Genijalni teoretičar s ljudskim kvalitetama. Prokletstvo ‘božje čestice’

Peter Higgs je u svojim najplodnijim znanstvenim godinama živio u zlatnom dobu fizike elementarnih čestica i imao je genijalnost povezati koncepte koji nadilaze to specifično područje fizike, piše Davor Horvatić o preminulom nobelovcu. On nije bio samo genijalni teoretičar, bio je poznat i po skromnom i povučenom stilu života, a njegovu predanost i znatiželju nisu promijenili ni sva slava ni vanjska priznanja.

• Naslovna fotografija: Peter Higgs (Sveučilište u Edinburghu)

• Davor Horvatić je redoviti profesor Fizičkog odsjeka Prirodoslovno-matematičkog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu

Masa je težak fizikalni pojam i ne koristim tu tvrdnju samo kao igru riječi. Higgs je trenutno u općoj kulturi nerazdvojivo vezan uz pojam generiranja mase elementarnih čestica. No, kada bi govorili striktno znanstvenim rječnikom, u okviru Standardnog modela fizike elementarnih čestica, rekli bi da je Higgsov mehanizam odgovoran za proces generiranja mase dijela elementarnih čestica. Ključan je za Standardni model, ali 99% mase opazive materije ne dolazi iz tog mehanizma. Nije pametno na ovom mjestu zaglibiti u ozbiljnu raspravu o tome što je točno masa i koji su sve mehanizmi koji ju generiraju. Za to bi nam trebao ne jedan nego serija popularno-znanstvenih članaka. Za ovu priču bitno je samo da postoji mehanizam čijem je otkriću uvelike pridonio Peter Higgs. Taj mehanizam na nekoj energiji dovodi do toga da dio elementarnih čestica promjene jedno od svojih svojstava i objašnjava kako to da imamo bezmaseni foton i masivne elektrone, baždarne bozone i druge masivne elementarne čestice.

­­

Higgs je bio među prvima koji su razumjeli jedno od ključnih svojstava onog što danas zovemo Standardni model. (DarkoS / CC BY-SA 3.0)

Nobelovac Peter Higgs umro je u 95. godini života 8. travnja 2024. godine. Higgs je u svojim najplodnijim znanstvenim godinama živio u zlatnom dobu fizike elementarnih čestica i imao je genijalnost povezati koncepte koji nadilaze to specifično područje fizike te biti među prvima koji su razumjeli jedno od ključnih svojstava onog što danas zovemo Standardni model. Imao sam ga prilike upoznati na početku moje karijere, kao mladi doktorski student, sudionik ljetne škole u St. Andrewsu u Škotskoj, 2000. godine. Higgs je tada bio profesor emeritus. Pristojan i povučen stariji gospodin. Sudjelovao je kao počasni gost na završnoj večeri i svi su potiho komentirali da mu je sada najbolje paziti na zdravlje i čekati Nobelovu nagradu.  Nobelova nagrada bila je još koju dekadu u budućnosti, a otkriće Higgsovog bozona ne samo da je dočekao nego i pošteno nadživio.

Rođen je 1929. godine. Otac, tonac koji  radio za BBC, često je selio obitelj zbog posla pa se boležljivi Peter dobar dio djetinjstva školovao kod kuće. Kasnije se s majkom smjestio u Bristolu i u nastavku školovanja pokazao izraziti talent za matematiku i fiziku. Njegova fascinacija tim predmetima djelomično je bila inspirirana novim otkrićima koja su fascinirala svijet tih godina, posebno veliki razvoj ideja vezanih uz kvantnu mehaniku. Pohađao je istu školu kao slavni Paul Adrien Maurice Dirac i to mu je bila dodatna motivacija. Na fakultetu, prvo se specijalizirao u matematici, da bi prešao u fizikalne znanosti te na kraju doktorirao u području molekularne fizike. Tijekom doktorskog studija, Higgs se zainteresirao za područje fizike elementarnih čestica, što je bilo sasvim prirodno. S doktoratom u rukama našao se usred revolucionarnog perioda u fizici čestica.

Ako se odlučite na doktorski studij iz fizike i želja vam je uhvatiti se u koštac s izrazito zahtjevnim matematičkim formalizmom, možete birati između dvije teorijske opcije. Jedna je fizika elementarnih čestica a druga fizika čvrstog stanja, i to kažem uz puno poštovanje prema svim ostalim granama fizike.

