Kaj je posebnega na Higgsovem bozonu, da ga išče tisoče znanstvenikov, da so se v iskanje prelile že desetine milijard evrov? Da se ob njegovi omembi zgane velika večina najpomembnejših svetovnih medijev? Je to res tisti ključen delec, ki vodi do razumevanja nastanka vesolja? Razlaga tega opevanega in skrivnostnega drobca, ki naj bi preveval vso stvarnost, je za večino neznanstvenih krogov izjemno težka naloga. Sega v samo osrčje izjemno zapletenih in deloma nepotrjenih teorij fizike.

Še več. Higgsov bozon je teorija. Je teoretični konstrukt, ki so si ga fiziki zamislili, da bi lahko že desetletja najširše sprejeta teorija o sestavi vesolja sploh delovala. Evropski center za jedrske raziskave (Cern), 7,5 milijarde evrov vreden raziskovalni kompleks 100 metrov pod površjem Švice, pa je zadnji v vrsti poskusov, da bi luknjo v standardnem modelu fizike osnovnih delcev zapolnili in dokazali.
Teoretično trenje orehove lupine okoli vesolja
Fizika namreč svet in pojavnost razlaga s kopico različnih, pogosto povsem nasprotujočih si teorij. Mnoge izmed njih delujejo samo v določenih okoliščinah, v drugih ne; druge večinoma uspešno delujejo, a hkrati obstajajo primeri, ki te iste teorije sesujejo. Vesolje ostaja polno ugank, ob katerih tudi največjim znanstvenim umom ostanejo čudenje nad obsežnostjo ter teoretični poskusi trenja orehove lupine vesolja.

Pred stoletji je eden izmed velikanov fizike, Isaac Newton, z opazovanjem odkril obstoj gravitacijske sile ter podal Newtonove zakone, ki so svet dolgo časa uspešno razlagali. Za časa Alberta Einsteina so spoznali, da Newtonovi zakoni delujejo le v določenih pogojih, da masa lahko ukrivlja čas in prostor ... s teorijo relativnosti nastopi povsem drugačno razumevanje zakonitosti. Tudi Einstein ni trajal dolgo – Bohrov model atoma je že leta 1913 pokazal, da se atomi v mnogih pogledih ne podrejajo Newtonovim in Einsteinovim zakonom, temveč zanje velja kvantna teorija.
Od neizmerne majhnosti do brezmejnosti vesolja
Fizika ima to težavo, da proučuje stvari od najmanjših možnih gradnikov vesolja do nepredstavljivo obsežnih planetov in jat galaksij, ne nazadnje do vesolja kot celote. Še več, ukvarja se tako s sedanjostjo kot trenutki tik pred domnevnim nastankom vesolja pred 14 milijardami let. Pri tem se za napovedi dogodkov in modelov zanaša na teorije, ki jih zatem potrjujejo ali zavračajo še desetletja po njihovem nastanku, saj navadno vključujejo obsežen del teoretičnih predpostavk. Na podlagi teh predpostavk nato zgradijo natančne matematične modele stvarnosti.

Ena takih teoretičnih predpostavk je tudi Higgsov bozon. Je del fizikalne teorije, imenovane standardni model osnovnih delcev. Ta razlaga najosnovnejše gradnike vsega, kar obstaja. Običajnemu človeku pa se zdi samoumevno, da kar obstaja, ima maso. Zakaj bi morali enemu delcu dodati neki drugi delec, da bi sploh imel maso? Fizikom je to vse prej kot samoumevno. Začenši s svetlobo: fotoni, delci svetlobe, ki pravkar padajo v vaše oko, nimajo mase.
Brez Higgsa je vse brez mase
A po standardnem modelu osnovnih delcev tudi prav nič drugega v tem vesolju samo po sebi sploh nima mase. Tudi vaši prsti na tipkovnici ne. Maso naj bi pridobili šele v interakciji s Higgsovim poljem, ki naj bi prežemalo vso stvarnost. Kateri so torej ti osnovni in najmanjši gradniki vsega vesolja? Nekoč so verjeli, da so to atomi (atom: grški izraz za 'nedeljiv'). Danes pa vemo, da se atomi delijo še na široko množico izjemno majhnih delcev, ki se po tej teoriji delijo na dve veliki skupini: fermione in bozone. Posplošeno povedano: fermioni so v glavnem tisti gradniki, ki se povezujejo z obstojem materije, medtem ko so bozoni v glavnem prenosniki sile.

