Vedie skupinu slovenských vedcov, ktorí pracujú na Veľkom hadrónovom urýchľovači neďaleko Ženevy.
Božská častica, európsky superstroj, napodobňovanie veľkého tresku - radi používame podobné frázy. Vás ako časticového fyzika podobné názvy hnevajú?
„Niekedy áno.“
Prečo?
„Pretože to je bombastické a nie je to pravda. Je to veľmi zjednodušený pohľad na vec. Výraz božská častica použil vo svojej knihe Leon Lederman, nositeľ Nobelovej ceny. Išlo o to, že Higgsova častica hrá v štruktúre Štandardného modelu dôležitú úlohu.“
Akú?
„Ak si vezmete dospelého človeka a dieťa a necháte ich mávať dlaňami, odpor vzduchu u dieťaťa bude menší. Má jednoducho menšiu dlaň. A toto je istým spôsobom paralela medzi tým, akú úlohu hrá Higgsova častica v zoologickej záhrade elementárnych častíc.“
Že máva dlaňami?
„Otázka znie, prečo majú častice rôzne hmotnosti. Štruktúra Štandardného modelu s mechanizmom Higgsa by mala pomerne elegantne odpovedať na túto otázku.“
Je Higgsov bozón poslednou časticou zo Štandardného modelu, ktorú sme ešte neobjavili?
„Závisí od toho, čo myslíme pod Štandardným modelom. Ak máte na mysli len tri sily, elektromagnetickú, slabú a silnú, tak áno. Ak máte na mysli aj gravitačnú, tak nie. Pretože dodnes sme ešte nevideli gravitón. Ale prakticky každý predpokladá, že existuje.“
Odkiaľ vieme, že Higgsova častica by vlastne mala jestvovať?
„Z teórií. Táto myšlienka nie je nová. Zoberme si napr. Debyov efekt, ktorého podstata spočíva v nasledovnom: ak elektricky kladne nabité ióny ponoríme do roztoku so záporne nabitými iónami v prostredí so slabým elektrostatickým poľom vzniká silná väzba medzi iónmi rozdielneho elektrického náboja, čo sa navonok javí ako vznik objektu s nenulovou hmotnosťou.
To skutočne neudivuje, pretože si možno predstaviť situáciu, keď okolo iónu s kladným znamienkom sa začnú koncentrovať ióny so záporným elektrickým nábojom, takže vznikne topologicky lokálny elektrický neutrálny objekt. S niečim podobným prišli teoretici z fyziky tuhej fázy, a to páni Kibble a Higgs.
Higgsa si teda máme predstaviť ako pole, ten priestor okolo rúk?
„Áno. Elementárne častice sú fluktuácie polí. Každej viete priradiť nejaké pole – elektromagnetické generuje fotóny, elektróny či pozitróny. Silná interakcia, čo je silné pole, trebárs gluóny. A k tým patria kvarky či antikvarky. V tomto zmysle si môžete predstaviť, že jestvuje čosi ako Higgsovo pole, ktorého fluktuáciami sú práve Higgsove bozóny.“
Čiže je to niečo podobné, ako keď svetlo je zároveň aj časticou aj vlnením?
„Veľmi zjednodušene áno.“
Simulácia prípadnej zrážky pri hľadaní Higgsovho bozónu. FOTO - CERN
Koncom budúceho roka?
Ako ďaleko sme v hľadaní Higgsovho bozónu?
„Vďaka Veľkému hadrónovému urýchľovaču (LHC) a experimentom na ňom – CMS a ATLAS – sme snáď veľmi blízko. Ak taká častice jestvuje a sú správne naše teoretické predpoklady, a ak všetko pôjde dobre, tak sa predpokladá, že koncom budúceho roku by sme mohli odpovedať na otázku, či táto častica je.“
To znamená, že budeme mať 5-sigma istotu?
„Áno. To by sme mohli vedieť.“
Čo to vlastne znamená tá 5-sigma? A čo je v časticovej fyzike objavom?
