Одлазак оца „божије честице“: Питер Хигс, физичар који је променио наше разумевање универзума štampaj

Постоји теорија која објашњава од чега је направљен атом, како је изгледао свемир у првој секунди свога постојања, зашто Сунце сија, како настаје поларна светлост, како функционише атомска бомба и зашто се магнет лепи за фрижидер. Ту теорију данас називамо „стандардни модел физике елементарних честица“ или, у скраћеном облику, „стандардни модел“.

Реч је о једној од највећих и најкомплетнијих творевина људског ума заснованој на квантној механици, теорији која објашњава понашање материје и енергије на суб-атомском нивоу. Није реч само о томе да су формуле и постулати ове теорије увек били у савршеном складу са свим до сада познатим чињеницама. Ова теорија небројено пута до сада предвидела је постојање нових честица и феномена, што су каснији експерименти обично потврђивали са задивљујућом прецизношћу. 

Ако узмете у обзир да космос у коме живимо, без обзира на његове колосалне пропорције, представља одраз онога што се збива на његовом елементарном нивоу, није чудно што се стандардни модел врло често назива „теоријом свега“. Или, да будемо прецизнији, „скоро свега“: теорија успешно описује три од четири силе у природи (електромагнетну, слабу и јаку нуклеарну силу), али не и гравитациону која, и поред силног уложеног труда научника, још увек одбија да постане део стандардног модела.

И поред својих спектакуларних резултата и остварених предвиђања, стандардни модел, као теорија, никад није достигао препознатљивост и публицитет коју има Ајнштајнова Tеорија релативности која се бави управо гравитацијом. Ајнштајн природу гравитационе силе објашњава кроз сложену интеракцију масивних тела, простора и времена на начин који с квантном механиком и стандардним моделом нема додирних тачака.

Са друге стране, и стандардни модел има своје научне хероје: Нилса Бора, Вернера Хајзенберга, Пола Дирака, Ричарда Фејнмана, Абдуса Салама, Стивена Вајнберга и многе друге, али нико од њих није имао ни делић популарности Алберта Ајнштајна чији је разбарушени лик постао синоним за непревазиђену научну генијалност. За разлику од Tеорије релативности која се, помало претерaно, везује за име само једног човека, стандардни модел не припада ником – колективно су га градили небројени научници широм света. 

Ако је ико из света квантне физике био близу тога да се својом личном популарношћу макар примакне култном Ајнштајновом статусу, то је свакако био Питер Хигс који је, након краће болести, преминуо 8. априла 2024. у 94. години живота. 

Пут до Нобелове награде

Питер Хигс рођен је 1929. године у Њукаслу. Прве године живота је провео у Бирмингему али се породица 1941. године, на почетку рата, преселила у Бристол, верујућу да ће ту бити сигурнији од немачког бомбардовања (претпоставка се показала погрешном).

Од самог почетка Хигс је испољио огроман дар за науку, нарочито за математику, делимично захваљујући великој математичкој библиотеци свога оца у којој је проводио много времена. Ишао је у школу чији је некадашњи ђак био Пол Дирак, један од најчувенијих физичара тог доба који је дефинисао неке од темељних принципа квантне механике. Физици се окренуо тек 1946. године, након што је одслушао неколико надахнутих предавања бристолских физичара Невила Мота и Сесила Пауела о атомској енергији и нуклеарној бомби (обојица ће касније добити Нобелову награду).

Докторирао је на Краљевом колеџу у Лондону 1954. али му се није остварила жеља да у истој школи постане и професор (у трци за професорско место претекао га је најбољи друг). У почетку се бавио молекуларном физиком, изучавајући ефекте симетрије у хемијским једињењима, да би се затим окренуо атомској физици.

У Единбург се преселио 1960. године где ће на тамошњем универзитету провести читав радни век као професор физике непрекидно постављајући једно те исто питање: „Зашто честице имају масу?“

Исте године упознао је и своју будућу супругу, Џоди Вилијамсон која се бавила лингвистиком. Оженио се три године касније и у браку са њом имао два сина. Често су га називали шкотским физичарем, само због места у коме је живео, иако су оба његова родитеља били Енглези. 