Štiri osnovne interakcije med delci v naravi
V naravi delci medsebojno vplivajo drug na drugega na štiri poglavitne načine, pri vsakem pa deluje svoja vrsta bozona. Prvi način je elektromagnetizem, ki poteka med električno nabitimi delci, prenaša jo foton. Drugi način je šibka jedrska sila z bozonoma tipa W in Z, ki med drugim poteka v našem Soncu. Po jakosti je na prvem mestu močna jedrska sila, ki ohranja stabilnost atomov s t. i. gluoni. Na zadnjem mestu pa je gravitacija, največja težava prej omenjenega standardnega modela. Ta gravitacijske sile sploh ne obravnava ter je zato nepopoln. Da bi odpravili to pomanjkljivost, so sicer v nekaterih nadgradnjah teorije uvedli gravitone – bozone, ki prenašajo gravitacijsko silo.
Higgsov bozon je teoretični poskus zapolnitve te luknje. Je edini način, da se izračuni znotraj tega modela, ki je večinoma uspešen, izidejo.
Teorija natančno napovedala obstoj delcev
Kako lahko teoretični model, ki ne upošteva gravitacije, ene najočitnejših sil narave (zaradi nje se lahko sedi na stolu, beroč ta članek), sploh deluje? Dobra stran tega modela je, da je izjemno natančno napovedal obstoj in lastnosti velikega števila delcev, preden so jih sploh eksperimentalno zaznali, kaj šele dokazali. Slaba stran modela pa ostaja gravitacija. A stvari se v standardnem modelu še bolj zapletejo.

Znanstveniki trkalnika Hera so namreč s poskusi dokazali, da se prej omenjeni elektromagnetska sila ter šibka jedrska sila pri izjemno visokih temperaturah združita in sta torej v bistvu manifestaciji iste osnovne sile. Tako visoke temperature in energije pa so bile prisotne le malo po velikem poku, nastanku vesolja. Malo po njem je proces, imenovan Higgsov mehanizem, sili razdružil in pričel proces dodeljevanja mase. Higgsov mehanizem sam je že dokazan.
Po velikem poku elektromagnetizem isto s šibko silo
A težava je v tem, da ta dokazana enost elektrošibke sile velja le ob predpostavki, da osnovni delci nimajo mase. Poleg tega se mase nekaterih delcev ne skladajo s teoretičnimi izračuni teorije. Primer sta prej omenjena bozona W in Z, ki imata v končni fazi za delce zelo veliko maso, glede na izračune standardnega modela osnovnih delcev zelo preveliko. Edini način za odpravo tega razhajanja je predpostavka, da sta (kot tudi vsa ostala materija z maso) prežeta z dodatnim delcem, ki si ga je leta 1964 zamislil škotski fizik Peter Ware Higgs. Bozoni so sicer poimenovani po indijskem fiziku Satjendriju Natu Boseju.
Masa nastane ob interakciji delca s poljem
Ta dodatni Higgsov delec je del širšega Higgsovega polja, ki prežema vse obstoječe. Treba je tudi poudariti, da v kvantni fiziki ni jasne razmejitve med delcem in valovanjem polja – tudi Higgsov bozon lahko hkrati opišemo kot točkast delec in valovanje pripadajočega polja. Tu nastopi poglavitna točka teorije: Vsi ostali delci, ki potujejo skozi Higgsovo polje, z njim vstopijo v interakcijo in povzročijo neke vrste šum. Ta šum delcu podeli maso. Večji ko je delec ali atom, večjo motnjo povzroči v interakciji s Higgsovim poljem in večja je njegova masa. Zelo posplošena primerjava: Večja ko je žoga, več upora povzroča, ko leti skozi zrak. Drugi polje primerjajo z gostim sirupom, ki se oprime česar koli, kar potuje skoznje.