„Časticová fyzika je štatistickou fyzikou. Má v sebe štatistickú matematiku a pravdepodobnosť. To znamená, že vo fyzike elementárnych častíc sa čokoľvek skloňuje v pojmoch štatistiky a pravdepodobnosti.
Napríklad, ak máte výnimočný prípad, a vidíte ho len vy, tak vzhľadom k štatistike to pre vás veľa neznamená. Mali by ste zopakovať situáciu s daným efektom istý počet krát. Predstavte si, že hľadáte niečo, o čom viete, že to jestvuje. A teraz si predstavte, že hľadáte niečo, o čom ani netušíte, či to jestvuje – to je predsa iná situácia. A je jasné, že tieto situácie budú mať iné pravdepodobnosti.“
Iste.
„Konvenčne sa však prišlo k hodnotám, že evidencia, teda náznak niečoho, má hodnotu 3-sigma (pravdepodobnosť chyby je 1:370). A keď je niečo efektom, tak je to od 5-sigma (pravdepodobnosť chyby je 1:1774278) vyššie.
Ale ani to nemusí nič znamenať. Môže sa vám totiž nakoniec ukázať, že sa síce signál pôvodne blížil k 5-sigma, no potom štatistika, ktorá niekoľko rokov hrala v jeho prospech, sa zrazu otočila a bojovala proti. A nádeje, že tie efekty jestvujú, časom opadnú.“
Bežne si však predstavujeme, že veda funguje inak. Trebárs chemik má hypotézu, pripraví si experiment, vezme prvú látku a druhú látku, dá ich dokopy, niečo to urobí – a keď je výsledkom to, čo predpovedala hypotéza, povie, že ju overil. Toto v časticovej fyzike nefunguje?
„Je to trochu zložitejšie. V našej fyzike totiž pracujete s miliónmi a miliardami prípadov. Zrážate napríklad protón s protónom a nestačí vám desať zrážok. Ani tisíc. Navyše, celý proces v sebe skrýva istú mieru neurčitosti. Mikrosvet je pretkaný týmto faktom. Jestvuje tu slávny Heisenbergov princíp neurčitosti.
Akoby ste vzali fotografa, ktorý má fotografovať skokana a aj obecenstvo za ním a mal by to urobiť počas skoku tak, aby bolo jasne vidieť obidvoje. Princíp neurčitosti by v časticovej fyzike povedal, že takáto úloha nemá riešenie. Fotograf by buď nevidel jasne skokana vo vzduchu a videl jasne obecenstvo za ním, alebo opačne – skokan by bol na fotografii jasne vidieť, no obecenstvo nie.“
To znamená čo?
„Mikrosvet sa takýmito pravidlami riadi a ja nemôžem povedať, že nejaká častica má presne v danom bode nejakú presne určenú hybnosť. Môžem síce presne určiť miesto, kde sa častica nachádza, ale to už neviem povedať o jej hybnosti, a naopak.“
A to ako súvisí s urýchľovačmi?
„Aby ste sa vyhli týmto neurčitostiam, potrebujete strašne veľa opakovaní tých istých prípadov. Teda tých istých zrážok a z nich sa štatisticky ukáže, ktoré sú časté, ktoré sú menej časté, a tak ďalej.“
Ono to však zrejme nie je tak, že urobíme veľa zrážok a budeme tam vidieť veľa Higgsových bozónov. My ho vlastne nevidíme, vidíme jety a stopy rozpadov na iné častice, a z toho dokážeme jeho prítomnosť zistiť.
„Nielen v prípade Higgsovho bozónu to takto funguje. No sú aj iné častice. V našej hantýrke sú častice akoby rezonancie. Niektoré sú stabilné ale väčšina je nestabilných. Nestabilné majú istú dobu života, a potom sa rozpadajú – rôzne za rôzne krátky čas.
Je jasné, že za tento krátky čas ich nemôžete vidieť. Tým skôr, že v skutočnosti vlastne nemôžete vidieť žiadnu takúto časticu. Vidíte len ich dôsledky v prostredí, ktoré častica vyvolala – ak mala elektrický náboj a máte trebárs bublinovú komoru, vidíte sled bubliniek, ktoré vznikli prechodom elektricky nabitej častice. Vidíte teda kúsky preletu častice, ale kým to vy sledujete, tá častica je už dávno preč.“
Časticový fyzik teda vlastne príde do miestnosti, kde niekto rozhádzal veci a z neporiadku zisťuje, kto ho narobil?
