie bez oporu, a wic nie maj masy spoczyn-kowej. Dotychczasowe przewidywania tej teorii umo-

liwio poprawne przewidzenie mas wielu czstek, rw-nie tych, ktre odkryto po jej opublikowaniu. Jednak nie bya ona w stanie poda masy samego higgsa. To je-go odkrycie i dokadniejsze zbadanie miao by defini-tywnym potwierdzeniem Modelu Standardowego. Bo-zon Higgsa znajduje si na licie najbardziej poszukiwa-nych przez fizykw czstek od ponad 40 lat, jednak nie udawao si go odnale. A do dzi.

Higgs jest czstk nietrwa: moemy go wytworzy tylko na uamki sekundy, zderzajc ze sob inne super-energetyczne czstki. Miejscem jego odkrycia jest Wielki Zderzacz Hadronw, LHC. Jego podstawow cz sta-nowi kolisty betonowy tunel o dugoci 27 km, wydr-ony na gbokoci od 50 do 175 m pomidzy grami Jury a Jeziorem Genewskim. W nim, wewntrz dwch pozbawionych powietrza rur, kr w przeciwne strony dwie wizki protonw - jder wodoru. Kolejne sektory akceleratora s schodzone do temperatury -271,3C, za-ledwie dwa stopnie wyszej od najniszej z moliwych na wiecie. Cignce si wzdu tunelu rury prniowe, w ktrych poruszaj si obie wizki protonw, otaczaj potne magnesy nadprzewodzce, ktrych celem jest utrzymywanie rozpdzonych czstek na ich kolistym to-rze. Do chodzenia magnesw do temperatury umoliwia-jcej im wytworzenie pola magnetycznego kilkadziesit tysicy razy wikszego od ziemskiego wykorzystuje si a 60 t nadciekego, superzimnego helu.

Na obwodzie LHC umieszczone s rwnie wnki, w ktrych zmienne pole elektryczne przyspiesza prze-mierzajce tunel czstki. Wszystko to w celu uzyska-nia maksymalnej liczby superenergetycznych zderze. Wizki liczce po okoo 100 mln protonw porusza-jce si z 99,9999991% prdkoci wiata przecinaj si w kadym z otaczajcych tunel detektorw 20 mln razy na sekund, produkujc za kadym razem okoo 20 zderze. Podstawowe filtry wyapuj w sekundzie okoo 100 tys. najciekawszych, a dalsza, pogbiona analiza koncentruje si ju na zaledwie kilkuset zde-rzeniach w sekundzie.

Zachodzce podczas zderze procesy obserwuj potne detektory LHC znajdujce si czterech punk-tach przecicia obu wizek. Nas interesuj dzi dwa: CMS oraz ATLAS. CMS - Compact Muon Solenoid, czy-li Kompaktowy Solenoid Mionowy - to jeden z dwch ogromnych detektorw szerokiego przeznaczenia, ktry poszukuje czstki Higgsa i innych nowych zja-

wisk. rednica gigantycznego detektora wynosi a 15 m, dugo prawie 29 ni, a masa 14 000 t. Drugi z detekto-rw szerokiego przeznaczenia, ATLAS, ma ksztat cy-lindra o 44 m dugoci, 24 m rednicy i masie blisko 7 tys. ton. Wyjty z tunelu zajby z grubsza poow kate-dry Notre Dame w Paryu. Przy obu detektorach pracu-j polscy badacze. Grupa naukowcw z Wydziau Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Narodowego Centrum Bada Jdrowych oraz z Politechniki Warszawskiej bie-rze udzia w pracach CMS. Podobnie jest z detektorem ATLAS: w jego budowie i obecnych pomiarach uczestnicz naukowcy z Instytutu Fizyki Jdrowej PAN Politechniki Krakowskiej oraz Akademii Grniczo-Hutniczej. Zaan-gaowanie Polski w prace orodka CERN, ktry zarzdza LHC, trwa ju od wielu lat. Od 1964 r. bylimy w CERN--ie obserwatorem, zaangaowanym w badania na rwni z jego pastwami czonkowskimi. Od 1991 r. jestemy penoprawnymi czonkami CERN-u.

NADMIAR SCENARIUSZY Wycig o pierwszestwo w odnalezieniu higgsa trwa od lat, gdy poszukiwao go wiele akceleratorw. Sytu-acj komplikowa fakt, e teoria Higgsa nie bya w stanie poda jego masy, trzeba wic byo przeszukiwa kolejne obszary mas, systematycznie zwikszajc energi produ-kujcych poszukiwan czstk zderze. Samo poszukiwa-nie te nie byo atwe. Tu po powstaniu bozony Higgsa niemal od razu si rozpadaj, pozostawiajc po sobie du-e iloci czstek wtrnych. Z rozwaa teoretycznych wynika, e higgs moe si rozpa na wiele sposobwkanaw. Prawdopodobiestwo rozpadu przez poszcze-glne kanay jest rne, a kady z nich bada si oddzielnie. W dodatku kanay te zale od masy nieuchwytnej czst-ki, trzeba wic byo przeszukiwa ogromn liczb kom-binacji czstek wtrnych. Dzi wszystko wskazuje na to, e higgs ma mas okoo 125 GeV/c2, okoo 130 razy wik-sz od masy spoczynkowej protonu. Tajemniczy bozon najczciej rozpada si zapewne na par kwark b an-tykwark b, par dwch bozonw W, Z lub par taonw. Jednak takie czstki powstaj te w wielu innych zdarze-niach. By wic potwierdzi, e wrd wszystkich zdarze wizanych np. z powstaniem pary taonw jest te rozpad poszukiwanego higgsa, musielibymy dokadnie ustali liczb i wasnoci taonw powstajcych we wszystkich

