CERN reîncepe ciocnirile de protoni pentru a studia bosonul Higgs şi alte particule experimentale

Cel mai mare accelerator de particule din lume, Large Hadron Collider (LHC) de la CERN, Laboratorul European pentru Fizica Particulelor de la Geneva, reporneşte astăzi, 3 iunie 2015. După o pauză de mai bine de doi ani pentru lucrări de îmbunătăţire, acceleratorul va crea coliziuni de particule la energii de aproape două ori mai mari decât înainte.

LIVE Transmisie video de la CERN 

Între anii 2009 şi 2012, experimentele ATLAS şi CMS au colectat date, a căror analiză făcută de echipele internaţionale - de aproximativ trei mii de persoane fiecare - a avut un mare succes. Atât ATLAS, cât şi CMS au descoperit independent unul de altul aceeaşi particulă elementară, cu aceleaşi proprietăţi.

Particulele elementare sunt cele mai mici „cărămizi” din care sunt construiţi atomii. Particula elementară descoperită la CERN fusese prezisă cu o jumătate de secol în urmă de către Profesorul Peter Higgs, de la Universitatea din Edinburgh din Marea Britanie. Totodată, particula este un boson, un tip de particule elementare. De aici şi numele său: bosonul Higgs.

Universul are forma din prezent - cu stele, planete şi viaţă – pentru că atomii există şi sunt stabili. Aceasta se întâmplă pentru că particulele elementare din care atomii sunt formaţi se pot deplasa cu viteze mai mici decât viteza luminii, cea mai mare viteză posibilă. Viteza la care o particulă se poate deplasa este determinată de masa sa. Particulele cu masă zero zboară mereu la viteza luminii. Dacă o particulă nu are masă zero, chiar dacă are una foarte mică, poate să fie în repaus sau să zboare la viteze mici, dar nu poate atinge niciodată viteza luminii.

În vara anului 1964, originea masei particulelor elementare a fost explicată printr-o idee revoluţionară. Ideea le-a venit în mod independent la doua echipe de fizicieni teoreticieni. Prima era formată din Robert Brout şi Francois Englert în Belgia. A doua era formată doar din Peter Higgs în Scoţia, în Marea Britanie.

Ideea era următoarea:

Imaginaţi-vă o pădure deasă printre ai cărei copaci aleargă două persoane, una mai mică şi una mai mare. Cine credeţi că ajunge prima la capătul pădurii? Într-adevăr, persoana cea mică! Fiind mică, ea se poate strecura mai uşor printre copaci, simţind o „frecare“ mai mică din partea pădurii. Situaţia este asemănătoare modului în care particulele elementare îşi primesc masa.

Inspiraţia lor extraordinară a fost să considere că absolut oriunde în Univers – fie în obiecte, în oameni, dar chiar şi în spaţiul cosmic, unde nu ar trebui să existe nimic – există, de fapt, ceva ce nu era cunoscut până atunci. Când în orice punct din spaţiul fizic există ceva, fizicienii îl denumesc câmp. În analogia noastră, câmpul e reprezentat de pădure. Două tipuri de particule călătoresc prin spaţiu, reprezentate de cei doi oameni. Ele simt o „frecare” cu acest câmp, sunt încetinite de la viteza luminii şi astfel primesc mase diferite. Cu cât e mai mare interacţia unei particule cu acest câmp, cu atât mai mare este şi masa sa. În onoarea fizicienilor care au prezis existenţa sa, oamenii de ştiinţă îl denumesc câmpul Brout-Englert-Higgs sau pe scurt câmpul BEH.

Însă doar Peter Higgs a scris explicit în articolul său ceva ce echipa din Belgia nu a făcut, deşi era ceva ce se ştia deja pe vremea aceea, anume că fiecărui câmp îi corespunde o particulă, reprezentată în analogia noastră de către un copac. Tot aşa precum o pădure este formată din copaci, un câmp este format din particule.

În acest fel, Peter Higgs a propus un mod de a testa dacă într-adevăr câmpul BEH există, anume dacă experimentele observă o nouă particulă elementară cu anumite proprietăţi. În cinstea sa, particula poartă numele de bosonul Higgs. Particulele elementare simt o „frecare” cu câmpul BEH pentru că ele se ciocnesc de fapt cu bosonii Higgs care formează câmpul.