„Ak to trochu pritiahneme za vlasy, tak sa to dá takto povedať.“
V priebehu tohto roku sa podarilo zúžiť rozsah, kde by sa mohol Higgsov bozón nachádzať. To je dôležité?
„V modeloch nad Štandardným modelom, napríklad v prípade SUSY – supersymetrických modelov – je istý počet parametrov. Dá sa ukázať, že štruktúra týchto modelov vedie k tomu, že tie parametre očakávajú, že Higgs jestvuje a že sa blíži k hranici 130 GeV.
Sú ale aj divokejšie modely, ktoré hovoria, že Higgs môže byť ťažší alebo ľahší. Závisí to od ich konštrukcie. V konečnom dôsledku táto závislosť určuje energetickú oblasť, kde túto časticu môžete alebo nemôžete očakávať, a teda aj detekovať.“
Napríklad?
„Americký Tevatron, ktorý koncom septembra skončil, bol optimálny na detekciu Higgsovej častice od 100 do 140 GeV. V LHC sú experimenty nastavené skôr na detekovanie pri viac ako 130 GeV. Ale nie viac ako 450 – 500 GeV. Doterajšie výsledky však hovoria, že signál tam zatiaľ bohužiaľ nie je.
V ďalšom období sa bude LHC sústreďovať na energie ako mal Tevatron, čo chce ale väčšiu štatistiku. Aby sa to s väčšou presnosťou podarilo preskúmať. Očakáva sa, že koncom roku 2012 by štatistika mohla byť dostatočná na nejakú rozumnú odpoveď aj pre túto oblasť.“
Ďalšie možnosti
Čo sa stane v prípade, ak by sme Higgsov bozón nenašli? Prípadne ich bolo viac?
„Štandardný model predpokladá jedného Higgsa. Najjednoduchšie jeho rozšírenie MSSM ich predpokladá päť. Treba však povedať, že už dnes jestvuje aj alternatíva k tomu, ak by Higgsov mechanizmus nefungoval.
Sú to dosť zložité alternatívy, ktoré sa pozerajú na takzvaný elektroslabý sektor, a to na rezonancie, ktoré sú veľmi ťažké: 800 GeV až 1TeV. Tie by mohli nahradiť Higgsov mechanizmus.
Ďalšia možnosť spočíva v zavedení ďalšej sily, piatej: tzv. technicolor. Tieto modely sú pomerne dlho známe a mohli by nahradiť Higgsov mechanizmus a regulovať tak mechanizmus rozdelenia hmotnosti medzi elementárnymi časticami. Čas ukáže, čo z toho je realita.“
Vy by ste sa tešili, keby to s Higgsom nebolo tak, ako predpokladá Štandardný model?
„Ja by som to akceptoval: či už je, alebo nie je.“
Nebolo by to vzrušujúce obdobie pre fyziku, najmä teoretickú?
„Pravdou je, že náš odbor štyridsať rokov stagnoval. Máme Štandardný model, ktorý je zlepencom – ak neberiem do úvahy gravitačnú silu – troch interakcií. Slabej, silnej a elektromagnetickej.
Weinberg, Salam a Glashow zjednotili slabú a elektromagnetickú do čohosi, čo sa dnes volá „electroweak“ (elektroslabá). Tá začína fungovať ako jedna sila zhruba pri energii či hmotnosti, častice, ktorej sa hovorí Z bozón, teda 90 GeV.“
Prečo zlepenec?
„Keby bol Štandardný model štandardnou teóriou, mal by iba jedinú väzbovú konštantu. Lenže on má dve: jedna sa viaže priamo k silnej interakcii a tá akoby bola prifarená k tomu zjednoteniu elektroslabej interakcie. Má ale aj druhú, elektroslabú, konštantu. Keby to bola jediná teória, tak má len jednu väzbovú konštantu. Navyše, Štandardný model má až sedemnásť voľných parametrov.
