Nobelova nagrada za fiziku (2013. godina)

Pre nekoliko minuta Nobelov komitet je objavio imena dobitnika Nobelove nagrade za fiziku za 2013. godinu. Kao što su se mnogi nadali i očekivali ovogodišnja Nobelova nagrada dodeljena je za teorijsko otkriće mehanizma koji daje značajan doprinos razumevanju porekla mase subatomskih čestica. Dobitnici Nobelove nagrade za fiziku za 2013. godinu su Piter Higs (Peter W. Higgs) i Franso Angler (François Englert).

Ova dvojica istraživača su nezavisno jedan od drugog (F. Angler u saradnji sa Robertom Broutom, koji je preminuo pre dve godine) su 1964. godine predložili teoriju koja je objasnila način na koji čestice dobijaju masu. Jula 2012. godine ATLAS i CMS kolaboracije u CERN-u su eksperimentima potvrdile ovaj teorijski model otkrićem tzv. Higsove čestice.

Belgijski fizičar Franso Angler (levo), Rolf Heuer, (desno), generalni direktor CERN-a i Peter Higgs (u sredini) 4. jula 2012. godine u Ženevi nakon objavljivanja rezultata eksperimenata ATLAS i CMS. (Credits: AP Photo/Keystone/Martial Trezzini)

Higsova čestica je jedna posebna vrsta čestica, tzv. bozon, koji ne izgrađuje materiju (kao što to rade npr. leptoni i kvarkovi) već više “liči” na prenosioce interakcija – bozone (tj. foton, W ili Z bozone i gluone).

Sva materija koji vidimo oko nas izgrađena je od malog broja različitih gradivnih jedinica, a te gradivne jedinice nazivaju se elementarne čestice. Tokom istorije materija je deljena na sve sitnije i sitnije sastavne delove. Nekada se smatralo da je atom najmanja nedeljiva “cigla” materije, ali pokazano je da se on sastoji od elektrona i jezgra, kasnije je utvrđeno da se jezgro sastoji od protona i neutrona, a još kasnije da se protoni i neutroni sastoje od kvarkova. Prema pomenutom Standardnom modelu sve elementarne čestice dele se na leptone i kvarkove (koji zajedno izgrađuju materiju) i bozone koji prenose interakcije između čestica materije i drže ih na okupu (ili odbijaju). Dok su čestice materije intuitivno prihvatljivije i poznatije prenosioci interakcije često umeju da zbune (osim fotona, možda).

Da bi razumeli ulogu bozona setimo se da u prirodi postoje četiri osnovne sile (elektro-magnetna, slaba, jaka i gravitaciona). Gravitaciona sila je nešto drugačija i, za sada se ne može opisati istom teorijom kao ostale tri, ali one su slične i mogu se opisati na sličan način. Svakoj od ove tri osnovne sile odgovarta neki prenosilac interakcije, tj. neki bozon. Tako je posrednik u prenosu elektro-magnetne sile foton, slabu silu prenose W i Z bozoni a jaku silu prenose gluoni.

Događaj koji je doveo do Nobelove nagrade – jedan od “potpisa” Higsove čestice, simulacija raspada na dva hadrona i dva elektrona

Svi ovi bozoni zajedno sa 6 leptona i 6 kvarkova čine Standardni model elementarnih čestica i izgrađuju svet u kome živimo. Sve ove čestice su odavno otkrivene, otkrića su saglasna sa teorisjkim predviđanjima i sve lepo funkcioniše ali standardnom modelu nedostaje samo jedna “sitnica”.

Ta sitnica je problem postojanja mase. Standardni model lepo opisuje čestice ali ne objašnjava zbog čega one imaju masu i na koji način dobijaju tu masu. Složićete se da ova “sitnica” uopšte nije sitnica već vrlo bitan problem koji je neophodno rešiti. Kada je 1994. godine potvrđeno otkriće poslednje čestice standardnog modela, top kvarka, sa masom od 176 GeV, postalo je jasno da standardni model skoro besprekorno funkcioniše ali nedostajal mu je još jedna karika do kompletne teorije. Ta “karika” je Higsova čestica, koja je odgovorna za postojanje mase svih ostalih čestica.

Postojanje mase čestica u standardnom modelu objašnjeno je tzv. Higsovim mehanizmom. Ovaj mehanizam predložio je Filip Anderson 1962. godine na nerelativističkom modelu a relativističku dopunu dao je Piter Higs 1964. godine. Nezavisno od njega u proleće 1963. godine do sličnog rezultata došle su i dve grupe fizičara Robert Brout i Franso Angler, i Gerald Guralnik, C. R. Hagen i Tom Kibble.

