Într-o zi călduroasă de iulie, oamenii de știință anunțau probabil cea mai mare descoperire științifică a acestui început de mileniu: găsirea bosonului Higgs. Se întâmpla în 2012, însă marele public nu cunoaște prea bine implicațiile acestei descoperiri nici acum, trei ani și ceva mai târziu.
Oamenilor le-a intrat în cap numele (greșit!) de „Particula lui Dumnezeu” și au tras concluzii mai mult pe seama acestui nume, decât pe baza celor concluzionate de armata de cercetători implicată în proiectul descoperirii particulelor.
Am decis să încercăm să umplem acest vid de cunoaștere și ne-a sărit în ajutor Adrian Buzatu, cercetător asociat la Universitatea din Glasgow și colaborator la experimentele ATLAS de la CERN (Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară).
greatnews.ro: Menționezi, în scurta prezentare a ta de pe site, că ingredientele fundamentale ale Universului au un număr de kilograme. Care sunt aceste ingrediente și care este masa lor aproximativă? (sugestie: o comparație cu obiecte din viața de zi cu zi ar fi ideală)
Adrian Buzatu: Ingredientele fundamentale ale Universului sunt pe de o parte particulele de materie, ce se numesc fermioni, iar pe de altă parte particule prin care particulele de materie interacționează prin diferite forțe fundamentale, ce se numesc bosoni.
Fermionii sunt de două tipuri: particule asemănătoare electronilor, denumite leptoni, și particule din care sunt formați protonii și neutronii, denumite cuarci. În afară de fotoni, care mediază forța electromagnetică, și gluonii, care mediază forța slabă, care au masă strict zero, celelalte particule au masă, așadar un număr de kilograme. Dintre ele, masa cea mai mică o au neutrinii, dar de o valoare încă necunoscută, deși strict mai mare decât zero.
Apoi vin electronii, cu o masă de aproape 10 la puterea minus 30 kg (notat 10^-31 kg). Nu există o analogie cu obiecte din viața reală, dar comparația se face simplu cu un om de circa 100 de kg. Așadar masa unui om e de cam 10 la puterea 33 de ori mai mare decât masa unui electron, adică de un milion de miliarde de miliarde de miliarde de ori. Masa cea mai mare o are cuarcul top, de aproape 300.000 mai mare decât masa electronului, care este cam cât masa unui întreg atom măricel, anume atomul de tungsten.
Tot mase mari cât pentru atomi mari au și bosonii W și Z, care mediază forța slabă, dar și bosonul Higgs, ingredientul fundamental al Naturii descoperit abia în 2012. O comparație a maselor particulelor elementare cu masele atomilor poate fi văzută în acest grafic pe care l-am realizat eu, MasaParticulelor.png (nota: New particle se refera la particula nou descoperită, adică bosonul Higgs; iar masele reprezentate în tabel sunt în unități atomice de masă, care are aproape 10^-27 kg, adică o miliardime de miliardime de miliardime de kg, sau de 1822 de ori masa unui electron.)
Au fost multe critici privitoare la prețul plătit pentru descoperirea bosonului Higgs. Sunt sigur că ești de părere că proiectul merită fiecare ban, însă vreau să te întreb de ce crezi asta, ce implicații are această descoperire pentru viitorul științei și, de ce nu, al omenirii?
Aşa cum se spune şi în articol, prețul de fapt nu este mare deloc când se consideră că a fost plătit de toate marile țări din lume timp de aproape două decenii și reprezintă cam 2% din bugetul militar al SUA pe un an de zile. Tot în articol se spune că prețul nu se referă doar la bosonul Higgs. Odată construit cel mai precis microscop din lume, anume acceleratorul de particule LHC, și cele mai avansate camere foto digitate în 3D, anume cele patru detectoare de particule, acestea există încă și în prezent.
Nu e ca și cum ele au fost distruse după ce ce bosonul Higgs a fost găsit. Ele au fost folosite în trecut, continuă să fie folosite și vor fi folosite și pentru următorii 20 de ani. Mai mult, două dintre detectoare, ATLAS și CMS, sunt generale, cautând între altele și bosonul Higgs, dar alte două sunt specializate, LHCb și ALICE, și fac lucruri pe care primele două detectoare nu le pot face. De fapt, mai există înca vreo patru detectoare, chiar mai mici și mai specializate. Scopul general al tuturor este de a studia aici și acum ingredientele elementare ale materiei și toate interacțiile posibiile între ele. Se crede că aceste legi sunt valabile acum peste tot în Univers, dar erau valabile oricând în trecut și vor fi valabile oricând în viitor. Este un postulat fundamental al teoriilor științifice moderne faptul că legile fizicii sunt aceleași în orice punct de spațiu și orice moment de timp și nu există niciun motiv, deocamdată, să nu credem aceasta.
