Największe jak dotąd odkrycie naukowe XXI wieku

Wspomnienie prof. Grzegorza Wrochny, dyrektora Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Otwocku-Świerku

To największe odkrycie naukowe od kilkudziesięciu lat! Dotyczy bowiem najbardziej elementarnych składników całej materii i fundamentalnych praw nią rządzących. Od lat 80-tych wiemy, że u podstaw wszystkich zjawisk rządzonych siłami jądrowymi i elektromagnetycznymi, więc światła i dźwięku, własności ciał stałych i gazów, a nawet chemii i biologii leży tzw. model standardowy oddziaływań fundamentalnych. Jednak aby był on w pełni zgodny z doświadczeniem musi zawierać mechanizm ustalający masy obserwowanych cząstek. Jego przejawem powinno być istnienie tzw. cząstki Higgsa, popularnie zwanej po prostu higgsem.

Polowanie na higgsa to przedsięwzięcie naukowe o skali znacznie przekraczającej lot człowieka na Księżyc. Projektowanie eksperymentów, które dokonały odkrycia rozpoczęto już w latach 80-tych. W roku 1984 na zjeździe w Lozannie nakreślono koncepcję LHC. W roku 1990 w Aachen powstały grupy robocze projektujące detektory. Tam zapadła decyzja o włączeniu się Instytutu Problemów Jądrowych (dziś NCBJ), Politechniki Warszawskiej i Uniwersytetu Warszawskiego w prace eksperymentu CMS. Koledzy z Krakowa wybrali drugi eksperyment (dzisiejszy ATLAS).

Pierwszym „wkładem" grupy warszawskiej miał być wyjazd do CERNu jednego z członków zespołu. Prof. Jan Królikowski, który kierował zespołem zaproponował mnie. W szybkim tempie skończyłem doktorat, 4.03.1991 obroniłem go, a 2 dni później już pracowałem nad koncepcją detektora CMS w CERNie, gdzie spędziłem 7 lat. Pierwsze projekty eksperymentów zaprezentowano na zjeździe w Evian, 5.03.1992. Zapamiętałem tę datę, bo tego samego dnia urodził się mój najmłodszy syn. Dziś jest studentem informatyki i pełnymi garściami korzysta z technologii, które wówczas w CERNie dopiero rozwijano lub testowano.

Ta dygresja pokazuje skalę czasową przedsięwzięcia. Sam poświęciłem eksperymentowi CMS kilkanaście lat życia, a niektórzy moi koledzy prawie 20. Pierwsi projektanci eksperymentów odeszli na emeryturę przed ich uruchomieniem, a najmłodsze osoby dziś pełniące wiodącą rolę nawet ich nigdy nie spotkały. Skala czasowa projektu obejmuje więc dwa pokolenia, podobnie jak niegdyś budowa gotyckich katedr.

Skala przestrzenna też jest bezprecedensowa. W sumie nad akceleratorem i detektorami pracowało rzędu 10.000 fizyków i inżynierów z kilkuset instytucji reprezentujących kilkadziesiąt krajów. Obserwowałem wspólnie pracujących naukowców z krajów będących formalnie w stanie wojny ze sobą, reprezentujących różne systemy polityczne i kultury. Sam koordynowałem prace zespołu, w którym prócz Polaków byli Amerykanie, Austriacy, Finowie, Koreańczycy, Rosjanie i Włosi. Wiele prac wykonywanych było w laboratoriach rozsianych po świecie, także w Polsce. Jednak konieczna była bardzo ścisła koordynacja działań, tak by poszczególne elementy nie tylko dały złożyć się w całość, ale zgodnie ze sobą działały. Wtedy właśnie, aby sprostać tym potrzebom wymyślono w CERNie WWW, dzięki czemu wkrótce Internet stał się dostępny dla każdego i odmienił całkowicie nasze sposoby pracy i rozrywki.

Najciekawsza jednak była skala technologiczna. Kiedy rozpoczynaliśmy prace nad eksperymentami LHC nie było jeszcze ani Internetu ani komputerów osobistych. Wymagania jakie musiały spełniać projektowane systemy zbierania, selekcji i analizy danych nie były możliwe do zrealizowania przy ówczesnej technologii. Projektowany strumień danych w jednym eksperymencie przekraczał całą ówczesną telekomunikację europejską. Musieliśmy jednak mieć świadomość, że nasze projekty zostaną zrealizowane za lat 10, kiedy technologia będzie zupełnie inna. Dlatego śledziliśmy uważnie trendy rozwoju szybkości procesorów, pojemności dysków i pamięci, złożoności układów scalonych. Systemy zaprojektowaliśmy ekstrapolując te trendy na wiele lat do przodu. I udało się. Kiedy nadszedł czas wyposażania detektorów w elektronikę, na rynku były już dostępne komponenty o parametrach, które przewidzieliśmy.