У пензију је отишао 2006. године али је и даље наставио да прати збивања у ЦЕРН-у. Након открића Хигсовог бозона из 2012. године уследио је период вишемесечних верификација и помних анализа тако да је Нобелова награда за ту годину отишла у друге руке. Када је дошло време да се уручи Нобелова награда за 2013. годину, више нико није сумњао у веродостојност открића. Свима је било јасно да је главни фаворит за наредног лауреата управо Питер Хигс.

Неколико дана пре објављивања одлуке о добитнику, Хигс је решио да се склони у неку забит на северу Шкотске, како би избегао медијску лавину у случају да му награда заиста буде додељена.

Међутим, временска прогноза није била нарочито повољна па је Хигс изабрао мало другачије решење. У време када је одлука требало да буде објављена, 8. октобра око поднева, Хигс се искрао у оближњи паб, наручио храну и пиво и пустио да време тече. Сви покушаји Шведске краљевске академије наука да га лоцирају и саопште му одлуку о додели награде остали су неуспешни што и није било чудно: Хигс никад није користио мобилни телефон а избегавао је чак и интернет.

Након сат времена одлагања и узалудних покушаја да се Хигс некако пронађе, коначна одлука саопштена је свету без његовог знања. Три сата касније, Хигс је, пуног стомака и добро наливен пивом, кренуо кући али је успут посумњао да га тамо можда чека армија новинара па је напрасно решио да убије још мало времена у једној успутној уметничкој галерији.

За вест о награди сазнао је тек касно поподне када га је на улици препознала и пресрела пријатељица која је за вест чула од своје ћерке из Лондона. Хигс се кући вратио срећан: не само да је добио Нобелову награду већ је с успехом избегао и све новинаре који су га читавог дана безуспешно вијали по граду. Пред кућом је затекао само једног фото-репортера, сви остали одавно су отишли негде другде.

Зашто честице имају масу?

Захваљујући раду Питера Хигса објашњена је једна од највећих загонетки физике: зашто неке елементарне честице имају масу и како она настаје? Јер, у основним једначинама квантне физике не постоји ништа што би захтевало да честице морају да буду масивне. Без масе, оне би се кретале брзином светлости а у таквом свету ниједна сложена структура, попут атома и молекула, не би могла да се формира.

Питање масе елементарних честица врло је компликована ствар. Узмите, рецимо, један обичан протон, језгро атома водоника. Данас знамо да је сваки протон састављен од три кварка, два „доња“ и једног „горњег“ (сви кваркови имају прилично сувопарна имена). Највећи део масе протона потиче од енергије њихове узајамне интеракције коју преносе честице које се зову глуони.

По Ајнштајну, маса и енергија су „конвертибилне“ величине и повезане су једном од најчувенијих формула у историји науке: E=mc². Што је већа енергија интеракције, то је и маса протона већа. Међутим, постоји један мали део масе протона, једва 1%, који потиче од масе појединачних кваркова. Та маса би постојала чак и када никакве међусобне интеракције не би било.

Неко би овде могао да стави сасвим логичну примедбу: зашто нас толико занима порекло свега једног процента целокупне масе у универзуму?

Питање, међутим, није само академско. У том једном, скоро занемарљивом, проценту налазе се, рецимо, сви електрони – њихова маса нема никакве везе са некаквом унутрашњом интеракцијом конститутивних делова јер електрон, према свим досадашњим сазнањима, представља материјалну тачку без унутрашње структуре.

Када електрон не би имао масу, он би се кретао брзином светлости што би онемогућило формирање водониковог и било ког другог атома. Хемијске везе које омогућавају стварање молекула на којима почива живот и све остало не би постојале. Такозвани „бета распад“, радиоактивни процес који од неутрона производи протоне такође не би био могућ, што би за последицу имало космос без иједног протона.

Сасвим парадоксално, испада да је тај један проценат масе непознатог порекла одговоран за 100% изгледа данашњег космоса (још једна потврда старе изреке да је „ђаво увек у детаљима“). 