Aceasta ne permite să aflăm acum și aici, pe Terra, care erau particulele elementare și cum se comportau ele la scurt timp dupa Big Bang. Nu, nu se creeaza un nou Big Bang in laborator. Dar Universul era foarte fierbinte atunci. Tocmai aceasta se creeaza in coliziuni de particule. Se pune energie foarte mare intr-un spatiu foarte mic, pentru a se recrea local conditii ce existau la scurt timp după Big Bang peste tot în Univers. Se realizează astfel o arheologie a Universului. Timp de o lună pe an au loc ciocniri nu între protoni și protoni, ca în mod obișnuit, ci între ioni de plumb, simulându-se astfel acea stare a Universului când cuarcii și gluonii erau amestecați, claie peste grămadă, într-un fel de „supă”, sau „plasmă”, adică înainte să se fi combinat în protoni și neutroni.
Experimentul ALICE este dedicat acestor analize. Este drept că și experimentele ATLAS și CMS studiază aceasta, dar au un efort mai mic. Deja experimentul ALICE a făcut o descoperire mare de când CERN-ul a repornit, anume că această stare nouă a materiei nu este un gaz, deți i se zicea plasma, ci este de fapt un lichid! Experimentul LHCb este dedicat măsurării foarte precise a unor particule care conțin cuarci bottom, pentru a măsura diferențe foarte subtile între particule de materie și particule de antimaterie, în speranța de a explica unul din misterele încă nerezolvate ale lumii subatomice, anume cum a dispărut antimateria. Căci, în Univers, au apărut cantități egale de materie și antimaterie, dar în Univers acum există doar materie.
Și experimentele ATLAS și CMS contribuie la aceste cercetări, dar într-o măsură mai mică. În fine, revenind la experimentele generaliste ATLAS și CMS, ele masoară tot ce se poate măsura despre particule. Un grup de cercetători studiază particulele deja cunoscute din toate unghiurile posibile în ceea ce denumim măsurători de precizie. Speranța este că vor apărea discrepanțe experimentale față de teorie, ceea ce ar înseamna că s-ar descoperi fenomene încă necunoscute, deci ar fi o revoluție în fizica particulelor elementare. Se știe că teoria actuală, deși nu a fost contrazisă de niciun experiment, deși explică foarte bine cum particulele elementare creează atomi stabili, nu explică încă tot (de exemplu dispariția antimateriei, dar și altele). Aceste devieri experimentale ar ghida teoreticienii spre a face teorii noi, care apoi să fie testate experimental. Ei deja au creat sute de astfel de teorii alternative, ceea ce ne duce la alte două grupuri de fizicieni din cadrul experimentelor.
Un grup testează experimental teoriile din familia supersimetriei, care sunt foarte la modă din anii 80. Deja analizelele de la CERN au redus considerabil posibilitatea ca această teorie să fie o descriere corectă a naturii. Așadar, iată un alt rezultat de la CERN. Există încă o posibilitate pentru această teorie, iar căutările continuă. Un al doilea grup caută fenomene exotice, adică toate celelalte teorii propuse de fizicieni, din multe categorii, dar care nu sunt supersimetrice. Deși încă nu a fost găsit nimic, multe astfel de teorii au fost contrazise de experiment, iar la altele posibilitatea s-a redus. Iată așadar deja rezultate de la CERN. Și aceasta fără să fi ajuns măcar la bosonul Higgs. Un intreg grup de cercetare îi este dedicat. Bosonul Higgs a fost descoperit.