Inspiracija koju fizičari crpe prateći frontu razvoja u te dvije discipline postoji od začetaka tih grana fizike i desetljećima kasnije ne vidimo znakove posustajanja. Ukoliko volite čitati popularno- znanstvenu literaturu preporučujem Laughlinovu knjigu, A Different Universe [1]. Gotovo je nevjerojatno koliko paralela možemo povući promatrajući kvantni opis fenomena u materiji i onih u vakuumu. No, u materiji barem imamo neku pozadinu u kojoj se čestice kreću i s kojom međudjeluju, zbog čega bi se pojavili gotovo identični matematički izrazi kad promatramo iste fenomene u vakuumu? Danas je na to relativno lako odgovoriti, zato što vakuum nije prazan prostor, ali zašto bezmasene čestice poput svjetlosti imaju iznos brzine od 299.458.792 m/s to je već teže pitanje.

U kvantnoj teoriji polja jedan od važnih aspekata je spontano lomljenje simetrije. Općenito razne matematičke simetrije izrazito su bitne jer nam daju kvalitetnu informaciju o tome kako će se ponašati fizikalni sustav koji promatramo.  Svakodnevni primjer postojanja simetrije i spontanog loma možemo vidjeti u primjeru olovke koja balansira na svom vrhu. Ona je u labilnoj ravnoteži i ima punu slobodu pasti u bilo kojem smjeru od 0° do 360°. No, jednom kad se ravnoteža izgubi i olovka padne, simetrija koju je prije imala ostaje slomljena u postignutom energetskom minimumu.  Malo fizikalnijim jezikom rekli bi da se spontano lomljenje simetrije dešava kad fizikalni zakoni koji opisuju sustav imaju određene simetrije ali stanje u kojem se sustav nalazi ne pokazuje te simetrije.

­
Petera Higgsa inspirirao je rad nobelovca Philipa Andersona, koji je pokazao kako lomljenje simetrija u supravodičima dovodi do toga da foton dobije efektivnu masu.

Petera Higgsa inspirirao je rad Philipa Andersona, fizičara koji je pokazao kako lomljenje određenih simetrija u supravodičima dovodi to toga da foton dobije efektivnu masu. Supravodiči su materijali koji na određenoj temperaturi potpuno izgube električni otpor. Anderson je 1963. godine objavio rad naslova “Plasmons, Gauge Invariance, and Mass” [2]. U standardnoj kvantnoj teoriji polja postoji pojam baždarne invarijantnosti (eng. gauge invariance). Laički rečeno, način na kojim možemo transformirati polja, a da ne promijenimo fizikalne posljedice te teorije. Baždarna invarijantnost kvantne elektrodinamike osigurava da je foton bezmasen.  U supravodičima na niskim temperaturama elektroni formiraju tzv. Cooperove parove zbog vibracija kristalne rešetke (te vibracije nazivamo fononima). Cooperovi parovi kondenziraju se u kvantno stanje koje se proteže cijelim vodičem. Formiranje tih parova lokalno lomi baždarnu simetriju unutar supravodiča, dajući efektivnu masu fotonu. Ta efektivna masa fotona manifestira se kao Meissnerov efekt – supravodič izbacuje magnetsko polje iz svoje unutrašnjosti. Kada je radio na opisanoj teoriji, Anderson je sumnjao da bi sličan mehanizam mogao biti odgovoran i za generiranje mase elementarnih čestica, no u svom radu nije uključio relativistički pristup koji je ključan u fizici elementarnih čestica.  Bitnije, nije bio niti svjestan da bi u nerelativističkom slučaju koji je razmatrao, trebao postojati ekvivalent Higgsovom bozonu.

Higgs je rekao da u razvoju njegove ideje nije bio nekog „Eureka“ trenutka, jednostavno je krenuo s kratkim člankom i razmatranjem što se desi kad se slomi lokalna simetrija u relativističkoj teoriji. Nakon toga je napisao drugi kratki rad u kojem opisuje ono što danas zovemo Higgsovim mehanizmom i poslao ga na recenziju u Physics Letters. Rad je odbijen uz obrazloženje da ne zaslužuje brzu objavu. Higgs nije bio jedini kojem je ta ideja pala na pamet, Robert Brout, François Englert i Gerald Guralnik, C. R. Hagen i Tom Kibble došli su do sličnih zaključaka otprilike u isto vrijeme i tu se odigrala dinamika koja je Higgsu dala težinu zbog koje je cijeli mehanizam popularno nazvan njegovim imenom.

