Higgs. Inventarea și descoperirea Particulei lui Dumnezeu, Jim Baggott

„Nu l-am găsit încă. Nu l-am exclus încă. Rămâneţi pe recepţie în anul care vine.” – Rolf Heuer, Seminarul public CERN, 13 decembrie 2011

Acum ceva mai bine de două mii şase sute de ani, în cetatea anatoliană Milet din provincia Ionică, avea să se aprindă o lumină. Filosoful Thales (unul dintre cei şapte înţelepţi, cel care a adus geometria în Grecia, a deviat cursul unui râu, a prezis o eclipsă de soare, a căzut într-un puţ pe când privea cerul şi care a murit în timp ce asista la o întrecere sportivă) oferea omenirii prima explicaţie globală naturalistă din istorie. Toate, credea el, erau apă şi apa ţinea la un loc toate cele care erau. Umezeala era în firea lucrurilor, fiindu-le temelie. Astăzi, un copil de şcoală primară ar putea zâmbi citind acestea. Însă Thales făcea doar primul pas pe un drum care duce direct la CERN şi la Staţia Spaţială Internaţională. Grecul formulase ideea în jurul căreia avea să se înfăşoare ca un fir de aţă nervul preţios al cunoaşterii ştiinţifice. Toate lucrurile, oricât de diverse, aveau un substrat comun, iar nouă, oamenilor, ne era hărazit să-l găsim sau să-l căutăm pentru vecie. Iar zeii nu erau cu nimic implicaţi în asta.

La aproape două sute de ani după Thales, tot în Ionia, filosofii Leucip şi Democrit calibrează fulminanta intuiţie a lui Thales, aşezând pentru prima dată atomii la baza lumii şi a propriei noastre existenţe. A-tomos era ceea ce nu mai putea fi tăiat în părţi şi mai mici. Aflată atunci mult în afara capacităţii de testare, această idee preţioasă a fost pentru umanitate un dar făcut integral de incredibila putere de deducţie a raţiunii umane. A fost nevoie de mai bine de două milenii pentru ca existenţa fantomaticelor particule să fie probată dincolo de orice îndoială. În 1897, existenţa atomilor era încă aprig dezbătută când fizicianul englez Joseph John Thompson descoperea electronul. Experimentele desfăşurate în primul deceniu al secolului XX de către neo-zeelandezul Ernest Rutherford la laboratorul din Manchester relevau existenţa nucleului atomic, iar în 1932, James Chadwick descoperea neutronul. Se părea că atomii există şi că, la urma urmei, îşi purtau fraudulos denumirea de a-tomi din moment ce ascundeau în interior o lume luxuriantă şi stranie. Cât de stranie, avea să devină clar în curând.

Primele trei decenii ale secolului XX („cei treizeci de ani care au zguduit fizica”, după cum spunea George Gamow) aveau să releve o lume a cuantelor (cele mai mici particule purtătoare de energie) de neînţeles în termenii logicii clasice. Particule grele sau de masă foarte redusă orbitau nucleele potrivit unor legi greu de înţeles. Superpoziţia permitea particulelor (sau pisicilor) să existe şi să nu existe în acelaşi timp. Particulele se dezintegrau in particule mai mici, iar cele mai mici dintre ele nu puteau fi despărţite unele de altele şi au căpătat nume ciudate (cuarci), pe măsura stranietăţii lor. Întreaga noastră realitate, stabilă şi inteligibilă, părea construită pe nisipul fantomatic al unei lumi pentru care a fi sau a nu fi nu este chiar o disjuncţie. În deceniile care au urmat deceniului trei au fost descoperite sau teoretizate multe alte particule. Aveau să fie împărţite în două categorii: fermionii (particule cu masă care stau la baza materiei asa cum o cunoaştem) şi bosonii (particule care poartă forţe în interiorul unui câmp). La rândul lor, fermionii se împart în hadroni (particule grele precum neutronul sau protonul) şi leptoni (particule uşoare care nu simt forţa tare internucleară). Hadronii se împart la rândul lor în barioni şi mezoni. Nu am să vă mai plictisesc cu denumirile tuturor particulelor, dar vă asigur că sunt suficient de exotice: mezoni K, pioni, miuoni, neutrini, cuarci, kaoni sau particule sigma.