Prema Higsovom mehanizmu pretpostavlja da ceo prostor ispunjava jedno neprekidno i za nas nevidljivo polje, tzv. Higsovo polje. Ovo polje je prostire se ravnomerno u prostori i vremenu. Sve čestice kreću se kroz ovo polje i interaguju sa njim. One čestice koje jače interaguju sa Higsovim poljem osećaju “veći otpor” polja i na taj način postaju masivnije.

Da bi detektovali ovo Higsovo polje neophodno je izazvati neku “silovitu” promenu u njemu i onda detektovati talase koji se kroz to polje prostiru. U nekom klasičnom smislu analogija bi mogla da bude bacanje kamena na mirnu površinu vode, gde nam je dobro poznato da će pad kamena dovesti do pojave mehaničkih talasa koji se prostiru površinom i koje je lako detektovati. Za razliku od kamena i vodenih talasa talase u Higsovom polju je mnogo teže izazvati i još teže detektovati.

Za izazivanje talasa na Higsovom polju mogu se iskoristiti sudari protona na visokim energijama. Prilikom sudara dva protona može da nastane talas koji je kasnije moguće detektovati, ali tu postoji nekoliko problema. Prvi je taj što prilikom svakog sudara ne nastaju odgovarajući talasi već se to dešava samo jednom u više milijardi sudara; a drugi problem je izuzetno slab intenzitet tog talasa. Prilikom sudara dva protona nastaje samo “jedan” kvant talasa Higsovog polja, a taj kvant naziva se Higsova čestica i nju je potrebno detektovati!

Higsovu česticu, koja je nastala na ovaj način, nije moguće “videti” i detektovati ali ona se (srećom) brzo raspada kroz jedan od pet već pomenutih kanala. Detektovanjem krajnjih produkata ovih kanala raspada detektuje se postojanje čestice. Detektovanje samo jednog ovakvog raspada, tj. događaja, je složen proces jer je karakterističan događaj teško izdvojiti iz šuma slučajnih događaja koji prate svaki sudar. Zbog toga je neophodno izvršiti ogroman broj sudara i detektovati mnogo sličnih događaja. Slučajno događaji se u ogomnom broju ponavljanja gube, ali oni pravi se ponavljaju na identičan način i njihov rezultat na detektorima raste. Ovo povećanje broja događaja dovodi do različitih “pikova” na grafikonima koji ukazuju da na tim mestima postoji “nešto” – ako se ti događaji ponavljaju, i njihov broj raste, za pomenute kanale raspada Higsa oni dokazuju postojanje Higsove čestice i Higsovog polja, tj. Higsovog mehanizma.

Jula 2012. godine na seminaru koji je održan u CERN-u predstavnici eksperimenata ATLAS i CMS predstavili su rezultat višegodišnje potrage za Higsovom česticom. Rezultati oba eksperimenta pokazali su da je bozon uhvaćen. Ovi eksperimenti dali su konačnu eksperimentalnu potvrdu teorije postavljene 50 godina ranije, a ta teorija donela je Nobelovu nagdadu ovogodišnjim laureatima.

Piter Higs rođen je 1929. godine a danas radi kao emeritus profesor teorijske fizike na Univerzitetu u Edinburgu. Verovatno njegov najznačajniji rad je onaj iz 1964. godine u kome je postavio osnove mehanizma po kome čestice standardnog modela dobijaju masu, kasnije nazvanog Higsov mehanizam. Zanimljivo je da je ovaj rad profesora Higsa prvo odbili urednici časopisa Physics Letters, uz obrazloženje da rad ne daje nikakav očigledan doprinos za fiziku. Profesor Higs je radu dodao još jedan paragraf i poslao ga drugom časopisu, Physical Review Letters, u kome je rad objavljen krajem godine.

Franso Angler rođen je 1932. godine u Belgiji. Danas radi kao emeritus profesor na Univerzitetu Libre de Bruxelles u Briselu.

Do sada (1901-2013) dodeljeno je 107 Nobelovih nagrada za fiziku, a 47 puta nagrada je dodeljena jednom laureatu. Samo dve žene dobile su Nobelovu nagradu za fiziku, a jedna osoba dobila je ovu nagradu dva puta. Najmlađi dobitnik Nobelove nagrade za fiziku bio je Lavrens Brag i imao je 25 godina, nagradu je podelio 1915. godine sa ocem.

Više informacija možete naći na sajtu Nobelovog komiteta i na PhysicsWorld.