Satysfakcja z tego, że wielkie eksperymenty przy LHC zadziałały w roku 2008 bardzo sprawnie była olbrzymia. Zadziałało największe urządzenie badawcze świata. Ale to był dopiero środek do celu. Celem był higgs i — miejmy nadzieję — kolejne odkrycia jakich dokonamy. Dziś ten najważniejszy cel został osiągnięty. Eksperymenty ATLAS i CMS zaobserwowały istnienie nowej cząstki, zgodnej z przewidywaniami Modelu Standardowego. To wielki dzień. Uwieńczenie prawie 20 lat pracy tysięcy specjalistów. Największe jak dotąd odkrycie naukowe XXI wieku i chyba największe w historii ludzkości wspólne pokojowe przedsięwzięcie.

Bozon Higgsa to brama do nowej fizyki

Wywiad z prof. dr. hab. Leszkiem Roszkowskim, kierującym w NCBJ międzynarodową grupą naukowców analizujących dane w poszukiwaniu nowych cząstek elementarnych.

W akceleratorze LHC właśnie odkryto cząstkę Higgsa. Odkryto — czy wyprodukowano?

Cząstkę Higgsa zaobserwowano po raz pierwszy, zatem jest to odkrycie. Lecz jest to cząstka nietrwała i nie istnieje poza akceleratorem LHC — zatem także ją wyprodukowano. Pamiętajmy, że stabilnych cząstek elementarnych jest niewiele, wszystkie pozostałe musimy tworzyć i bozon Higgsa niczym się tu nie wyróżnia.

Trzeba jednak mieć świadomość, że bozon Higgsa to nie „jeszcze jedna cząstka elementarna". To cząstka wyjątkowo ważna, szczególna, ponieważ jest pierwszym zaobserwowanym przejawem istnienia w naturze pewnego pola kwantowego, dotychczas nieznanego, które jest obecne w każdym punkcie przestrzeni i odpowiada za to, że cząstki elementarne mają masę. Krótko mówiąc, odkrycie bozonu Higgsa to dowód, że pole nadające cząstkom elementarnym masę nie jest wymysłem teoretyków. Ono naprawdę istnieje.

Doświadczalne próby wykrycia nowych cząstek elementarnych są często porównywane z szukaniem igły w stogu siana.

Gdyby to było takie łatwe… Akcelerator LHC wraz z detektorami jest najbardziej skomplikowanym urządzeniem zbudowanym przez człowieka, co już dużo mówi o skali trudności stawianych fizykom cząstek przez naturę. Dalej, ilość informacji rejestrowanej w LHC w jednej sekundzie przekracza ilość informacji przekazywanej w tym samym czasie przez wszystkie telefony komórkowe świata. To istny potop informacyjny. Trzeba z niego wyłowić tylko najciekawsze zdarzenia. Robią to specjalne układy elektroniczne. Na decyzję, czy coś jest warte zapamiętania, czy nie, mają mniej niż jedną miliardową sekundy. Tych wyselekcjonowanych i zapisywanych przypadków i tak jest ogromnie dużo.

W przeciwieństwie do fizyków doświadczalnych, którzy muszą budować bardzo skomplikowane detektory, my, teoretycy, mamy znacznie bardziej komfortowe warunki pracy. Możemy ,,założyć nogi na biurko'' i czekać na informacje, które napływają za pośrednictwem internetu.

Praca idealna?

Nie do końca. My mamy własne narzędzia do analizy danych, numeryczne i analityczne. Z kolei zespoły realizujące doświadczenia w LHC mają dane, które publikują w pracach naukowych, oraz strony w internecie, gdzie zamieszczają wstępne i dodatkowe informacje. Rzecz w tym, że te dane są tylko częściowe. Jest ich dużo, znacznie więcej niż kiedyś, ale nadal żaden zespół nie publikuje całości informacji, choćby dlatego, że samo udostępnienie tych wszystkich terabajtów danych wymagałoby ogromnego wysiłku. Dlatego teoretycy, tacy jak my, pracujący nad wnioskami wypływającymi z doświadczalnych poszukiwań, widzą dość fragmentaryczny obraz tego, co naprawdę zarejestrowano w LHC. W efekcie musimy się trochę napracować, żeby odtworzyć brakującą część danych. Nasza grupa z NCBJ stara się to robić z jak największą dokładnością i odnosimy tu sukcesy. Dlatego też możemy mieć pewne zaufanie do naszych przewidywań.