După cum remarca eminentul fizician Lee Smolin, încă de la începutul fizicii au existat savanţi convinşi că ei reprezintă ultima generaţie, cea care va da o descriere completă a Universului. Spre sfârşitul secolului al XIX-lea, James Clerk Maxwell, care unificase electricitatea cu magnetismul, era convins că fizica era încheiată şi că nu mai avea nevoie decât de câteva mărunte ajustări pentru a fi declarată o teorie a totului. Şapte decenii mai târziu, fizicienii experimentatori se aflau în faţa unei faune cuantice deconcertante pentru care teoreticienii aveau datoria să găsească un model explicativ.

Istoria ştiinţei este o istorie a construcţiei unor tablouri tot mai suple şi mai elegante ale realităţii. Teoreticienii ştiinţei sunt oameni sensibili la eleganţă şi simetrie, iar pentru cei mulţi, după cum spune titlul unei celebre cărţi a lui Ian Stewart, „frumuseţea este adevărul”. În acelaşi timp cu descoperirea noilor particule, fizicienii teoreticieni au construit un model explicativ care să dea fiecărei cuante sens şi un rol în cadrul realităţii. Această teorie avea să capete numele, deloc spectaculos, de model standard al particulelor. Începută în deceniul şase al secolului trecut, construcţia modelului standard este poate cea mai impresionată construcţie intelectuală a omenirii din toate timpurile. Este efectiv tabloul realităţii pe care îl construim ca pe un puzzle, piesă cu piesă, prin eforturile conjugate a generaţii de oameni de ştiinţă. Nu ştim cum arată varianta lui finală: ştim însă că intuiţiile lui centrale sunt foarte ofertante. Toate forţele din natură (sunt patru: forţa nucleară tare, care ţine cuarcii lipiţi în nucleu), forţa nucleară slabă (responsabilă de dezintegrarea radioactivă), forţa electromagnetică şi forţa gravitaţională) trebuie să fi fost cândva, la doar o fracţiune de secundă după Big Bang şi la temperaturi uriaşe, o singură forţă. Apoi trebuie să fi intervenit ceva. Minţile poetice au zburat deja (cred) spre Dumnezeu, dar fizicienii îi spun mult mai modest, rupere spontană de simetrie. Ca atunci când un vultur se repede într-un stol de cocori, împrăştiindu-i în toate direcţiile şi la toate înălţimile. E nevoie de o specie excepţională ca a noastră ca să intuiască că stolul de cocori a fost cândva simetric. Maxwell arătase deja că forţa electrică şi forţa magnetică pot fi privite ca două feţe diferite ale aceluiaşi câmp. În 1979, fizicienii Steven Weinberg şi Abdus Salam primeau Premiul Nobel pentru unificarea forţei electromagnetice şi forţei slabe într-o singură forţă, electroslabă. Toate eforturile din fizica teoretică de azi se îndreaptă către unificarea tuturor acestor forţe cu forţa gravitaţională, cea mai slabă dintre toate.

Ce anume strică simetria? Ce este vulturul care deranjează în zborul lor maiestuos cei o mie de cocori? Această întrebare reprezenta, la începutul deceniului şase al secolului trecut, poate cea mai mare enigmă dintre toate. Apoi, cum se întâmplă adesea în ştiinţă, cineva a avut intuiţia fericită. În 1962, fizicienii Francois Englert şi Robert Brout de la Universitatea din Bruxelles, aveau să descrie un mecanism care putea rupe simetria. Avea să fie numit după cel care avea să-l descopere independent câteva luni mai târziu: fizicianul Peter Higgs de la Universitatea din Edinburgh (desigur, nici istoria ştiinţei nu este una dreaptă). Voi menţiona totuşi că Premiul Nobel avea să fie acordat şi lui Englert pentru descoperirea mecanismului Brout-Englert-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble, numele întreg al mecanismului Higgs.