Dokaz obstoja Higgsovega polja je lahko le Higgsov bozon sam. Dokazovanje obstoja tega bozona pa je, kot pričajo desetletja, izjemno težaven in negotov podvig. Najprej morajo znanstveniki poustvariti nepredstavljivo ekstremne razmere, ki so vladale takoj po velikem poku. Tu nastopi Cernov veliki hadronski trkalnik. To je 27 kilometrov dolg krog, po katerem znanstveniki pošiljajo delce, pospešene do izjemno visokih hitrosti. Delci občasno trčijo drug v drugega, ob trku pa razpadejo na manjše komponente, med katerimi znanstveniki poskušajo zaznati Higgsov bozon.
Pri tem se spopadajo z dvema težavama. Pojavi se izjemno redko, le okoli enkrat na deset milijard trkov. Ker je sam po sebi nestabilen, po nastanku nemudoma razpade, znanstveniki pa so prisiljeni z ekstremno občutljivimi tipali iskati morebitne ostanke razpada Higgsovega bozona. To je edini možen dokaz in glavni smisel milijardne naložbe v to raziskavo.
Končno razkritje že prihodnje leto?
Sodeč po izjavah in seminarjih so Cernovi znanstveniki optimistični: po skoraj 50 letih od teoretičnega odkritja Higgsovega bozona naj bi v letu 2012 dokončno in nedvoumno potrdili ali ovrgli njegov dejanski obstoj. Pred 14 dnevi so namreč v dveh ločenih poskusih pri energiji okoli 125 GeV našli prav te sledi. Kot so razglasili na seminarju, teh sledi sicer še ni dovolj za razglasitev zgodovinskega odkritja, so pa na dobri poti, da se to z dovolj ponovitvami zgodi prihodnje leto.
Pri projektu sodelujejo tudi slovenski znanstveniki
Pri razvoju visoko zmogljivih tipal, ki med milijardami trkov delcev iščejo želene ostanke, sodelujejo tudi številni Slovenci. Slovenija sicer ni članica Cerna, a kljub temu pri njegovih raziskavah sodeluje že 30 let. Projektu Atlas, ki razvija tipala, pa se je ekipa z Inštituta Jožef Stefan pridružila leta 1996. Pred leti je na MMC-ju z vami klepetal vodja te skupine, Marko Mikuž – klepet je dostopen tukaj.
Kaj pomeni, če obstoj tega delca dokončno potrdijo? Nenadnih in praktičnih učinkov na življenje vsakdanjega Zemljana ne bo. V znanstveni srenji bo odzvenel velik a-ha!, saj bo potrjen standardni model fizike osnovnih delcev, ki se tako ali tako že veliko uporablja. Praksa je torej že tu. Več praskanja po znanstvenih skalpih bi prinesla zavrnitev obstoja tega delca, saj prej omenjeni model ponuja konsistentno in delujočo razlago za velik del stvarnosti.
Božji delec dna steklenice šampanjca
Pri tem se delec dejansko skoraj nič ne navezuje na koncept stvarjenja in "božjega", kot nakazuje priljubljeno medijsko ime, "božji delec". Tak naziv se je nanj zalepil zaradi knjige ameriškega fizika Leona Ledermana, ki ga je v anekdoti, opisani v okvirčku desno, dodal v naslov. Znanstveniki ob tem nazivu večinoma izražajo nejevoljo, saj takšno ime prenapihuje dejanski pomen delca za fizikalno teorijo. V britanskem časopisu Guardian so celo organizirali natečaj za alternativno ime in na koncu izbrali "bozon dna steklenice šampanjca", saj koncept Higgsovega potenciala nanj dejansko spominja – v letu 2012 pa se pričakuje odpiraje šampanjcev ob odkritju. Tudi če bodo dokazali njegov obstoj, bo ostalo odprtih veliko precej pomembnejših vprašanj o življenju, vesolju in sploh vsem.