Kilka blogów naukowych (Of Particular Significance, Screw Cable, Résonaances, wreszcie należący do Economista Babbage) doniosło ostatnio, że odkryta w CERN cząstka Higgsa być może ma inne własności, niż przewiduje Model Standardowy. Sami autorzy studzą nastroje i podkreślają, że nie można jeszcze mówić o przełomowym odkryciu, jednak gdyby doniesienia te się potwierdziły, byłaby to bardzo dobra wiadomość dla fizyki.
Czym jest cząstka Higgsa? Na ogół powiada się, że „bez bozonu Higgsa materia nie miałaby w ogóle masy”. Nie jest to w pełni poprawne. Zgodnie z Modelem Standardowym teorii cząstek, cała przestrzeń wypełniona jest polem Higgsa. Stan o najniższej energii odpowiada niezerowej gęstości tego pola. Cząstki elementarne nieustannie z nim oddziałują, przedzierają się przez nie, i na skutek tego oddziaływania nabierają bezwładności, czyli masy. Taki mechanizm zaproponował 48 lat temu brytyjski fizyk Peter Higgs. Fundamentalnym fermionom (kwarkom i leptonom) w zasadzie można by przypisać masę arbitralnie, choć byłoby to nieeleganckie; lepiej jest to zrobić poprzez mechanizm Higgsa. Gorzej jest z bozonami Z i W, przenoszącymi oddziaływania słabe: dobrze wiemy, że są one masywne (sto razy bardziej, niż proton), ale poza mechanizmem Higgsa nie znamy innego sposobu, w jaki mogłyby one uzyskać masę. Dlatego właśnie istnienie pola Higgsa jest tak ważne dla Modelu Standardowego.
Pola Higgsa nie możemy bezpośrednio zaobserwować – właśnie dlatego, że, w pewnym sensie, obserwujemy je bez przerwy. Jest ono naturalnym tłem dla całej znanej nam fizyki. Możemy obserwować odstępstwa od stanu naturalnego. Takimi odstępstwami są wzbudzenia pola Higgsa, pojawiające się na skutek wysokoenergetycznych zderzeń, manifestujące się jako osobne cząstki elementarne. Bozon Higgsa jest takim właśnie wzbudzeniem. Używając oklepanej (i naciąganej) analogii, pole Higgsa jest oceanem, a cząstki Higgsa niewielkimi falami na powierzchni bardzo, bardzo, bardzo spokojnego oceanu. Można powiedzieć, że fizycy tak bardzo chcieli odkryć cząstkę Higgsa nie z uwagi na nią samą, ale po to, aby uzyskać pośredni dowód na istnienie pola Higgsa.
Model Standardowy dość dokładnie przewiduje własności cząstki Higgsa. Co by się stało, gdyby odkryta cząstka dokładnie spełniała przewidywania modelu? Byłby to wielki tryumf przenikliwości fizyków pracujących nad Modelem Standardowym. Cały gmach fizyki cząstek byłby wreszcie kompletny, skończony, wszystko by do siebie pasowało. Ludzkość dysponowałaby perfekcyjnym modelem, zdolnym przewidywać wszystkie zjawiska ze świata cząstek elementarnych. I to właśnie byłby problem. Nie byłoby już nic do odkrycia. Owszem, zostałoby jeszcze dużo faktów szczegółowych do ustalenia i wyjaśnienia, ale nic fundamentalnie nowego, nieznanego, a przez to wartego zbadania. Sytuacja byłaby podobna do tej z końca XIX wieku, gdy gmach ówczesnej fizyki wydawał się skończony, a fizyka zdawała się nie nieść żadnych poważnych wyzwań intelektualnych. Na szczęście dla fizyki kilka drobnych, jak się wydawało, problemów doprowadziło do przełomowych odkryć i teorii: mechaniki kwantowej, fizyki relatywistycznej i teorii procesów stochastycznych.
Wielu fizyków uważa, że fizyka cząstek elementarnych jest w takiej sytuacji, jak cała fizyka sto kilkadziesiąt lat temu. Potrzeba nowych, zaskakujących, nie dających się przewidzieć na gruncie istniejącej teorii faktów doświadczalnych, aby pchnąć całą dyscyplinę do przodu. W przeciwnym razie popadnie ona w stagnację. Wciąż mamy skąpe ilości danych, ale wydaje się, że odkryta latem cząstka Higgsa jest prawie dokładnie taka, jak to wynika z Modelu Standardowego. Właściwie zaobserwowano tylko dwa odchylenia. Po pierwsze – i o tym właśnie donoszą przywołane wyżej blogi – dane z detektora ATLAS zdają się świadczyć, że istnieją dwie różne cząstki Higgsa. No, to byłoby coś! Cząstki Higgsa nie można obserwować bezpośrednio, jest ona bardzo niestabilna i rozpada się na cząstki potomne, też zresztą niestabilne – dopiero produkty ich rozpadu daje się zarejestrować. Na tej podstawie można w szczególności wyznaczyć masę cząstki pierwotnej, domniemanej cząstki Higgsa. Otóż grupa ATLAS twierdzi, że w zależności od tego, czy obserwuje się cząstkę rozpadającą się na dwa fotony, czy na dwa bozony W lub Z, można wyznaczyć inne masy. Różnica mas dwu hipotetycznych cząstek Higgsa (126.6 GeV/c2 vs 123.5 GeV/c2) wyraźnie przekracza zdolność rozdzielczą detektora, choć nie można z całą pewnością wykluczyć jakiegoś źle skalibrowanego urządzenia (pamiętajmy o źle podłączonym kablu, który rok temu doprowadził do spekulacji na temat nadświetlnych neutrin). Z drugiej strony danych jest wciąż tak niewiele, że prawdopodobieństwo, iż zaobserwowany efekt tak naprawdę jest fluktuacją statystyczną – dziwną, ale możliwą – jest duże. I tak zapewne jest, tym bardziej, że siostrzany detektor, CMS, prowadzący analogiczne pomiary, jak ATLAS, ale nieco innymi technikami, żadnych „dwu Higgsów” nie widzi. Oba detektory, ATLAS i CMS, badają tę samą wiązkę wytworzoną w LHC.
Po drugie, obserwuje się nieco więcej rozpadów cząstek Higgsa na dwa fotony, niż przewiduje Model Standardowy (jest za to niedomiar rozpadów na dwa bozony W lub Z). W tym wypadku dane z ATLASa i CMS są zgodne, a im więcej danych doświadczalnych gromadzimy, tym efekt staje się wyraźniejszy, choć wciąż nie można z całą pewnością orzec, że nie jest to fluktuacja statystyczna. Zakładając jednak, że efekt jest prawdziwy, nie umiemy go wytłumaczyć – i to właśnie ekscytuje fizyków zajmujących się cząstkami elementarnymi. Skoro czegoś nie rozumiemy, wciąż jest co badać! Kto wie, może ten efekt – choć niewielki i wciąż nie w pełni potwierdzony – otworzy drogę do obserwacji zupełnie nieznanych zjawisk?
Rekapitulując, odkrycie cząstki Higgsa dokładnie takiej, jak to przewiduje Model Standardowy, byłoby jednocześnie i wielkim sukcesem, i zdarzeniem nieciekawym. Oznaczałoby kres teorii cząstek elementarnych. Z tego względu fizycy z wielkimi nadziejami spoglądają na – niewielkie, nieliczne i w dodatku wciąż niepotwierdzone – odstępstwa zebranych wyników od przewidywań modelu. Ja, nie będąc cząstkowcem, jestem raczej sceptyczny, ale…