Dar ce este şi ce face mecanismul Higgs? Mecanismul Higgs presupune existenţa unui câmp de energie care umple tot spaţiul (câmpul Higgs). În explozia primordială, particulele, iniţial fără masă, traversează acest câmp. Unele nu interacţionează cu el, cum ar fi fotonul, care rămâne energie pură şi nu are repaos. Toate celelalte interacţionează şi sunt încetinite (scade acceleraţia). Conform teoriei relativităţii, decelerarea poate fi interpretată ca masă. Lumea prindea contur, devenea consistentă. Dacă vi se pare greu de înţeles, vă rog să urmăriţi explicaţia alternativă. Când, după recesiunea din 1987, Marea Britanie se gândea să retragă finanţarea oferită CERN, fizicianul David Miller, profesor de fizica particulelor la University College din Londra, a fost pus în situaţia de a explica unui politician (William Waldegrave, ministru britanic al ştiinţei la acea vreme) ce anume face şi ce este câmpul Higgs. S-a folosit de următoarea metaforă (şi a obţinut finanţarea): să ne imaginăm că, la o recepţie a conservatorilor, apare Margaret Thatcher. Dacă ea va traversa camera, va aduna în jurul ei tot mai mulţi admiratori dornici să îi vorbească. Ceea ce era iniţial un om avea să devină un grup uman, un cocoloş de trupuri. Eminenta politiciană câştigase masă.

Câmpul Higgs era astfel necesar pentru ca simetria să fie ruptă, particulele să capete masă, iar lumea să iasă dintre umbre. Însă cum putea fi dovedită existenţa acestui câmp? Ca în oricare alt câmp, forţa trebuie transportată prin intermediul unei particule. Şi pentru că trebuia să poarte un nume, i s-a spus bosonul Higgs.

Acceleratorul de particule de la CERN a fost construit avându-se în minte găsirea bosonului Higgs. Acceleratoare mai mici nu reuşiseră să îl găsească, iar în joc era un efort gigantic, purtat de sute de fizicieni pe parcursul a jumătate de secol. Care erau alternativele? Desigur, bosonul Higgs putea să nu fie găsit. Asta ar fi fost o catastrofă. Însemna că, de jumătate de secol, fizica era pe un drum greşit. Pe de altă parte, dacă el ar fi fost descoperit, asta ar fi fost doar confirmarea că suntem pe drumul bun, despre care nu ştim încă dacă vom avea puterea să-l parcurgem până la capăt. Pe 4 iulie 2012, întreaga presă a lumii anunţa descoperirea la CERN a „particulei lui Dumnezeu”. Erorile şi exagerările sunt mecanismul Higgs al presei, iar descoperirea bosonului Higgs nu a făcut excepţie. „Particula lui Dumnezeu” (traducere inexactă a sintagmei „God particle”/ „particula-Dumnezeu”) este o denumire nefericită pe care fizicienii o repudiază. Dar la festivalurile presei, savanţii sunt rareori invitaţi. Iar cine îşi închipuie că bosonul a fost surprins şi fotografiat în flagrant delict de producere se înşală iarăşi. Ceea ce fizicienii au găsit la CERN sunt nişte „evenimente compatibile cu bosonul Higgs”. Ceea ce am observat în ciocnirile din acceleratoare sunt rămăşiţele (cuantificate statistic) dezintegrării unor particule grele care ar putea fi bosonul Higgs. Mai simplu spus, am găsit ceva care are şanse mari să fie particula căutată. E mult? E puţin? E suficient pentru ca aventura începută de Thales să continue.

Acum câteva zile, acceleratorul de la CERN a fost repornit după mai bine de doi ani de pauză. Ce aşteptăm în continuare de la el? Sincer, nimeni nu ştie. Ar fi frumos să găsim particule supersimetrice pentru că asta ne-ar confirma singura idee a teoriei unificatoare pe care o avem în prezent. Dar adevărul este că fizica teoretică se află astăzi în impas. Stăm nelămuriţi, dar încă uimiţi şi curioşi, în faţa puzzle-ului pe care l-am început acum mai bine de două mii cinci sute de ani. Speranţa că vom înţelege în cele din urmă natura este poate una dintre cele mai rare perle încolţite cândva în sufletele oamenilor. Iar istoria arată că întotdeauna, parcă de nicăieri, apare câte un Higgs cu un mecanism care să ne arate calea.

Sursa foto: www.theblaze.com

Editura Humanitas;