Experimentele ATLAS si CMS au fost construite în mod special să fie suficient de precise pentru a confirma sau infirma, odata pentru totdeauna, dacă bosonul Higgs există. Descoperirea este importantă, căci în știintă experimentul este judecătorul suprem al unei teorii. Și descoperirea a confirmat teoria care explică cum particulele elementare sunt frânate de la viteza luminii. Daca ele ar zbura mereu cu viteza luminii, ar fi o debandadă totală, ar trece unele pe lângă altele, neapucând să interacționeze, să formeze particule compuse, precum protoni și neutroni, care să creeze apoi nuclee, apoi atomi. Fără atomi stabili, viața nu ar exista. Acum 51 de ani, Robert Brout, Francois Englert și Peter Higgs au propus un mecanism care explica cum particulele elementare sunt frânate față de viteza luminii. Ideea lor revoluționară a fost să spună că peste tot în spațiu există un câmp denumit Brout-Englert-Higgs despre care nu se știa înainte. Spațiul, chiar dacă ar fi vid, de fapt nu ar fi gol. Particulele elementare ar simți o frecare cu acest câmp, adică ar face coliziuni cu bosonii Higgs. Cu alte cuvinte, particulele ar primi masă, căci știm din teoria relativității că masa este cea care spune unei particule cu ce viteza are voie să se deplaseze. La masa zero corespunde viteza luminii. La masă diferită de zero – orice viteză, numai viteza luminii nu.
Așadar, și repaus și viteza mica se permite. Acum că bosonul Higgs a fost descoperit, teoria actuală, Modelul Standard, a fost confirmată complet. Dar știm că teoria nu este ultima descriere a Universului, căci mai sunt lucruri de explicat. Așa că se caută teorii care să extindă Modelul Standard, pentru care Modelul Standard să fie un caz particular, tot așa cum teoria lui Newton este un caz particular al teoriei lui Einstein. Măsurând precis proprietățile bosonului Higgs putem vedea deviații față de predicțiile Modelului Standard, ceea ca ar rezulta că am avea o dovadă că există o teoriei mai largă, ceea ce ar echivala cu o revoluție în fizica particulelor elementare. De asemenea, se caută de acum la CERN particule ipotetice noi care ele se dezintegrează în bosoni Higgs. Nu în ultimul rand, masa bosonului Higgs ne spune alături de masa cuarcului top, dacă Universul este într-o stare stabilă sau metastabilă. Deocamdată, măsurătorile sugerează că Universul este într-o stare metastabilă. Acesta înseamnă că de fapt Universul ar putea dispărea brusc într-o clipă oarecare.
Adică nu spațiul din Univers, ci legile fizicii s-ar schimba brusc, ducând la dezintegrarea atomilor și reducându-se totul la particule hoinărind aiurea, dezordonat prin Univers. Măsurători mai precise ale masei bosonului vor arăta că Universul e de fapt într-o stare stabilă, sau poate niște fenomene încă necunoscute ar fi necesare pentru ca Universul sa fie de fapt într-o stare stabilă și poate că Universul ar fi deja într-o stare stabilă, doar că nouă nu ne da așa din calcule, căci nu știm că acele fenomene există. Una peste alta, continuăm să căutam secretele lumii subatomice, căci suntem curioși să intelegem de ce noi existăm, de unde venim, iar aceasta are implicații spre unde ne ducem, spre cum va evolua Universul. Iar bosonul Higgs, odată descoperit, este o ustensilă în aceste cercetări ulterioare. Mai ales că acum acceleratorul LHC și-a reluat coliziunile în condiții mai bune și de energie, și de număr de coliziuni.
Ai făcut parte din echipa care a căutat bosonul Higgs. Câți oameni au făcut parte din această echipă și ce alți colegi români ai avut?
În experimentul ATLAS sunt cam 3000 de oameni, iar în experimentul CMS tot cam 3000 de oameni. Ambele au descoperit bosonul Higgs. Era nevoie să descopere amândouă în același timp să se creadă că se vede un fenomen real. La experimentul ATLAS participă cam 70 de cercetători români de la Măgurele și poate încă vreo 10 angajați la institute din străinătate. De notat că mai participă români și la experimentele următoare de la CERN: LHCb, ALICE și încă câteva mai mici.
Care este relația ta cu Peter Higgs, personalitatea din știință care dă numele acestei importante particule descoperite în 2012?