Nakon odbijenice Higgs je dodao mali paragraf gdje je dodatno rasvijetlio ulogu mehanizma i poslao rad na recenziju u Physical Review Letters. Rad je prihvaćen, ali je recenzent (kasnije se saznalo da je to bio Yoichiro Nambu), zamolio Higgsa da komentira povezanost njegovog rada s radom Françoisa Englerta i Roberta Brouta, koji je objavljen u Physical Review Letters 31. kolovoza 1964. godine. Upravo na taj datum časopis je primio Higgsov rad na recenziju. Higgs nije znao za njihov rad prije slanja na recenziju jer ta skupina znanstvenika nije slala preprintove u Edinburgh. Higgsov revidirani rad skreće pozornost na mogućnost postojanja masivnog bozona spina nula u spomenutom dodanom paragrafu. Tijekom listopada 1964. Higgs se u razgovoru s Geraldom Guralnikom, Carlom Hagenom i Tomom Kibbleom upoznaje s njihovim otkrićem kako se masa tzv. vektorskih bozona može generirati Andersonovim mehanizmom. Ukoliko čitatelje zanimaju izvorni radovi neka bace pogled na reference [2-6], radovi su dostupni online u PDF formatu. Iako se kroz cijeli tekst referiram na Higgsov mehanizam, ispravno bi ga trebali zvati  Brout-Englert-Higgs mehanizmom. Tradicija je da u fizici čestica poredak autora ide abecednim redom.

Eksperimentalna potvrda nije bila lagana. Detektiran je potpis svega par stotina raspada Higgsovih bozona. (Marc Buehler / CC BY-NC 2.0)

Proći će skoro pola stoljeća prije nego će se eksperimentalno dokazati postojanje Higgsovog bozona. Godine 2012. LHC kolaboracija na CERN-u objavila je otkriće čestice koja pokazuje svojstva koja odgovaraju Higgsovom bozonu. Eksperimentalna potvrda nije bila lagana. Planiranje LHC pogona trajalo je više desetljeća i čekao se razvoj tehnologija koje će to otkriće omogućiti. Još 1995. godine slušao sam predavanje fizičara naših korijena, Danijela Denegrija, koji je opisivao potencijalne eksperimentalne potpise koje će Higgsov bozon ostaviti i kako će ga teško biti izolirati iz pozadinskog šuma. Graf koji nam je tada pokazao bio je gotovo identičan dobivenom eksperimentalnom potpisu opaženom dvadesetak godina kasnije. Detektiran je potpis svega par stotina raspada Higgsovih bozona, no to je bilo dovoljno da se zadovolje izuzetno visoki statistički standardi eksperimentalne fizike čestica.

Kako je Higgsov bozon postao „Božja čestica“? Taj dio nema veze s Peterom Higgsom. Higgs je po uvjerenju bio ateist i ta asocijacija ga je duboko smetala. Smatrao je da fizikalne teorije ne treba miješati s religijom. Fizikalna teorija je matematički model koji opisuje eksperimentalne rezultate, a ne dokaz Boga. Zanimljivo je istaknuti da nije bio oduševljen onim što radi Richard Dawkins i smatrao ga je militantnim ateistom. Naziv „Božja čestica“ ima veze samo s marketingom. Kad je Leon Lederman pisao svoju knjigu koja daje pregled fizikalnih koncepata u fizici elementarnih čestica i njihovu povijesnu pozadinu, Higgsov bozon zvao je interno “prokletom česticom” (eng. goddamn particle). Upravo iz razloga jer ju je bilo izuzetno teško eksperimentalno otkriti. No, urednik je odlučio odbaciti „damn“ i ići s kontroverznim nazivom knjige.

Peter Higgs nije bio samo genijalni teoretičar; bio je po pristupu i karakteru sličan svojem idolu Diracu. U svojim osobnim pismima i intervjuima često je spominjao kako je osjećaj izolacije, koji je ponekad osjećao kao teoretičar, zapravo bio poticaj za njegovu kreativnost. Bio poznat po svom skromnom i povučenom stilu života, čak i nakon što su njegove teorije dobile široko priznanje. Njegovu predanost i znatiželju za razumijevanje svemira sva slava i vanjska priznanja nisu promijenila. Fizika zazire od kulta ličnosti i bitnija nam je spoznaja fizikalnih mehanizama koji opisuju svemir nego tko je rekao što. Ako se već ne možemo maknuti od ljudskih felera i moramo imati imena koja će nas inspirirati, onda bar možemo odabrati ona imena koja pored fizikalnih, za razliku od Einsteina i Schroedingera, imaju i ljudske kvalitete poput Higgsa i Diraca.

• Bilješke

[1 ] Robert B. Laughlin, A Different Universe: Reinventing Physics From the Bottom Down, Basic Books, 2006.

[2] P.W. Anderson, Phys. Rev. 130 (1963) 439

[3] P.W. Higgs, Phys. Lett. 12 (1964) 132

[4] P.W. Higgs, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 508

[5]F. Englert and R. Brout, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 321

[6] G.S. Guralnik, C.R. Hagen and T.W.B. Kibble, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 585