Ale zjavne funguje.
„Pravdou je, že máte desaťtisíce často veľmi komplikovaných experimentov, študujete rôzne situácie a interakcie medzi časticami, ich premeny, a prakticky doteraz nebol jediný dôkaz toho, že by Štandardný model neplatil.
Pre teoretikov je to dosť traumatizujúce, nemajú sa čoho chytiť. Raz som v Paríži navštívil prednášku, na ktorej hovorili, že máme zhruba 30-tisíc modifikácií nad Štandardným modelom, ktoré sa ale veľmi nelíšia. Teda fyzika v tomto zmysle stagnuje, a potrebuje nový impulz. Ja osobne verím, že tento impulz dajú experimenty na LHC.“
FOTO - CERN
Namerali? Nenamerali?
Vo vede platí, že stačí jediný experiment, ktorý vyvráti hypotézu a musíme ju prepracovať. Takto funguje aj časticová fyzika?
„Tu je to trochu zložitejšie, pretože v časticovej fyzike objekty priamo nevidíte. Vidíte len dôsledky ktoré vyvolali na prostredie, v ktorom sa pohybovali, napr. dráhy v komorách. A k tomu ale potrebujete detektory. Tieto detektory však staviate účelovým spôsobom – vy čosi chcete a orientujete sa na nejaké špecifické vlastnosti, ktoré elementárna častica zanecháva v prostredí.
To znamená, že ste dosť rámcovaný tým, že si dopredu poviete, čo chcete vidieť. Keď postavíte detektor (dnešný), je istým spôsobom univerzálny. Ale nevidí úplne izotrópne. Pri každej zrážke vznikne iný proces a každý takýto proces má istú svoju (štatistickú) váhu. Keď hádžete s „kockou“ s „n“ hranami a tá „kocka“ nie je rovnomerná, tak každá bude mať inú pravdepodobnosť. Niečo podobné je aj v snímaní detektora.“
Ako?
„Väčšinou máte procesy, ktoré sú bežné a ktoré veľmi dobre poznáte. Vás ale zaujímajú procesy, ktoré veľmi bežné nie sú. Dnešné detektory a elektronické experimenty sa tomu vyvarujú tak, že majú elektronický trigger, akýsi filter, ktorý tie prvé oddelí preč.
Jeho nastavenie je však v mnohých prípadoch subjektívne. Priestor, kde sa častice rodia – fázový priestor – sa vďaka tomuto filtru istým spôsobom deformuje. Napr. prakticky z 95 percent prípadov, ktoré sú veľmi časté, vezmete len jeden a ostatné zahodíte preč. Neregistrujete ich – akurát tomu jednému prípadu dáte váhu 95 percent.
Vy sa sústredíte v zberaní štatistiky na tých päť zostávajúcich percent. Lenže obvykle vo fyzike nie je jeden proces taký častý, aby mohol predstavovať 95 percent. Tých procesov je „n“ a každý má inú váhu, iné očakávanie, že nastane.“
To znamená čo?
„Povedal by som to takto: moja odpoveď na otázku, či môžu časticoví fyzici z nejakého namerania či nenamerania urobiť nejaké ďalekosiahle dôsledky, by bola, že na to nie je ľahká odpoveď. Jednoducho sa väčšinou žiada – a prakticky je to pravidlom – aby niekto iný zopakoval to, čo vy a urobil to, ak sa dá, na úplne inom zariadení, aby sa vyhol metodickým chybám.“
Privádza nás to k výsledkom z talianskeho experimentu OPERA. Tam možno zistili, že neutrína sú rýchlejšie ako svetlo.
„V tomto sa fyzici rozdeľujú na dve kategórie. Myslím, že ani jedna nepochybuje o poctivom prístupe kolegov z OPER-y. Neutríno je však veľmi zvláštna častica, ktorá veľmi slabo interaguje s našou hmotou – teda s protónmi a neutrónmi. Napríklad, keby ste sa mali dožiť 70 rokov, trafí vás – nejaký neutrón alebo protón vo vašom tele - zhruba len jedno neutríno. Pričom však za sekundu prejde priestorom vášho nechtu niekoľko miliárd neutrín.“
Čiže vedci mohli urobiť chybu?