Żyjemy więc w pewnej symbiozie z grupami doświadczalników. Mówimy im na przykład: „Słuchajcie, prawie udało się nam odtworzyć wasze wyniki, ale tu i tu wychodzą jeszcze jakieś dziwne rzeczy. Macie pomysł, co z tym zrobić?". Wtedy oni odpowiadają, że na przykład może tu chodzić o jakiś efekt czysto doświadczalny, po czym wspólnie wypracowujemy, jak można go uwzględnić w przybliżony sposób w naszych teoretycznych rachunkach — aż wreszcie osiągamy to, co trzeba. W końcu nasza praca jest także w interesie doświadczalników: po to zbierają dane, żeby te były wykorzystywane poprawnie.

Gdy dane są już odtworzone...

...patrzymy, co z nich wynika dla przyszłej fizyki. Na przykład próbujemy przewidywać, jakie znaczenie ma odkrycie bozonu Higgsa o takich a nie innych cechach dla obecnych teorii fizycznych wykraczających poza Model Standardowy, który obecnie jest używany do opisu świata cząstek elementarnych. Wiemy bowiem, że wiele modeli ,,nowej fizyki'' opartych na idei tzw. supersymetrii przewiduje istnienie kilku bozonów Higgsa. Jeden z nich powinien mieć masę około 100-130 gigaelektronowoltów. Jednak w wielu modelach o atrakcyjnych własnościach trudno jest przekroczyć granicę właśnie ok. 125-126 GeV!

Jeśli więc bozon Higgsa będzie w końcu miał masę poniżej 126 GeV, będzie to najmniej ciekawy wynik, bo nadal dużo nowych teorii pozostanie dozwolonych. Jeśli jednak po zebraniu większej ilości danych końcowa masa przesunie się w okolicę 128-130 GeV, możliwości teoretycznych nie pozostanie wiele. Ba, mogą odpaść te, które obecnie uważamy za najciekawsze, bo prowadzące do unifikacji fundamentalnych oddziaływań przyrody i wyjaśniające istnienie i ilość ciemnej materii we Wszechświecie. Masa bozonu Higgsa ok. 126 GeV może być też w potencjalnej sprzeczności właśnie z ilością ciemnej materii! Zatem nie tylko ważne jest odkrycie samego bozonu Higgsa, ale również to, jakie będą jego własności. Dopiero gdy je poznamy, będziemy rozumieli, jak zrobić kolejny krok, o którym już wiemy, że jest nieunikniony: jak zacząć pisać księgę z nową fizyką.

Jakie są praktyczne konsekwencje odkrycia bozonu Higgsa?

Jeśli ktoś liczy, że wkrótce opanujemy bezwładność i nasze samochody będą przyspieszać do setki w milisekundę, cóż, jest fantastą. Odkrycie bozonu Higgsa nie ma obecnie żadnego znaczenia praktycznego. Żadnego. To epokowe wydarzenie, ale tylko dla rozwoju fizyki.

Trzeba jednak pamiętać, że w chwili odkrycia wiele zjawisk i teorii fizycznych wydawało się kompletnie nieprzydatnych. Tak było na przykład z emisją wymuszoną, którą traktowano jako abstrakcyjną ciekawostkę, a która po kilkudziesięciu latach pozwoliła skonstruować lasery. Podobnie, nikt nie widział żadnych zastosowań dla wymyślonej przez Alberta Einsteina ogólnej teorii względności. Ale gdybyśmy dziś nie uwzględniali w obliczeniach zakrzywienia czasoprzestrzeni, systemy nawigacji satelitarnej nie mogłyby działać. A fale radiowe? Gdy je odkrywano, wydawały się ciekawostką bez znaczenia. Kto więc wie, co będziemy zawdzięczali odkryciu bozonu Higgsa za kilkadziesiąt czy kilkaset lat?

Zobacz komentarze (23)..

Wyślij mailem..

Wersja do druku    PDF    MS Word