O particulă elementare ciocnindu-se cu bosonii Higgs şi văzând o „frecare“ de la câmpul BEH este oarecum similară cu o persoană care se strecoară printre copacii unei păduri foarte dese. FOTO Adrian Buzatu

Descoperirea bosonului Higgs la CERN în 2012 a confirmat, la jumătate de secol de la crearea sa, că teoria despre câmpul BEH este o descriere corectă a modului cum particulele elementare obţin masă. Prin urmare, fizicienii teoreticieni Francois Englert şi Peter Higgs au primit premiul Nobel pentru fizică pe 2013. Din păcate, Robert Brout decedase în 2011 fără să îşi fi văzut teoria confirmată şi fără a putea primi premiul Nobel.

Evenimente candidate a conţine bosoni Higgs obţinute din coliziuni de particule la LHC. Evenimentul de deasupra provine de la detectorul CMS şi prezintă o dezintegrare a unei particule în doi fotoni (particule de lumină, reprezentate de liniile punctate galbene şi de turnuleţele verzi). Evenimentul de jos provine de la detectorul ATLAS şi prezintă o particulă ce se dezintegrează în patru muoni (particule asemănătoare electronilor, dar cu o masă de 200 de ori mai mare, reprezentate de liniile roşii). FOTO Laboratorului CERN prin licenţa Creative Commons. Imaginea poate fi găsită la https://cds.cern.ch/record/1630222.

Prin analiza noilor ciocniri care încep la CERN se vor măsura proprietăţile bosonului Higgs.

Acestea vor ghida atât pe experimentatori, cât şi pe teoreticieni, spre căutarea de fenomene încă necunoscute. De exemplu, se ştie din studiul cerului că spaţiul cosmic conţine, pe lângă materia normală formată din atomi, şi un nou tip de materie care nu este formată din atomi. Oamenii de ştiinţă o denumesc materia întunecată (sau materia neagră) şi cred că este formată dintr-un tip de particulă elementară ce nu face parte dintre particulele elementare deja cunoscute. Fizicienii teoreticieni au creat câteva teorii care extind teoria din prezent şi, în plus faţă de particulele deja cunoscute, prezic existenţa particulelor de materie întunecată. Mai mult, aceste teorii prezic existenţa a cinci bosoni Higgs, dintre care unul este foarte asemănător - dar nu identic - cu cel prezis de teoria curentă. Este aşadar foarte important a măsura proprietăţile particulei nou descoperite, dar şi a continua căutările de particule de materie întunecată, pentru a spera să fie găsite dovezi experimentale ale noilor teorii.

Există speranţă ca aceste măsuratători şi descoperiri să fie făcute prin analiza datelor care încep iarăşi să fie colectate acum la CERN. Cum acceleratorul aproape că îşi va dubla energia, detectoarele vor putea observa particule cu mase de două ori mai mari decât ale particulelor pe care le puteau observa înainte.

Mai mult, faptul că acest câmp BEH există oriunde în spaţiul fizic sugerează o conexiune profundă între acest câmp şi însăşi natura şi proprietăţile spaţiului. Aceasta îi va ghida pe fizicienii teoreticieni care caută o teorie mai avansată a fizicii particulelor elementare. Totodată, îl face pe autorul acestui articol să viseze la manipularea spaţiului cu ajutorul bosonilor Higgs. Scenariştii filmului serial ştiinţifico-fantastic, Star Trek, pretindeau că, deşi navele lor călătoresc la stele îndepărtate, ele nu încalcă regula că nimic nu poate călători cu o viteză mai mare decât viteza luminii. În schimb, spaţiul însuşi era manipulat în jurul navelor astfel încât în orice moment de timp nava are, relativ la spaţiu, o viteză mai mică decât viteza luminii.

Ar putea bosonul Higgs să contribuie la manipularea spaţiului? Deocamdata putem doar să visăm.

Între timp însă, mânaţi de curiozitate, fizicienii din domeniul particulelor elementare continuă să studieze aceste ingrediente fundamentale ale materiei, inclusiv bosonul Higgs descoperit recent. Şi cine ştie ce descoperiri vor face experimentele ATLAS şi CMS de la CERN, datorită îmbunătăţirilor realizate la LHC?

Acest articol a fost scris iniţial în engleză de autorul Adrian Buzatu pentru revista de ştiinţă a studenţilor din Glasgow, GIST http://the-gist.org/, apoi tradus în română pentru adevarul.ro.

Adrian Buzatu a prezentat subiectul bosonului Higgs prezentare video de 16 minute la TEDxUniversityOfGlasgow:

Şi într-un sumar video de doar 1 minut pentru revista GIST: