Zmarł Peter Higgs. Dlaczego jego "boska cząstka" jest tak istotna dla świata

Jak podaje The Guardian, Peter Higgs zmarł w swoim domu w Edynburgu. Większość swojej naukowej kariery pracował na tamtejszym uniwersytecie. Swoje życie poświęcił na badaniach w dziedzinie fizyki teoretycznej i to właśnie w niej zdobył swoje osiągnięcia.

Największe miało miejsce w 1964 roku, gdy Higgs wraz z Robertem Broutem i Françoisem Englertem udowodnił teoretycznie istnienie nowego pola kwantowemu a wraz z nim fundamentalnej cząsteczki, która nadaje masę innym fundamentalnym cząsteczkom. Stąd dawał odpowiedź, skąd w ogóle bierze się masa we wszechświecie. Ta specjalna cząsteczka nazwana została "bozonem Higgsa", wymiennie określaną "boską cząstką".

W latach 60. badacze fizyki teoretycznej tacy jak Higgs starali się rozwiązać tajemnice w dziedzinie kwantowej teorii pola. Powstały przy tym założenia stanowiące podstawy późniejszego tzw. Modelu Standardowego. Opierały się m.in. na założeniu symetrii w przyrodzie, gdzie właściwości fizyczne są takie same bez względu na różne zmiany. Tak jak według symetrii perfekcyjnie okrągła piłka zawsze będzie wyglądała dla nas tak samo, tak prawa natury będą takie same bez względu na to, w jaki sposób je postrzegamy.

Fizycy dzięki temu mogli rozpocząć szersze badania nad aspektami kwantowej teorii pola. Rodzące się założenia Modelu Standardowego zapewniał m.in. standardowy zapis zarówno dla elektromagnetyzmu, jak i słabej siły jądrowej. Ujednolicona w ten sposób siła to siła elektrosłaba, która determinuje rozpad atomowy pierwiastków poprzez przekształcanie protonów w neutrony — oraz jej nośników siły, cząsteczki zwane bozonami W i Z. Jednak te założenia miały poważny problem.

Według nich przy sile elektrosłabej, bozony W i Z musiałyby nie mieć masy. Zaburzałoby to dotychczas znane zasady fizyki, bo prowadziłoby np. do nieskończoności rozpadu jądra atomowego. Tak więc rozwiązanie części zagadnienia kwantowej teorii pola... okazało się przeczyć fizyce.

Rozwiązanie w 1964 zaproponowali trzej naukowcy François Englert, Robert Brout i właśnie Peter Higgs. Stworzyli teoretyczny mechanizm oparty na dwóch elementach: nowym polu kwantowym, nazwanym "polem Higgsa" oraz "sztuczki", wedle której natura spontanicznie łamała zasadę symetrii. Naukowcy założyli, że symetria jak znajduje swoje odzwierciedlenie w teorii, może zostać złamana w świecie fizycznym. 

CERN porównał tę sztuczkę do ołówka stojącego na swoim czubku. W jednym momencie jest idealny, symetryczny, aby po chwili przechylić się w skierowanym kierunku, niszcząc tę symetrię. W tym teoretycznym modelu pomimo zaburzenia symetrii, prawa natury są niezmienne. Tak więc Higgs, Brout i Englert wprowadzili niestabilność do doskonałego systemu, nie łamiąc zasad.

Naukowcy zaproponowali, że od razu wraz z Wielkim Wybuchem powstało pole kwantowe, które nazwano polem Higgsa. Powstało ono w symetrycznym, ale niestabilnym układzie. W krótkim czasie jednak to pole uzyskało swoją stabilność, ale zaburzyła się jego symetria, dając masy nośnikom siły elektrosłabej, bozonom W i Z. A przynajmniej taka była pierwotna teoria.

Bo trzej naukowcy szybko odkryli, że pole Higgsa nadawało masy praktycznie każdej fundamentalnej cząsteczce we wszechświecie jak elektrony i kwarki. Te cząsteczki, które najlepiej wchodziły w interakcje z polem Higgsa, otrzymywały większą masę. Stąd masę brały cząsteczki składające się na gwiazdy, planety czy nas - ludzi.

