V zadnjem času so se novice iz sveta fizike večkrat prikradle na naslovnice časopisov. Najpomembnejša med njimi je prišla gotovo julija lani, ko so iz Velikega hadronskega trkalnika na švicarsko-francoski meji sporočili odkritje dolgo iskanega Higgsovega bozona, bolj splošno znanega kot »božji delec«. Odkritje je zagotovilo letošnjo Nobelovo nagrado in zaključilo poglavje fizike, ki se imenuje standardni model, h kateremu se vrnemo kasneje. Delec je torej izjemno pomemben, toda zakaj?

Zgodovina

Preden lahko pojasnimo Higgsov bozon, moramo razložiti ozadje razvoja moderne fizike. Na koncu 19. stoletja je veljalo naivno prepričanje, da je fiziki v grobem že uspelo razložiti svet okrog nas. K sreči je kmalu zatem vskočil slavni Einstein s teorijo relativnosti in malo manj slavni Max Planck kot začetnik kvantne mehanike. Kvantna mehanika je po svojem začetku, leta 1900, hitro in uspešno raziskovala lastnosti in obnašanje najmanjših naravnih gradnikov. Štiriinšestdeset let po Plancku pa sta Peter Higgs in Francois Englert s sodelavci, neodvisno drug od drugega, teoretično napovedala delec, kasneje poimenovan Higgsov bozon. Na koncu šestdesetih let, prejšnjega stoletja, je to omogočilo Stevenu Weinbergu in Abdusu Salamu razvoj elektrošibke teorije. S tem je bil postavljen standardni model, ki izjemno dobro opisuje obnašanje osnovnih delcev. Vendar je bil tedaj le teorija, še nepotrjena v poskusih. Potrebno je bilo najti več delcev, vsak izmed njih bi dal svoj žig veljavnosti delu teorije. Šele z vsemi zbranimi žigi bi lahko standardni model razglasili za veljavnega. S tem se je začel lov na delce. Nekatere so našli hitro, zadnjega, Higgsovega, pa se je iskalo in iskalo. Bil je tako izmuzljiv, da je ameriški fizik Leon Lederman svojo poljudno knjigo o njem želel poimenovati kar »Od boga preklet delec« a mu je založnik svetoval spremembo naslova, »saj bi bil božji delec boljši naslov, glede na to, da se navezuje na neko drugo, mnogo starejšo knjigo.« Na koncu sta vztrajnost ter trud uspela in 4.julija lanskega leta so našli delec, čigar vedenje se zelo dobro ujema s tistim, ki ga pričakujemo od Higgsovega bozona. Svoje odkritje so z večjo zanesljivostjo potrdili šele marca letos in zanj oktobra podelili Nobelovo nagrado Higgsu in Englertu.

Standardni model

Toliko govora o standardnem modelu, še malo razjasnitve. Stari Grki so verjeli, da je svet sestavljen iz majhnih, nedeljivih enot, imenovanih atomi. Kasneje se je v Hirošimi izkazalo, da so atomi zelo deljivi. Sestavljeni so iz protonov, nevtronov in mnogo manjših elektronov. Standardni model gre še naprej in postavlja cel živalski vrt različnih delcev. Te delce delimo na dve vrsti, fermione in bozone. Fermioni so osnovni gradniki snovi. Trije fermioni, imenovani kvarki, tvorijo protone ali nevtrone. Ti skupaj z elektroni, ki so prav tako fermioni, sestavljajo atom. Bozoni, kamor poleg Higgsovega spadata W in Z bozon, gluon ter foton skrbijo za odnose med fermioni. Foton je nosilec elektromagnetne sile, katera drži elektron »prilepljen« k protonu. W in Z bozon sta nosilca šibke jedrske sile, zadolžene za radioaktivni razpad. Gluon je pa nosilec močne jedrske sile, ki drži skupaj kvarke. Poleg tega so bozoni tudi delci polj. Polje je področje, kjer lahko delovanje sile opazimo. Ostane nam samo še en bozon, Higgsov.