Одакле потиче сопствена маса елементарних честица? Почетком шездесетих година ово је и даље била врућа тема на којој су никле многе теорије од којих је само једна преживела тест времена. Пут од Хигсове теорије па до њене експерименталне потврде трајао је око пола века, што је довољно дугачак период да поколеба практично сваког научника у његовим предвиђањима и натера га да изнова зарони у своје прорачуне, можда их и коригује у корист неке друге претпоставке. Али Хигс је био „направљен“ од мало солиднијег материјала: његово поверење у ваљаност сопствене теорије ниједног тренутка није било уздрмано.

Шта је Хигсова теорија?

Да пробамо да објаснимо суштину Хигсове теорије ризикујући да велики део читалаца растерамо већ на самом почетку... Квантна механика је, заправо, теорија поља. Под пољем подразумевамо област простора у коме нека физичка величина има одређену вредност.

Типично поље је, рецимо, оно температурно. Било која тачка у Земљиној атмосфери има одређену температуру, довољан је обичан термометар да бисте је измерили. Поља могу да се преплићу, прожимају и делују једно на друго: у истој тачки простора можете да измерите атмосферски притисак, јачину и правац Земљиног магнетног поља, влажност и многе друге величине. Свака од тих величина има своје физичко поље.

На субатомском нивоу ствари су сличне, само су поља квантна, самим тим и теже разумљива: једно од тих поља је електромагнетно, исто оно кроз које се преноси програм радио станица или сигнал мобилне телефоније.

Сваки поремећај у том пољу на макроскопском нивоу изгледа као елементарна честица одређених својстава. У случају електромагнентног поља, тај поремећај представља фотон, за који знамо да нема масу и да се креће брзином светлости. Слично је и са електроном – оно што ми доживљавамо као честицу, заправо је поремећај у електронском пољу. Такво поље имају и кваркови, елементарне честице од којих су састављени протони и електрони, основни градивни елементи атомских језгара свеколике материје од које смо и сами саздани.

Енглези би рекли „so far, so good“. Али заплет у причи тек следи. Када би се све завршило на пољима и честицама које чине стандардни модел (три фамилије од по два кварка, три лаке честице и три неутрина), све ове честице биле би без масе и кретале би се брзином светлости, практично без икакве међусобне интеракције. У случају фотона, то заиста и јесте тако. Али, на другој страни, електрон има своју масу која је прецизно измерена и зато се електрон може убрзати само до брзине која ће увек бити бар „за длаку“ мања од брзине светлости.

Природа воли симетрије 

Поља која смо описали су симетрична. Под симетријом у физици не подразумевамо само геометријску симетрију коју запажамо у огледалу, симетрију коцке, лопте, снежне пахуљице или симетрију између десне и леве половине лица.

Физичари под симетријом подразумевају сваку трансформацију која не мења  вредност одређених физичких величина. Рецимо, једна од физичких симетрија каже да су закони физике данас исти као и пре стотину година. Друга физичка симетрија каже да закони физике једнако важе у Београду, Њујорку и Паризу.

Еми Нетер, једна генијална математичарка која за свој рад никад није била праведно награђена, доказала је да из сваке физичке симетрије проистиче неки закон одржања. То што су закони физике, на пример, јуче били исти као и данас директно води до закона о одржању енергије. Природа је тако устројена да воли симетрије и зато је физика препуна закона одржања који нам омогућавају да решимо неке проблеме који би иначе остали недокучиви. 

Свако поље располаже одређеном енергијом, електромагнетно или електронско или кварковско, свеједно. Што је више материје присутно, то је и енергија одговарајућег поља већа. Али, ако се одмакнете довољно далеко у празнину космоса, далеко од честица, планета, звезда и галаксија и ако измерите количину енергије сваког од поменутих поља у јединици запремине вакуума, добићете минималну енергију коју поље има у одсуству било какве материје. Испоставиће се да је енергија вакуума (густина енергије празног простора), равна нули за свако од ових квантних поља.

То не значи да је вакуум потпуно мртав и неинтересантан. Захваљујући Хајзенберговом принципу неодређености, вакуум непрекидно производи парове честица позајмљујући им енергију током кратког периода постојања. Ту енергију ове честице ће вратити назад који тренутак касније када се у судару међусобно анихилирају.