Peter Higgs este unul din teoreticienii care au introdus mecanismul Brout-Englers-Higgs, care explică masa particulelor elementare. Iar eu unul din miile de oameni de știintă care au căutat să testeze dacă teoria lor este sau nu adevărată. S-a dovedit a fi, iar ei au fost recompensați cu premiul Nobel, pentru aceasta. Dar l-am cunoscut în 2012, la o școală de vară în Saint Andrews, Scoția, cu o lună înainte de anunțul descoperirii bosonului Higgs. Și chiar a trecut pe la posterul meu unde prezentam rezultatele la care echipa din care făceam parte la laboratorul Fermilab din SUA observase 3 sigma, adica indicii puternice, cu o șansă de a se fi înșelat de unu la mie, bosonul Higgs. Era așadar interesat să afle aceste informații.
Într-un articol publicat de tine pe un blog, spuneai că Peter Higgs a pus munca înainte de căsnicie, care apoi s-a și destrămat. Cât de greu e să ții în echilibru activitatea intensă de cercetare cu viața de familie?
Este un ritm foarte intens de lucru, cu foarte puține poziții universitare permanente. Postdoctoranzii trebuie să lucreze foarte mult, inclusiv seara și în weekend, pentru a putea spera să prindă o poziție. Aceasta face în general dificilă viața personală. Dar există cazuri și cazuri.
Ce alte personalități merită prezentate, alături de Peter Higgs? Care a fost rolul lor în elaborarea acestei teorii?
Robert Brout și Francois Englert au scris împreună un articol. Erau belgieni, Brout profesorul și Englert studentul. Peter Higgs a lucrat singur. Au fost așadar două articole tipărite practic simultan în vara lui 1964. Peter Higgs a avut noroc să îl abiă ca reviewer pe Nambu, un alt laureat de premiu Nobel, care i-a pus întrebarea „pai dacă prezici un nou câmp, nu ar trebui să aibă și o particulă?”. Peter a adăugat în articol aceasta. Belgienii nu au adăugat, căci era evident, se studia în școli cu douăzeci de ani în urmă că oricărui câmp îi corespunde o particulă.
Dar faptul că Peter a scris explicit în articol a făcut ca mai târziu lumea să se refere la particula Higgs, ignorând, din păcate, munca belgienilor. De aceea e corect ca acel câmp prezis în mod explicit de toți să fie denumit câmpul Brout-Englert-Higgs. Despre cum să se denumească particula nu s-a ajuns la un acord încă, dar deocamdată este acceptabil să fie denumită particula Higgs, pentru că Higgs a spus-o explicit că teoria lor prezice existența unei particule. Astfel, experimentatorii au avut o predicție pe care să o testeze experimental. Tocmai descoperirea particulei Higgs confirmă existența câmpului Higgs, iar acest câmp este cel care dă masă materiei, nu bosonul Higgs, cum se spune deseori simplificând lucrurile.
Apropo de denumirea populară a bosonului Higgs, care e o denumire mai potrivită, din punctul tău de vedere: Particula lui Dumnezeu, sau Particula-Dumnezeu? De ce?
Particula Higgs, sau bosonul Higgs. Nu ar trebui să existe denumiri populare. Leon Ledermann, laureat de premiu Nobel pentru particule și director la laboratorul american Fermilab, a scris o carte de popularizare a fizicii particulelor. În ea se referise la particula Higgs ca „particula afurisită”, în sensul că era greu de găsit. Atenție, nu îi crease un nou nume, ci îi adăugase un epitet. În engleză venea „goddamn particle”. Editorul lui, avid de senzațional și de a vinde cartea, i-a recomandat sau i-a cerut să îi pună chiar în titlul cărții sintagma, dar să o schimbe în „the god particle”, că sună mai atrăgător, renunțând astfel la „damn”. Cartea a avut succes, presa a preluat titlul.
Leon Ledermann și-a dat seama imediat că a fost naiv și păcălit. Și-a cerut scuze imediat în ediția a doua a cărtii și mereu la edițiile următoare. Ca om de știință, nu știa prea bine partea de sociologie și cum vor reacționa jurnaliștii, oamenii. A spus că prin aceasta apariție, a jignit două categorii de oameni: pe cei care cred în Dumnezeu și pe cei care nu cred. În limbile latine, expresia „the God particle” a fost tradusa greșit ca și „particula lui Dumnezeu”, dar corect s-ar traduce „particula zeu”, căci „particula lui Dumnezeu” ar fi în engleză „the God’s particle”, iar „god” înseamnă în română ori „zeu” ori „Dumnezeu”. Dar oamenii de știință insistă să nu se folosească de presă decât denumirea de particula Higgs, sau bosonul Higgs. Ar face-o mai putin fascinantă? Nu!
