Mineva 10 let od odkritja Higgsovega bozona

Kot sta ob obletnici odkritja povzela sodelavca IJS in raziskovalca v Cernu Marko Mikuž in Borut Paul Kerševan, je bil primarni cilj eksperimenta Atlas, merilnika na velikem hadronskem trkalniku, "potrditev t.i. standardnega modela - teorije, ki opisuje interakcije med osnovnimi delci ter nastanek njihove mase, torej tudi obstoj Higgsovega bozona".

Povedano zelo poenostavljeno: atomi se delijo na množico izjemno majhnih delcev, ki se po teoriji standardnega modela delijo na dve veliki skupini, fermione in bozone. Fermioni so v glavnem delci, povezani z obstojem materije, medtem ko so bozoni v glavnem prenosniki sile.

Britanski teoretski fizik Peter Higgs je v 60. letih minulega stoletja predlagal t.i. Higgsov mehanizem kot rešitev za problem zlomljene simetrije v elektrošibki interakciji, pomembnem delu teorije standardnega modela.

Njegova rešitev vključuje obstoj t.i. Higgsovega polja, ki prežema vse obstoječe in delcem ob interakciji podeli maso ter predpostavlja obstoj novega delca - Higgsovega bozona. Ker je bilo obstoj Higgsovega polja in posledično veljavnosti njegove rešitve možno dokazati zgolj z odkritjem tega delca, je njegovo iskanje postalo eden glavnih ciljev fizike.

"Napovedi standardnega modela se zelo dobro ujemajo z eksperimentalnimi meritvami, za dokončno potrditev ali opustitev le-tega pa je bilo seveda nujno eksperimentalno potrditi obstoj Higgsovega bozona kot zadnjega manjkajočega člena," sta pojasnila Mikuž in Kerševan.

Slovenska ekipa je na projektu Atlas po navedbah IJS sodelovala že od leta 1996, med drugim so za projekt pomagali zgraditi sledilni sistem ter postavili sistem za detekcijo anomalij v velikem hadronskem trkalniku.

Veliki trkalnik so zagnali leta 2008, vse odtlej pa so raziskovalci Cerna opazovali in analizirali na stotine milijard trkov osnovnih delcev ter njihovih posledic.

Čeprav so računske operacije in analize eksperimentalnih podatkov potekale še lep čas za tem, sta rezultata ločenih eksperimentov na merilnikih Atlas in CMS, nameščenih na trkalniku, z zelo visoko stopnjo gotovosti kazala na to, da je odkriti delec konsistenten s teorijo o Higgsovem bozonu.

To so 4. julija 2012 Cernovi raziskovalci tudi javno objavili.

Izjemnemu navdušenju svetovne znanstvene skupnosti ob odkritju je botrovalo tudi dejstvo, da je bil z njim po več kot 40 letih eksperimentalno potrjen še zadnji manjkajoči delček teorije standardnega modela fizike osnovnih delcev. A kot navajata Mikuž in Kerševan, je bilo odkritje tudi začetek novega poglavja v raziskovanju.

"Omenjeni standardni model ni končni odgovor na zakonitosti vesolja, ker določenih stvari ne razloži: pojasni na primer, zakaj imajo delci maso, ne pa tudi, zakaj točno takšno, kot jo izmerimo. Prav tako na primer ne opiše (na kvantnomehanski način) gravitacijske interakcije med osnovnimi delci."

"Odkritje Higgsovega bozona je bistveno prispevalo k omejitvi možnih nadgradenj standardnega modela in usmerilo teoretske modele in eksperimentalne raziskave v dobro definirano smer - na primer v teoretične modele, ki vsebujejo več kot en Higgsov bozon. Treba je tudi poudariti, da je odkritje šele prvi korak pri spoznavanju lastnosti tega delca. Teh 10 let je bilo tako zelo učinkovito porabljenih za natančne meritve lastnosti tega delca in preverjanje ujemanja le-teh s teoretičnimi napovedmi," sta pojasnila.

Tudi 10 let kasneje raziskovalnega dela na tem področju še ni zmanjkalo: "Eksperimentalno smo v fazi merjenja natančnih lastnosti Higgsovega bozona in iskanja delcev onkraj napovedi standardnega modela, v teoretskem razvoju pa se ukvarjamo z razvojem novih teorij kot nadgradenj standardnega modela. Tako je na IJS, Univerzi v Ljubljani in drugih sodelujočih raziskovalnih organizacijah v Sloveniji in tujini aktivnih več raziskovalnih projektov, ki so osredotočeni na primer na uporabo metod strojnega učenja v fiziki osnovnih delcev, izračunov napovedi možnih zanimivih novih teorij na osnovi standardnega modela ipd."

Raziskovanje gradnikov atoma je sicer potekalo že dolgo pred vzpostavitvijo teorije standardnega modela v 70. letih prejšnjega stoletja. Med izvore polja bi lahko šteli že premisleke Williama Herschela o "vročinskem sevanju" iz začetka 19. stoletja, ki se je kasneje preimenovalo v infrardeče sevanje. Leta 1895 je Wilhelm Röntgen proizvedel t.i. žarke X, ki so bili kasneje prepoznani kot fotoni, le dve leti zatem pa je J.J. Thomson odkril elektron.

Ob prelomu stoletja se je na pobudo Maxa Plancka in Alberta Einsteina začelo razmišljati o "paketih" svetlobe, ne zgolj svetlobi kot sevanju, odkritja atomskega jedra in protona v letih 1911 in 1919 s strani Ernesta Rutherforda pa so postavila temelje za sodobne raziskave osnovnih delcev.

Obletnico odkritja Higgsovega bozona bodo na IJS slovesno obeležili s tremi predavanji in pogovorom z raziskovalci, ki sodelujejo pri eksperimentu Atlas. Prireditev bo potekala pod častnim pokroviteljstvom predsednika republike Boruta Pahorja.