Вакуум, заправо, личи на пену од шампањца: мехурићи у њему настају истом оном брзином којом они претходни пуцају и нестају. Сва ова поља су стабилна, положај и енергија честице у њему ограничене су невидљивим „зидовима“ који личе на слово „U“. Убаците куглицу у слово „U“ и она ће се непрекидно кретати око његове најниже тачке која репрезентује нулу – тачку најниже енергије.

Хигсово поље

И када би ово била читава прича, када би свако квантно поље имало поменути облик, у космосу не би постојало ништа што би фотон, електрон или кварк спречило да се крећу брзином светлости (што у случају кваркова и електрона дефинитивно није могуће).

Теорију која допуњује стандардни модел и објашњава овај парадокс формулисала је група истраживача на челу са Питером Хигсом 1964. године. Њихове полазне претпоставке биле су врло радикалне, толико радикалне да је Хигсу било потребно неколико година да нађе издавача који је био довољно „луд“ да публикује његову револуционарну теорију.

По тој теорији, космос прожима још једно, до тада непознато физичко поље, тзв. „Хигсово поље“, које је потпуно независно од иједне до тада познате честице.

У давна времена, непосредно након „Великог праска“ и ово поље је било симетрично са границама које  описује већ поменуто слово „U“, са нулом у његовој најнижој тачки. Такво Хигсово поље није имало никаквог ефекта на кретање честица – све оне и даље су биле без масе и кретале се брзином светлости.

Али, у једном тренутку, из разлога који нам ни данас нису познати, природа је спонтано, сама од себе, нарушила ову симетрију и из Хигсовог поља описаног словом „U“ прешла у стање које више личи на слово „W“.

Шпиц на средини овог слова и даље одговара нули, али ако на ту тачку поставите било коју честицу, она ће спонтано склизнути у леву или десну „долину“ којој одговара енергија различита од нуле. Слика више није симетрична (честица је или на једној или на другој страни) због чега настаје интеракција честице и Хигсовог поља.

Хигсов механизам коришћењем математичког језика описује како спонтано нарушавање симетрије Хигсовог поља спречава честицу да се креће брзином светлости. Макроскопски гледано, изгледа као да је честица успорила јер је изненада добила масу. Маса, у Хигсовом тумачењу, није ништа друго него манифестација отпора који делује на честицу док се пробија кроз свеприсутно Хигсово поље које располаже одређеном енергијом у свакој тачки простора. 

Шта је бозон?

Хипотеза у старту јесте деловала смело (коме треба још једно „измишљено“ поље?), али је временом опстала: не само да је теорија била конзистентна, заснована на валидним математичким прорачунима, већ су и све конкурентне теорије временом биле одбачене као противречне или мало вероватне. Што не значи да је Хигсова теорија била једноставна и лако разумљива – напротив.

Британска влада суочила се с тешком изазовом: како да уложи милијарде фунти пореских обвезника у изградњу „Великог хадронског сударача“ („Large Hadron Collider“ или „LHC“) при Европском институту за нуклеарна истраживања (CERN) у Женеви, како би доказала или оповргла теорију коју је разумевала тек шачица људи. Почетком деведесетих година, министар науке Вилијам Волдгрејв дошао је на идеју да затражи помоћ британске јавности: обећао је боцу најфинијег шампањца ономе ко на једном листу папира сликовито објасни „Хигсов механизам“.

Како је гласило победничко објашњење?

Замислите Кнез Михаилову улицу препуну људи, као онда кад се нешто дели џабе, без иједног празног квадрата од Теразија до Калемегдана. Сад замислите две особе које желе да прођу кроз ту улицу с краја на крај: једна од њих је Новак Ђоковић, друга особа је моја маленкост. На самом почетку обојица се крећемо једнаком брзином. Међутим, Новака препознаје практично свако. Људи се скупљају око њега, застајкују, траже аутограме, постављају питања, успоравају га на сваком кораку.