În afară de CERN, care sunt marile „uzine de cercetare” ale lumii? Ce experimente importante sunt în derulare în aceste centre și care este scopul lor?
În domeniul fizicii particulelor elementare, mai sunt laboratorul american Fermilab de la Chicago și laboratorul japonez KEK de la Tsukuba. Există multe experimente care studiază și particulele care vin din spațiul cosmic, cel mai mare fiind Pierre Auger în Argentina. Experimente mai mici există în mai multe zone din lume. De notat că există și experimente de fizica particulelor în spațiul cosmic, pe sateliți sau pe stația spațială internațională, care studiază particule care vin din spațiu. Ca bonus, în domeniul fuziunii nucleare există ITER, la Marsilia, pe o tehnologie, și un altul, NIF, în SUA pe altă tehnologie.
Adrian Buzatu a vorbit despre aceste descoperire importante din lumea ştiinţei la evenimentul „Romanian Researchers Around the World”, organizat în data de 4 noiembrie de Tech Hub.
Cercetătorul va lua cuvântul şi sâmbătă, 7 noiembrie, în cadrul TEDxBucharest.
Cei care vor să înţeleagă mai bine cercetările de la CERN pot urmări animaţiile prezentate mai jos:
1. Animaţie. Om mergând prin detector pentru a vedea la scară cât de mare este detectorul de particule, dar şi structura sa şi care este poziţia sa sub pământ:
http://www.atlas.ch/multimedia/#episode-1 (recomandăm secvenţa din intervalul min. 5.30 – 5.50)
2. Animaţie. Cum are loc o coliziune de particule în centrul acestui detector, cum sunt produse particule noi, care apoi străbat diferitele straturi ale detectorului, fiecare conceput pentru a măsura alte proprietăţi ale particulelor.
http://www.atlas.ch/multimedia/#episode-1 (min 5.50 – 6.15)
3. Cum diferite particule lasă urme diferite în straturile diferite ale detectorului. Astfel, cercetătorii fac muncă de poliţist pentru a „ridica amprentele de la locul crimei”, iar apoi muncă de detectiv pentru a afla ce particulă a fost produsă imediat în coliziune (de exemplu bosonul Higgs), care apoi s-a dezintegrat în particule obişnuite, care ele străbat apoi detectorul şi lasă amprente.
http://www.atlas.ch/multimedia/#episode-2 (min. 1.55 – 2.45)
4. Cum sunt accelerate particulelele în lanţul de vreo şapte acceleratoare, dintre care LHC (Large Hadron Collider) este doar ultimul, cum are loc o coliziune în LHC şi cum sunt apoi produse particule care sunt văzute în detector.
http://www.atlas.ch/multimedia/#di-jet-event (intregul video începând cu min 1.12)
5. Care sunt particulele elementare şi cum sunt ele grupate în particule de materie (fermioni si cuarci) dar şi particule care transmit forţe (bosoni).
http://www.atlas.ch/multimedia/#origin-of-mass (min. 0.55 – 1.45)
6. Ce este bosonul Higgs şi de ce este nevoie de el pentru a frâna particulele de la viteza luminii.
http://www.atlas.ch/multimedia/#origin-of-mass (min. 1.45 – 2.30).
Acest articol face parte dintr-o serie de articole prin care greatnews.ro vrea să contribuie la popularizarea mesajului ştiinţific de calitate. Din păcate, trăim într-o ţară în care pseudoştiinţa este în avantaj, dar putem să vă asigurăm că facem tot ce ne stă în putinţă să recuperăm acest decalaj. Ne puteţi ajuta şi voi, distribuind acest articol pe reţelele de socializare (Facebook, Twitter etc).
Dacă vă place demersul nostru, nu uitaţi să vă alăturaţi comunităţii de pe pagina de Facebook.
Alte articole pe care le recomandăm iubitorilor de ştiinţă:
A fost creat cel mai ușor material metalic din istorie
Cine ar fi crezut? Pluto are cerul albastru
Un bărbat paralizat s-a putut mișca cu puterea creierului și a unui soft
Pe un satelit al planetei Saturn s-ar afla un ocean uriaș
Cel mai bun loc din lume pentru a privi stelele
Dacă folosești des Instagram, poți găsi o mulțime de lucruri interesante postate de GreatNews pe contul nostru, accesibil la linkul de mai jos:
