Keď sa začali šíriť fámy o stopách po Higgsovom bozóne, bol práve v CERN-e. „Tie výsledky už od začiatku vzbudzovali vzrušenie,“ hovorí fyzik Tomáš Blažek z Fakulty matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave. Sám pracuje aj na detektore ATLAS, ktorý stopy po slávnej častici zrejme uvidel.
Keď sa začiatkom decembra začali na blogoch objavovať fámy, že v európskom urýchľovači narazili na Higgsov bozón, boli ste priamo v CERN-e. Čo sa rozprávalo tam?
„V CERN-e je skôr pracovná atmosféra. No ľudia samozrejme podobne veľký výsledok komentujú. Ľudia z kolaborácie ATLAS však videli výsledok skôr, dal sa na vnútorné posúdenie. A podobne predpokladám, že tak bolo aj na CMS. Tie výsledky už od začiatku vzbudzovali vzrušenie a bralo sa veľmi pozitívne, že tu konečne máme na dosah ruky akýsi veľký výsledok.“
Koľko ľudí pracuje na takomto experimente?
„Orientačne okolo troch tisícok, na každom.“
Potom je prekvapením, že únikov informácii je tak málo.
„Áno. Ľudia sú asi zodpovední. V minulosti však boli iné úniky a generálny riaditeľ CERN-u Rolf Heuer dal vtedy najavo nespokojnosť, že sa takáto vec vôbec stala. Zverejnil vtedy stanovisko, že takéto úniky dát by sa nemali diať.“
Ak by sa prišlo na človeka, ktorý vypustil von nejaké údaje, čaká ho čo?
„Nič.“
To s ním ani neukončia spoluprácu?
„Nie. Toto je práca na vedeckom projekte a nie nejaký pracovný tábor. Ale utŕžil by trochu hanby a všetci by mu dali najavo, že toto sa jednoducho nerobí.“
Čiže sa s ním už nik nebude rozprávať?
„Možno prvý týždeň.“
Prekvapil vás záujem verejnosti a médií, ktorý tieto dohady vyvolali?
„Z istého pohľadu áno. Pretože ide o ťažkú vec a verejnosť prejavuje záujem pochopiť niečo, na čo treba päť rokov štúdia, aby sa v tom človek trochu lepšie orientoval. Na druhej strane sú to zásadné veci, a preto je to správne a treba podporovať, aby bol záujem verejnosti uspokojený. A aby sme maximálne transparentne dokázali vysvetliť, čo robíme, a prečo je to dôležité. Ale zas z iného uhla pohľadu to neprekvapilo.“
Prečo?
„Dlhodobo tu máme časť verejnosti, ktorá prejavuje veľký záujem o vedecké témy. Keď je tu prednáška z astronómie profesora Grygara, tak sa nám naplní celá veľká poslucháreň a sú tu i do neskorého večera stovky ľudí. Máme ľudí, ktorí majú záujem o podobné fyzikálne javy a ich vysvetlenia zo strany profesionálov.“
Výsledky vopred
Vy ste v čase únikov dát a ešte pred odborným seminárom v utorok vedeli, čo experiment ATLAS uvidel. Ako ste úniky údajov vnímali?
„Nepáčilo sa mi to, veď je to škodlivé pre reputáciu CERN-u a nepoctivé voči tisícom ľudí, čo experiment roky pripravovali. Viac ma však upútal samotný výsledok a to, že v rámci kolaborácie ATLAS sa tie výsledky potom ešte trošičku menili. Naozaj to, čo bolo zverejnené a zrejme prešlo sitom opráv, bolo trošičku iné – výsledná krivka vyzerala trochu inak, ako tá, ktorú som videl ja prvýkrát.“
Ako inak?
„Vtedy ma zarazilo, že krivka má viac maxím a miním. Môj prvý dojem bol preto taký, či za tým nie je systematická chyba. Normálne by sme totiž očakávali iba jedno maximum, iba jeden hrb signálu nad pozadím“
Tých viac hrbov znamená, že tam bolo akoby viac častíc?
„Keby nebola systematická chyba, tak viac hrbov by naozaj znamenalo viac častíc. Ale oveľa pravdepodobnejšie by bolo, že v tej komplikovanej analýze niekde došlo k chybe, ktorá čosi príliš potlačila a inde zase vyzdvihla signál, ktorý tam nie je. Vo zverejnenej krivke to však vyzerá dosť jednoznačne na jeden hrb. Vedľajšie maximá sú o dosť menšie.“
Výsledky z experimentu CMS sú slabšie, ATLAS však videl väčšie excesy. Čo znamená to ich zverejnené 3,6-sigma lokálne a 2,4-sigma globálne?
„Keby sme sa sústredili len na úzky interval a povedzme, že vidíme hrb okolo hmotnosti 125 GeV a zoberieme interval od 120 do 130, tak pozorujeme, ako je hrb výrazný nad pozadím. Z toho nám vyjde, že v štatistickej reči je jeho výraznosť okolo 3,6-sigma, čo zodpovedá slušnej dôveryhodnosti. Ak by to bola náhoda, tak pri 3,6-sigma má takáto náhoda šancu na úrovni malého zlomku percenta.
To menšie číslo je o tom, že nie je správne pozerať sa len na pomerne úzky interval a aký výrazný je ten hrb len na ňom. Ale správne je pozrieť sa na všetky dáta a do úvahy treba vziať i to, aké fluktuácie vidíme voči predpokladanému pozadiu na celom intervale, v ktorom robíme merania.
Štatistika nám povie, že v prípade bežného šumu by malo dôjsť k tomu, že ak človek urobí veľa meraní, tak niektoré výsledky sa trafia mierne nad i pod toho, čo bolo predpovedané. Menšie číslo teda zodpovedá tomu, že zohľadníme, že na celom intervale by sme mali mať aj šum, a teda aj výsledky nesúhlasiace s predpovedaným pozadím, a až potom spočítame, ako bude ten hrb štatisticky významný.“
Nás viac zaujíma to nižšie či to vyššie číslo?
„To nižšie.“
Čo znamená to utorňajšie vyhlásenie CERN-u? Že sme Higgsov bozón videli a nemáme dostatočnú istotu? Alebo nevieme, že sme ho vôbec videli?
„Dôležité je, že pri rovnakej hmotnosti ho vidia dva nezávislé experimenty. A vyhodnocujú analýzy pre rôzne spôsoby, akými sa táto častica môže rozpadať. Tento signál vidia na týchto rôznych spôsoboch – pričom sa pozerajú na rôzne stabilnejšie častice, ktoré sú produktmi rozpadu, pričom máme pravdepodobnosti, na čo vlastne sa môže ten Higgs rozpadnúť.
Zakaždým experimenty videli zvýraznenie signálu pri tej istej hmotnosti. Keď aj vezmeme tie nižšie čísla a dáme ich do kombinácie, tak celkovo dostaneme 3-sigma efekt. Teda keby to bola náhoda, tak je to možnosť zhruba 1 ku 370.“
Vieme, že tu kombináciu výsledkov začali vedci už robiť. Kedy bude k dispozícii?
„To závisí od pracovných tímov, ktoré na tom bezprostredne robia. Zo Slovenska sa nik priamo nezúčastňuje.“
Vieme aspoň odhadnúť, kedy budeme mať istotu, že sme objavili Higgsov bozón?
„Keď sa po novom roku rozbehne LHC a nebudú problémy, tak behom krátkeho času – štyroch až ôsmych týždňov – sa naberie dostatočné množstvo dát. Aby to stačilo na dostatočnú istotu, aby sa to stalo objavom.
Samozrejme, bude chvíľu trvať, kým sa získané dáta zanalyzujú. Videl som odhad, že by sme teoreticky v marci mohli hovoriť o objave. Mne sa zdá, že to je príliš smelé. Ale ide o taký dôležitý objav, že je možné, že všetko úsilie bude orientované iba týmto smerom.“
Supersymetria
Čo robíte vy na detektore ATLAS?
„ATLAS je nesmierne komplikovaný prístroj, ktorý si treba predstaviť ako zložitý mikroskop, ktorý má veľa subdetektorov a podsystémov, o ktoré sa starajú jednotlivé skupiny. A moja bezprostredná robota je kontrola distribúcie dát, ktoré keď sa získajú z detektora, idú do celosvetovej siete počítačov. Kde sa hierarchickým spôsobom ukladajú najskôr na nejaké väčšie uzly, ktorých je po svete desať. A potom na menšie na nižšej úrovni.“
Čiže vašou úlohou je ustrážiť, aby surové dáta z detektora sa dostali ďalej bez žiadnej chyby?
„Správne.“
Ak by sme našli Higgsov bozón s hmotnosťou 125 GeV. Čo to bude znamenať?
„Pre nás fyzikov to bude úžasným potvrdením, že to, čo sme si zatiaľ mysleli len na základe teoretických úvah, je správne. Už vyše štyridsať rokov máme teóriu, ktorá sa zo zotrvačnosti nazýva štandardný model, no je to overená a dobre vyskúšaná teória elementárnych častíc. A v tomto štandardnom modeli chýbal tento posledný kúsok do skladačky.
Nemuselo to tak byť. Mohlo sa ukázať, že tento centrálny a chýbajúci kúsok nie je a celá táto skladačka nedrží dobre.“
Mali by sme teda posledný kúsok, ktorý by nám povedal, že tá skladačka je postavená dobre. Lenže my vieme, že táto skladačka nefunguje a mnoho fenoménov nevie vysvetliť.
„Povedať, že nefunguje, je príliš silné. S tým nesúhlasím. No úplne súhlasím s tým, že sa ukazuje, že štandardný model nevie všetko vysvetliť.
Nie je to však tak, že by tento model dával zlé alebo chybné predpovede. No nie je schopný predpovedať javy, ktoré zjavne chceme pochopiť, predpovedať a mať pre ne vysvetlenie. Typickým príkladom je, že vo vesmíre máme ešte nejakú tmavú hmotu, nejaké možno slabo interagujúce hmotné častice, ktoré sa zhlukujú a dominujú nad energiou vo vesmíre, ktorá pochádza z bežnej hmoty. Navyše vo vesmíre máme ešte väčší príspevok do energie, a to je od nejakej divnej formy energie, ktorá spôsobuje zrýchľovanie rozpínania kozmu.
To sú výsledky z kozmológie, na ktoré časticová fyzika zatiaľ nemá odpoveď. A odpoveď na ne nemá ani štandardný model. Znamená to výzvu pre časticovú fyziku - štandardný model treba doplniť. No pre fyziku na urýchľovačoch je štandardný model overený a správny. A preto máme veľkú radosť, že ten posledný chýbajúci článok by sa mohol naozaj nájsť. Zatiaľ to ale nie je objav, iba také takmer.“
Tento posledný chýbajúci článok však nielenže potvrdzuje štandardný model. On zároveň neprotirečí inej teórii, takzvanej supersymetrii.
„Týmto sme najviac nadšení. Že Higgs s hmotnosťou 125 GeV je v súlade s predpoveďou supersymetrie. Supersymetria je fantastická teória, nový druh symetrie v prírode, ktorá nemá klasickú analógiu.
Je to symetria na čisto kvantovej úrovni a na základe bežných skúseností je ťažko hľadať nejaký príklad. Vyžaduje to rozsiahlejší výklad. Musíme začať hovoriť o časticiach, ktoré môžu byť spolu na jednej energetickej hladine a častice, ktoré sa neznesú.
Ak sú pospolu tie, čo sa neznesú, potom každá jedna obsadzuje inú energetickú hladinu. Napokon, možno si ľudia zo strednej školy pamätajú, že elektróny v atómoch obsadzujú jednotlivé vrstvy práve preto, že elektróny sa neznesú na jednej hladine.
Supersymetria je o tom, že medzi časticami, ktoré sa „majú rady“ a tými, ktoré sa „neznesú“, je v prírode symetria jedna k jednej. Ak jestvuje častica, ktorá sa neznesie, tak musí mať aj partnera, ktorý sa s inými časticami znesie.
Táto symetria je však narušená. Lebo keby bola úplne presná, tak elektróny by museli mať partnerov, ktorí by vyzerali presne ako známe elektróny, len by mali taký charakter, že by ich väčšie množstvo bolo možné dať na - povedzme - základnú hladinu. A takéto častice nemáme.
A kde sú? Lebo jestvujú tvrdenia, že ak by supersymetria fungovala, tak na jej častice by sme v urýchľovačoch už dávno narazili.
„Higgs je práve poslom aj týchto supersymetrických častíc. A to, že jeho hmotnosť je rádovo 100 GeV hovorí, že by mali byť aj supersymetrické častice s hmotnosťou rádovo niekoľko stoviek GeV. A v tom je to pekné: urýchľovač LHC má potenciál objavovať aj tieto nové častice.“
Čiže dosiaľ boli príliš ťažké, aby ich predchádzajúce urýchľovače videli?
„Áno. Myslíme si, že doteraz sme ich nevideli preto, že boli príliš ťažké, aby sme ich dokázali vyprodukovať v zrážkach. Veľmi sme sa snažili vidieť ich aspoň nepriamo v rozpadoch menej hmotných častíc, kde by sa ich prítomnosť prejavila v kvantových fluktuáciách veľmi zriedkavých rozpadov. Ale to sa tiež nepodarilo.
Sme z toho trochu nesvoji. Higgsova častica s hmotnosťou 125 GeV by preto bola obrovským povzbudením pri pátraní po supersymetrii. Iste, stále by sa mohlo stať, že idea supersymetrie nebude správna. Ale má toľko vynikajúcich pozitívnych čŕt: napríklad by sa ľahko mohlo stať, že tmavá hmota vo vesmíre by bola tvorená najľahšou supersymetrickou časticou, ktorej je zakázané sa ďalej rozpadať.a zostáva stabilnou.“
To je dôležité?
„Tieto častice by po veľkom tresku mohli ostať voľne unášané naším rozpínajúcim sa vesmírom, nakoľko sú ťažké a nerelativistické a neprúdia cez vesmír ako fotóny či neutrína. Neskôr sa postupne zhlukujú a tvoria gravitačný základ pre vznik galaxií. Bežná hmota je napadaná do zhlukov týchto supersymetrických častíc tmavej hmoty. Štruktúra vesmíru, ako ju pozorujeme, je tak odrazom neviditelnej štruktúry, ktorú tvorí tmavá hmota.“
Vy si myslíte, že žijeme v supersymetrickom svete?
„Myslím si, že väčšina vedcov je pragmatická a takúto vec neberie ako vec viery. Riadi sa skôr intuíciou a tá teraz hovorí, že áno. Na základe zdravého sedliackeho rozumu a intuície si myslím, že vďaka vnútornej kráse supersymetrie by to mala byť tá správna teória. Keď sa ukáže, že experiment nájde čosi iné, tak nebudem nešťastný. Ale budem sa venovať tomu, čo hovoria experimentálne údaje.“
Skrútené rozmery
Keby sa teda táto matematicky krásna hypotéza ukázala ako nepravdivá, čo potom?
„Teoretickí fyzici sú veľmi šikovní a za tých posledných tridsať, štyridsať rokov vymysleli neskutočne veľa rozšírení a nových teórií, ktoré by boli lepšie ako štandardný model. Ale experimenty za posledných tridsať rokov sa spresňovali a výsledky sú už také presné, že prakticky všetky tieto nápady boli vylúčené.
Ako hlavní kandidáti na nové teórie nám tak ostali supersymetria, a potom ďalší dvaja, traja oveľa menej atraktívni kandidáti. Na druhom mieste nastupuje teória, podľa ktorej pri energii rádovo 100 GeV by sme mali byť citliví na dodatočné priestorové rozmery.“
To znamená čo?
„Priestor, ktorý poznáme ako trojrozmerný – plus v relativite čas – sa odrazu ukáže ako viacrozmerný. Že nejaký z rozmerov je zatočený a my v našom bežnom svete a pri bežných energiách naň nie sme citliví. No na škále 100 GeV ho odrazu možno rozoznať. Týchto dodatočných rozmerov môže byť viac ako len jeden.“
Teraz hovoríme o strunách?
„Zatiaľ nie, aj keď teória strún tiež čaká v pozadí, že možno by mohla byť správnou teóriou sveta. A tá vyžaduje deväť priestorových plus jeden časový rozmer.“
Takýto svet si vieme vôbec predstaviť?
„Matematicky ho vieme popísať. Nie je pravda, že by sa fyzici zamysleli a zrazu mali pred očami, ako asi vyzerá deväťrozmerný svet. Ani len štvorrozmerný z trojrozmerného si nevieme predstaviť.
Ale rovnicami to vieme popísať. Mohlo by sa stať, že z týchto deväť rozmerov podľa teórie strún je šesť stočených a nie sme na ne citliví. Môžu byť však stočené s rôznymi polomermi. Ich polomery môžu byť výrazne odlišné. Jeden extra rozmer tak môže byť prístupný už od škály 100 GeV. A tie ďalšie predpovedané teóriou strún rozoznáme až pri vyšších energiách.“
Tieto teórie ešte potrebujú Higgsov bozón? Alebo jeho objav ich pošle do zabudnutia?
„Môžu ho mať, aj nemusia.“
Po ozname detektora OPERA o superrýchlych neutrínach budú všetci tento experiment sledovať. Tak to bude aj vo vašom prípade. Zmenila sa v CERN-e nejako atmosféra?
„Teraz bude najmä veľa článkov o tom, ako Higgs s hmotnosťou 125 GeV zapadá do rôznych modelov. Pretože, aj keď sme hovorili o supersymetrii, to neznamená, že je to len jedna jediná teória s vopred určenými všetkými parametrami. Jestvujú rôzne oblasti jej parametrov, ktoré dávajú lepší zmysle z hľadiska tmavej hmoty či pre anomálny magnetický moment miónu.“
Čiže každý druhý teoretik sa bude snažiť zviesť na Higgsovom bozóne?
„Ak bude môcť, tak bude chcieť mať článok, kde tento objav využije a povie, ako sa tento Higgs hodí do jeho predstáv.“
Ak budeme budúci rok vedieť povedať, že sme objavili Higgsov bozón, dostane Peter Higgs Nobelovu cenu za fyziku?
„Určite je to objav na Nobelovu cenu. A určite by mala byť Nobelova cena pre niekoho z CERN-u ako odmena za úsilie, aké tam do tohoto objavu a vybudovania urýchľovača vložili. Veď teraz to je vyvrcholenie práce minimálne za posledných 25 rokov – odkedy sa plánovalo, vyvíjali sa detektory a začal sa budovať celý urýchľovač.
Druhá vec je, kto by mal toto najvyššie uznanie vo fyzikálnom svete dostať za teóriu. A tam je treba povedať, že hoci sa častica volá Higgsova a Peter Higgs určite prispel k tomu, že sa do štandardného modelu zaviedla, tak tu boli ďalší štyria, piati ľudia, ktorí v rovnakom čase nezávisle na sebe prispeli rovnako, možno ešte viac ako Peter Higgs.
Nobelova cena sa však udeľuje maximálne trom ľuďom a nobelovský výbor v Štokholme to nebude mať v tomto prípade jednoduché.“