На другој страни, мене не препознаје практично нико: иако је улица препуна људи, ја кроз њу пролазим без проблема, као Надал кроз Ролан Гарос. За неког ко наивно гледа ствари са стране и посматра само Новака и мене, игноришући пролазнике на улици, изгледа као да се Новак креће много теже, тј. као да има много већу масу од мене (у стварности, на жалост, ствари стоје мало другачије).

Ти случајни пролазници су, заправо, оно свепрожимајуће Хигсово поље које узрокује Новаково споро кретање. У тој маси неко ће још из даљине рећи: „Ево га Новак!“ и та ће информација као талас путовати кроз масу, сакупљајући повремено на једно место два или три пролазника.

Тај талас, тај поремећај који путује кроз Хигсово поље случајних пролазника је, заправо, Хигсова честица, тзв. „Хигсов бозон“.

Пут до „божија честице“ дуг 50 година 10 милијарди долара 

ОК, у стварности победничко објашњење није помињало Новака, Кнез Михаилову и случајне пролазнике, него изборну конвенцију конзервативаца и Маргарет Тачер. И није га написао аутор овог текста већ Дејвид Милер, један студент из Лондона. Какогод, Хигсу се објашњење веома допало и данас ћете га наћи на Јутјубу у стотину различитих верзија.

Међутим, у лаичкој јавности, Хигсов бозон много је познатији као „божија честица“, а то алтернативно име настало је помало комичним сплетом околности.

Леон Ледерман, математичар и физичар који је још 1988. године добио Нобелову награду за свој рад о неутринима, написао је 1993. године књигу о потрази за Хигсовим бозоном под насловом „Проклета честица: Ако је Универзум одговор, шта је онда питање?“

Уреднику се није допао превише острашћен тон наслова па је затражио да се уместо речи „проклета“ („goddamn“, на енглеском) убаци реч „божија“ („god’s“).

Испоставиће се да је ова наизглед козметичка измена једног атрибута имала огромну улогу у константном порасту интересовања јавности за нуклеарна истраживана. Стотине новинара једва упућених у основну тему почело је о истраживањима у ЦЕРН-у да пише као о потрази за Богом, верујући да је Хигсов бозон заправо отисак Божијег палца који космос носи још од почетка простора и времена. Хигс, као заклети атеиста, никад није прихватио алтернативни назив тврдо верујући да у научним теоријама Бог нема шта да тражи.

Када је LHC, вероватно највећа и најсложенија машина коју је човек икад направио, прорадила пуном паром, питање Хигсовог бозона нашло се на самом врху истраживачких приоритета. Јер, у конструкцију LHC-а уложено је преко 10 милијарди долара а тако велику инвестицију могао је да оправда само неки спектакуларни резултат.

Хигсов бозон коначно је откривен 2012. године а налаз су, мимо сваке сумње, потврдила два независна истраживачка тима користећи потпуно различиту методологију и апаратуру.

Пре него што је откриће званично најављено Хигс је добио позив да посети ЦЕРН уз загонетну напомену: „Ако не дођете, биће Вам жао“. Знајући да се ради о нечему јако великом, Хигс је променио своје планове и допутовао у Женеву како би пред усхићеном публиком састављеном од новинара, научника и истраживача из прве руке чуо да је његова теорија, стара скоро пола века – заправо тачна.

Вест о открићу Хигс је примио с урођеном скромношћу. „Понекад је заиста лепо бити у праву. Када сам формулисао теорију, нисам био сигуран да ћу доживети овај тренутак“, рекао је новинарима. 

Допуна стандардног модела 

Хигс није био једини који се бавио овом проблематиком и та чињеница евидентна је и у одлуци Нобеловог комитета да Нобелову награду за физику 2013. године Хигс подели са Франсоа Енглертом. Хигсов оригинални допринос најзначајнији је када је фамозни бозон у питању. Иако се његово постојање имплицитно наговештава и у радовима других научника који су се бавили феноменом „спонтаног стицања масе“, једино је Хигс сматрао да се теорија не може сматрати ваљаном све док бозон не буде откривен.