„Detekovať neutrína je úžasne ťažké a samozrejme to je späté s tým, že akékoľvek merania sú zaťažené veľkými chybami. A taký delikátny experiment ako meranie rýchlosti v Gran Sasso je sled mnohých jemných, metodických a čiastočných úloh. Navyše tam začali znovu merať tento efekt s tým, že sa zmenili počiatočné podmienky vzniku týchto neutrín.
Jedni fyzici, a je ich väčšina, si myslia, že sa niekde stala chyba. Čosi podobné totiž už bolo na americkom experimente, ale tam fyzici usúdili, že urobili chybu, a tieto výsledky ďalej neštudovali.
Len veľmi malá časť fyzikov, zväčša teoretikov je presvedčená, že výsledky sú realitou. A že rýchlosť svetla vo vákuu nie je tou najrýchlejšou veličinou v našom svete.“
A vy?
„Ja som skôr na strane väčšiny, stala sa niekde systematická chyba. A je lepšie počkať na iné experimenty.“
Vieme odhadnúť, kedy by sme mohli dostať definitívnu odpoveď?
„Netrúfam si to odhadnúť. Možno niekedy v priebehu niekoľkých rokov.“
Dlhý tunel pod zemou
Prečo je hadrónový urýchľovač taký veľký, a prečo je pod zemou?
„Tento tunel nebol postavený pre tento urýchľovač, ale pre taký, ktorý tam už predtým bol. Bol to „LEP collider“ (Veľký elektrón-pozitrónový zrážač). Ten mal za úlohu proti sebe posielať zväzky elektrónov a pozitrónov. Robil to v dvoch časových fázach, pri prvej bola energia zrážky asi 100 GeV a v druhej prakticky 200 GeV.
Bola to takzvaná čistá fyzika. Čistá v tom zmysle, že z hľadiska nášho poznania elektrón nemá štruktúru, a je bodový. Tým pádom by sa pri zrážke elektrónu s pozitrónom nemal prejaviť nijaký vplyv jeho vnútornej štruktúry na výsledok zrážky. To v prípade protónu a antiprotónu a ich zrážok pravda nie je.“
K tomu potrebovali dlhý tunel?
„Taký veľký bol preto, aby vedci dosiahli zodpovedajúcu energiu elektrónov a pozitrónov. Keď máte elektrón na nejakom kruhu, jedná sa o kruhovo zrýchlený pohyb, a vtedy elektrón vyžaruje fotóny, ktoré mu berú energiu.
Na dráhe by sa preto dlho neudržal a vypadol by z orbity. No čím máte väčšiu orbitu, tým je jeho udržanie na tejto dráhe ľahšie. Preto sa vybral taký polomer, aký sa vybral. Svoje zohrala aj ekonomika. Nemôžete mať nekonečne veľký urýchľovač.
A pod zemou?
„Pod zemou je preto, lebo je tam znížený vonkajší vplyv. Chcete mať časticu bez vplyvu prostredia – pritom je už niekoľko rokov známe, ako sa napr. zväzky elektrónov chovajú vtedy, keď ide električka v Ženeve. Alebo aký vplyv má na ne Mesiac.“
Aký?
„Keď bol Mesiac bližšie k Ženeve, zväzok sa vychýlil. A keď ďalej, tak sa vychýlil na opačnú stranu. Najzákladnejšia požiadavka preto bola eliminovať vonkajšie prostredie. Navyše, keď protón urýchľujete v trubici, nikdy nemôžete zabrániť tomu, aby vám občas nevypadol z dráhy a netrafil stenu trubice, v ktorej sa urýchľuje.
Lenže interakcia protónu s takýmto materiálom vyvolá neutróny a tie sú bohužiaľ pre človeka nebezpečné, je to radiačná záťaž. Ale pod zemou to nemôže nikoho ohroziť.“
Pohľad do vnútra pri inštalácii kalorimetra na experimente ATLAS.