Higgsov bozon

Kot ostali, je tudi Higgsov bozon delec svojega polja, ki se imenuje Higgsovo polje. Njegova naloga je podeljevanje mase delcem. Delci sami po sebi nimajo lastnosti mase, ampak jim jo podeli Higgsovo polje preko Higgsovega bozona. Masivnejši delci bolj sodelujejo s poljem, kot pa tisti z manjšo maso. Temu delovanju se reče Higgsov mehanizem. Skozi čas se je za lažjo predstavo tega mehanizma uporabila že mnogokatera primerjava. Zamorkla se kot škofjeloška revija lahko poskusi s škofjeloško primerjavo. Na loškem gradu, v času, ko so vladali Freisinški škofje, poteka zabava. Ločani so enakomerno porazdeljeni po dvorani. Na zabavo pride tudi škof in se sprehaja preko dvorane. Vsi v njegovi bližini se mu želijo približati in naredijo gručo okrog njega. Tisti, od katerih se škof oddalji se vrnejo nazaj na svoje mesto. Zaradi gruče ljudi zbranih okoli njega ima škof večjo maso od običajne. Hkrati z večjo maso ima tudi večjo gibalno količino in se zato težje ustavi ter spet premakne, ko se enkrat ustavi. Podobno se lahko razloži tudi Higgsov bozon. Na gradu je še vedno zabava. Pri vratih dvorane se začne širiti neka govorica. Ločani pri vratih nato stopijo do svojega soseda, ki ga zanima, o čem se govori. Ločani spet ustvarijo gruče, ki se čez dvorano razširijo kot val. Enako, kot je prej škofu dala gruča ljudi večjo maso, imajo sedaj maso tudi gruče, ki nastajajo, ko se po valovih razširjajo govorice. Takšno gručo predstavlja Higgsov bozon.

2013-11-17-ta-prekleti-delec.png

Odkrivanje bozona

Glavni vzrok za tako dolgo čakanje na odkritje so predstavljale izjemne energije, ki so potrebne pri iskanju. V ta namen so pod švicarsko-francosko mejo izkopali krožni tunel s sedemindvajset kilometrskim obsegom. V njem so postavili magnete, s katerimi so pospešili delce do hitrosti, ki so komaj kaj nižje od svetlobne. Delce so nato čelno trčili med seboj. Energija, s katero se zaletita dva skupka delcev je primerljiva tisti, ki jo imata dva avtomobila ob trku s hitrostjo 50 km/h. Posledica tako silovitega trka je nastanek mnogih novih delcev. Večina med njimi zelo hitro razpade. V primeru Higgsovega bozona je čas razpada 0,00000000000000000000016 sekunde. Povrh vsega se pojavi zgolj enkrat na nekaj milijard trkov. Tako kratek razpadni čas pomeni, da delcev ne morejo zaznati neposredno, opazi pa se lahko njihova sled, ki jo pustijo v merilnikih. Za odkritje sta bila ključna merilnika CMS in ATLAS, pri slednjem že dolgo sodelujejo tudi slovenski fiziki.

Fizika po standardnem modelu

Je fizika sedaj zaključena celota? Seveda ne! Standardni model je daleč od popolne slike narave. Seznam nerešenih fizikalnih vprašanj se povečuje z razumevanjem sveta. Pozoren bralec je lahko opazil, da se gravitacije sploh ni omenjalo. Težava je njena šibkost, kar se opazi, na primer, ko majhen magnet drži žebelj in nasprotuje celotni gravitacijski sili Zemlje. Zaznavanje njenih teoretičnih sestavnih delcev, gravitonov, je s trenutno tehnologijo nemogoče. Veliko nerešeno skrivnost predstavlja tudi temna energija in temna snov, ki sestavljata 95% znanega vesolja, vendar je neposredno ni mogoče zaznati. Za njen obstoj se ve samo preko opazovanj obnašanja galaksij. Na srečo tudi trkalniki in raziskovalci niso odnehali. V prihodnosti se pričakuje še boljše razumevanje življenja, vesolja in sploh vsega.