С друге стране, Хигс никад није покушао да свој допринос стави изнад онога што су урадили други научници. Више пута је указао да „није фер“ што је новооткривени бозон понео његово име: „Ја сам имао срећу и дар да повежем неке распаране крајеве који су одавно висили у ваздуху. И то је све.“

Награду би за свој допринос скоро сигурно примио и Роберт Браут али је он преминуо 2011. године (Нобелова награда се не додељује постхумно). Хигсово име, било то праведно или не, постало је део савремене поп-културе, док су Браут и Енглерт морали да се задовоље страницама на Википедији, иако је њихов рад на тему масе елементарних честица био објављен неколико недеља пре Хигсовог. 

Слава није изменила Питера Хигса. И пре и после открића био је повучен, скоро срамежљив човек. Неки су му чак замерали да је за физику и научну заједницу могао да уради много више, да је могао боље да искористи светлост рефлектора и своју медијску свеприсутност.

Чињеница је, међутим, да му препознатљивост и слава који су уследили након доделе Нобелове награде нису много пријали, чак је тврдио да су му у великој мери уништили живот. „Доба спокоја у којем сам раније уживао, напрасно се завршило. Оваква врста публицитета није за мене. Ја сам човек који воли да ради у самоћи и коме, с времена на време, сине понека бистра идеја“, говорио је Хигс о себи.

Та преданост науци и дугим часовима размишљања вероватно га је коштала и брака: од своје дугогодишње супруге Џоди развео се, како сам признаје, сопственом кривицом јер му је научни рад често био важнији од ње и породице. Ипак, остали су у добрим односима све до њене смрти 2008. године. 

Хигсов научни допринос свакако је огроман. Стандардни модел добио је још једну честицу, бозон је назван по његовом имену. На дијаграмима стандардног модела тај Хигсов бозон увек стоји некако по страни али без њега слика више није комплетна.

Неодговорена питања

Хигс је својим радом још једном потврдио ваљаност стандардног модела и поставио га на још чвршће ноге него пре. Енигма честица без масе коначно је решена.

Хигс је, међутим, увек гледао у даљину – за њега је Хигсово поље било тек мост до делова физике које још увек нисмо ни почели да истражујемо.

Да пођемо од једноставних питања... Ми, на пример, још увек не знамо зашто неке честице ступају у интеракцију са Хигсовим пољем и тако стичу масу (електрон, на пример) док су друге без масе и путују кроз то исто поље без икакве интеракције брзином светлости (фотон, на пример).

Стандардни модел је и даље пун мистерија: он, рецимо, обухвата три типа неутрина. Прича о неутрину узбудљива је као и прича о Хигсовом бозону – за ову прилику довољно је рећи да је неутрино, вероватно, најзагонетнија и најегзотичнија честица у природи.

У космосу ових честица има у изобиљу: кроз нокат на вашем прсту сваке секунде прође неколико милијарди неутрина а да то и не осетите, јер неутрини изузетно ретко ступају у контакт с „обичном“ материјом (њихово деловање ограничено је на силу слабе нуклеарне интеракције која има изузетно кратак домет).

По стандардном моделу, неутрини не би требало да имају масу, али је данас, на основу експеримената изведених са Сунчевим неутринима, скоро извесно да она ипак постоји, иако је изузетно мала, толико мала да је до сад нико није прецизно измерио. Да ли је извор те масе Хигсов механизам или нешто друго, остаје да се види.

И на крају, ту је највећа мистерија данашње физике, а можда и науке уопште: порекло тамне материје и тамне енергије. Данас знамо да ове две „тамне компоненте“ чине око 96% целокупног садржаја космоса и ту се наше знање о овим тајанственим састојцима универзума практично завршава. Има ли ту Хигсово поље неку своју скривену улогу такође није познато, али је Хигс веровао да ту могућност такође треба истражити. 

Након 2012. године и открића Хигсовог бозона оно што сигурно можемо да кажемо је да оних десет милијарди долара колико је коштао LHC није потрошено узалуд. Чак и када се на тај трошак дода онај скупи шампањац који је попио већ поменути Дејвид Милер, закључак остаје исти – знање није бесплатно, а оно фундаментално је најчешће и најскупље.