FOTO - CERN
Slováci na LHC
Čo robíte vy a Slováci na experimente ATLAS?
„My sme sa tam dostali cez projekt, ktorého cieľom bolo navrhnúť, otestovať a skonštruovať zariadenie, ktoré by slúžilo na detekciu elementárnych častíc – takzvaný kalorimeter. A to taký, aby bol schopný pracovať v podmienkach, ktoré boli plánované pre LHC.
Spolupracovali sme s ústavom Maxa Plancka v Mníchove, s ústavmi v Moskve, v Dubne, v Meinzi či s Kanaďanmi alebo Američanmi. A cez riešenie tohto projektu sme sa dostali na ATLAS. Tu sme dostali na starosť elektronickú kalibráciu podobného typu kalorimetra, ktorý sa vyvíjal predtým.“
Ako si máme predstaviť ten stroj?
„Je to akoby „čiapočka“, ktorá zakrýva hlavný detektor ATLAS spredu a aj zozadu. Našou vstupenkou bola teda naša zodpovednosť za on-line (elektronickú) kalibráciu, účasť na vývoji a testoch, ale aj na analýze a prevádzke práve tohto kalorimetra.“
Váš kalorimeter meria energie častíc?
„Samozrejme, je to kalorimeter. A je súčasťou ďalších kalorimetrov, ktoré postavili okolo neho – má tvar valca pričom v jeho prstenci je ďalší kalorimeter. Je to pomerne veľký kolos, jeho priemer má napr. štyri metre. Jednoducho je súčasťou kalorimetrickej sústavy.
Roky práce nám zabrala metodická časť a v Košiciach sme nielen navrhovali, ale boli aj pri všetkých testoch a pri vývoji takzvanej chladnej elektroniky.“
Chladnej?
„Nakoľko viem, toto je jediné zariadenie, ktoré používa elektroniku tak, že je ponorená do kvapalného argónu. Tam pracuje a dokáže spracovať signál priamo na mieste, čím sa vyhýbate chybám pri prenose signálu z kalorimetra mimo chladného prostredia.“
A po spustení LHC?
„Naštartovali sme elektronickú analýzu a sústreďujeme sa na analýzu produkcie a vlastností top a anti-top kvarkov v dileptónovom kanáli v protón-protónových zrážkach.“
To je čo?
„Veľmi zjednodušene: spomedzi protón-protónových zrážok vyberáte tie, v ktorých sú dva leptóny s istými charakteristikami, čo sa týka ich rýchlosti alebo, ak chcete, impulzu. Zavádzate ďalšie kritéria na ostatné v zrážke rodiace sa častice tak, že sa pozeráte, či sa rodia, alebo nerodia top kvarky. Potom vyberáme tie, kde sa rodia a tieto študujeme v podmienkach predurčených pre takýto kanál.“
Konkrétnejšie?
„Pracujeme napr. na analýze nábojovej asymetrie produkcie top kvarkov, pri určení hmotností top kvarkov a na ich produkčnom mechanizme.“
Až raz objavíme Higgsov bozón a budeme poznať jeho energiu, môžeme povedať, že to budeme vedieť vďaka slovenskému prístroju?
„To nie. Celý problém je v tom, že skupiny pracujúce priamo na analýze signálu detekcie Higgsovej častice, sú koncové skupiny. K analýze sa dostali až potom, ako dáta, ktoré analyzujú, prešli mnohými skupinami predtým. Ak by tak nebolo, bolo by to podobné ako stavať strechu bez toho, aby ste sa zaujímali, aké sú základy domu.
My, keď hovoríme o kalibrácii, tak sa krútime okolo toho, aby údaje z kalorimetrov boli korektné a boli zaťažené s čo najmenšími metodickými chybami. Aby tam teda neboli nezmysly, aby sme elektroniku mali reálne pod kontrolou a aby sa vedelo, že tam nie je nič neočakávané, spôsobené ľudským faktorom.
Koncový výsledok je preto výsledkom práce mnohých fyzikov. A vlastne nielen fyzikov, ale aj inžinierov, ktorí detektor robili.“