Jednym z dwch detektorw, w ktrych poszukuje si czstki Higgsa jest CMS Compact Muon Solenoid, czyli Kompaktowy Solenoid Mionowy. Detektory czstek elementarnych s w nim umieszczone wewntrz potnego solenoidu, ktry wytwarza pole magnetyczne o indukcji 3,8 tesli okoo 80 tys. razy wikszej od indukcji pola magnetycznego Ziemi. Natenie prdu elektrycznego zasilajcego solenoid wynosi 18 160 A zgromadzona w nim energia 2,3 GJ to rwnowano ponad P tony trotylu. W CMS znajduj si detektory mionw i dwa mierzce energie czstek kalorymetry.

pozostaych zderzeniach. Niestety, typowe rozpady hig-gsa bardzo trudno jest wyrni z ta innych przypadkw w ogle z nim niezwizanych. Dlatego fizycy skoncentro-wali si na badaniu mniej prawdopodobnych kanaw roz-padu poszukiwanego bozonu: pojawiaj si w nich cztery elektrony i miony lub dwa fotony.

Zgodnie z obecn teori rozpad 125 GeV higgsa na dwa fotony gamma zachodzi w zaledwie 0,2% wszyst-kich rozpadw, a rozpad na cztery miony i elektrony jest jeszcze rzadszy. Dlaczego wic poszukiwano go wanie tam? W tych dwch kanaach poziom innych sygnaw z podobnych rozpadw czstek niebdcych higgsem jest wyjtkowo niski, rzadkie rozpady higgsa jest wic tam stosunkowo atwo odnale. Obecne doniesienie jest oparte na pomiarach zbieranych przez ptora ro-ku, do czerwca 2012 r. W tym czasie zaszo okoo bilarda

(miliona miliardw) zderze protonw. Jednak czy odkryt dziki nim czstk jest rzeczywicie higgs?

JEDEN CZY KILKA? Prawdopodobiestwo, e otrzymalibymy obserwowany przez nich sygna, gdyby higgsa nie byo, wynosi okoo jeden do trzech milionw. Ale czy to rzeczywicie po-szukiwany od dawna bozon? A moe to inna, niezna-na nam dotd czstka? Wwczas czekaoby nas kolejne wyzwanie: nie tylko wyjanienie istnienia nieprzewi-dzianej wczeniej czstki, ale te nieistnienia bozonu Higgsa, obecne pomiary praktycznie wykluczyy ju bowiem jego istnienie w innym zakresie mas. Do defi-nitywnego rozstrzygnicia sprawy potrzebne jest zgro-madzenie wikszej liczby danych. Pozwoli to zmierzy wasnoci tej czstki, w tym czsto, z jak rozpada si przez poszczeglne kanay.

Dalsze badania powiedz nam rwnie, czy obiekt, ktry widzimy, jest faktycznie zwykym" bozonem Higg-sa. By moe bowiem nie szukamy wcale jednego bozonu? Najprostsza wersja Modelu Standardowego, przewidujca tylko jednego higgsa, nie wyjania wielu obserwowanych wasnoci czstek mikrowiata. Bardziej skomplikowane modele zakadaj istnienie kilku bozonw Higgsa, w tym rwnie naadowanych elektrycznie. Jeli nowo odkryta czstka istotnie okae si higgsem, przyjdzie czas na ba-dania wszystkich jej wasnoci. By moe ich drobne od-chylenia od przewidywanych dzi wartoci pokieruj nas w stron nowej, peniejszej teorii? Obecna opisuje tyl-ko znane nam skadniki Wszechwiata. Tymczasem dzi o 96% zawartoci kosmosu - ciemnej materii i energii - praktycznie nic nie wiemy.

Do koca 2012 r. liczba przeanalizowanych zderze powinna si zwikszy dwu- lub nawet trzykrotnie. Na-stpnie LHC zostanie zamknity na prawie dwa lata. Gdy ruszy pod koniec 2014 r., protony bd w nim roz-pdzane do niemal dwukrotnie wyszej ni dzi ener-gii. Niezalenie od bada higgsa bd w nim wwczas prowadzone poszukiwania nowych czstek i si, moli-wych do zaobserwowania przy wikszej energii i wikszej liczbie zderzajcych si protonw. Epoka prawdziwych odkry dopiero si zaczyna...

dr Weronika liwa redaktor Wiedzy i ycia"

Page 1Page 2Page 3Page 4