Jednak jak było to naukowe rozwiązanie problemów w Modelu Standardowym, było to jednak rozwiązanie czysto teoretyczne. Aby potwierdzić, że faktycznie istnieje coś takiego jak pole Higgsa, potrzeba było znaleźć dowód na istnienie cząsteczki, która przenosiła jego moc. Trzeba było znaleźć bozon Higgsa. Musiał przy tym nie mieć momentu pędu ani spinu kwantowego i rozpadać się tuż po powstaniu. Znalezienie czegoś takiego to nie lada ciężkie zadanie, biorąc pod uwagę, że warunki do zobaczenia takich cząsteczek istniały tylko na początku wszechświata.

Ta trudność sprawiła, że dla wielu znalezienie bozonu Higgsa stała się wręcz obsesją. Przez swoją nieuchwytność nawet w świecie naukowym zaczęto nazywać go "boską cząsteczką". Przez dekady świat fizyki tylko potwierdzał matematyczne założenia Petera Higgsa, Françoisa Englerta i Roberta Brouta, bez dowodu, że są one fundamentalną prawdą. Szansa pojawiła się, wraz z dostępem specjalnych akceleratorów, które poprzez zderzanie cząsteczek mogły zakłócać pole Higgsa i przez to znajdować jego cząsteczki.

Przełomowy był w tym Wielki Zderzacz Hadronów. 4 lipca 2012 roku naukowcy z zespołów ATLAS i CMS podczas jednego zderzenia protonów, znaleźli w ich rozpadzie dziwną cząsteczkę. I to właśnie ona odpowiadała wszystkim założeniom teoretycznym Higgsa z 1964 roku. W 2013 roku ostatecznie potwierdzono, że cząsteczka, którą wykrył Wielki Zderzacz Hadronów to naprawdę bozon Higgsa. Dlatego też tego samego roku Peter Higgs, François Englert oraz zmarły już Roberta Brout otrzymali nagrodę Nobla z Fizyki. Właśnie dlatego, że prawie 50 lat wcześniej odkryli założenia "boskiej cząsteczki".

Hipoteza pola Higgsa i bozonu Higgsa pozwoliły zrozumieć, skąd bierze się masa cząsteczek. Na nich dziś opiera się zrozumienie fizyki cząstek elementarnych we wszechświecie. Na dziś, gdyż pogoń za "boską cząsteczką" sprawiła, że jak jednakowo poszerzyła się nasza wiedza o świecie, otworzyły się nowe bramy nauki. Bozon Higgsa to do dziś element niezwykle enigmatyczny, który skrywa wiele tajemnic.

Peter Higgs za swojego życia pomógł postawić kolejny krok w badaniach nad fizyką cząstek elementarnych, która daje wiele możliwości i może wpłynąć na nasze życie. Z tego segmentu fizyki korzysta m.in. opieka zdrowotna, gdzie technologie potrzebne w akceleratorach cząsteczek są wykorzystywane w leczeniu raka podczas terapii hadronowej i radioterapii elektronowej. Obok medycyny, technologie wyszukujące elementarne cząsteczki mogą być wykorzystywane do monitorowania promieniowania w przestrzeni kosmicznej w celu ochrony sprzętu i zapewnieniu bezpieczeństwa astronautów lub do wychwytywania zmian w zanieczyszczeniu powietrza.

Pęd za poznaniem tajemnic fizyki cząstek elementarnych napędza inne dziedziny nauki i technologii. Kto wie, co pozwoli nam zdobyć rozwiązanie wszystkich tajemnic bozonu Higgsa, nad którymi naukowcy głowią się od 2012 roku. Pewne jest, że nie byłoby to możliwe dzięki zmarłemu Peterowi Higgsowi, który był jednym z tych, który rozpoczął pościg za "boską cząstką".