Tiskane izdaje
V Cernovem velikem hadronskem trkalniku (LHC) so v nedeljo, 13. decembra, subatomski delci letos še zadnjič zakrožili v 27-kilometrskem krožnem tunelu od 50 do 175 metrov globoko pod travniki in polji v bližini Ženeve. S poletom, le za odstotek počasnejšim od svetlobne hitrosti, so sklenili prvo fazo trkov v obnovljenem trkalniku, nadgrajenem v najmočnejšo in največjo raziskovalno napravo na svetu. So trki delcev pri doslej največji moči, najvišji energiji in največji frekvenci pospeševanja delcev omogočili pogled še dlje v preteklost, v sam nastanek vesolja?
Velika dvorana v Cernu, evropski organizaciji za jedrske raziskave na obrobju Ženeve, je bila v torek, dva dni po zadnjem trku protonov, nabito polna. Raziskovalci so zasedli celo stopnice med vzpenjajočimi se vrstami sedežev. Nihče ni hotel zamuditi predstavitve do tistega dne znanih rezultatov dogajanja v nadgrajenem trkalniku od aprila, ko so ga po dveletnem remontu in nadgrajevanju znova pognali, do predzadnje nedelje, ko so sklenili prvo fazo pospeševanja in trkanja delcev.
Ozračje je bilo podobno tistemu pred štirimi leti, ko so v takrat za polovico manj zmogljivem trkalniku zasledili Higgsov bozon, imenovan tudi »božji delec«, po njegovi vlogi v nastanku vesolja. Takrat sicer obstoja bozona še niso potrdili, so ga pa predstavljeni rezultati nakazovali. Potrdile so ga šele analize pol leta pozneje. Se je in se bo te dni – še zlasti ob dejstvu, da so trki tokrat potekali z večjo močjo in hitrostjo – zgodilo kaj podobno epohalnega?
Da in ne. Da – v ozračju, ki sta ga ustvarila dva namiga, prvi na predstavitvi rezultatov eksperimenta Atlas in drugi na predstavitvi rezultatov eksperimenta CMS, dveh orjaških Cernovih detektorjev, ki sta zaznavala morebitne trke v trkalniku in oba nakazala dogodke, ki bi utegnili kazati na obstoj novega, dolgo iskanega delca. In ne – zaradi previdnosti in zadržanosti do prehitrih sklepov, ki sta v znanosti nujni.
Vznemirljivi presežek
Dejstvo, da sta oba eksperimenta, Atlas in CMS, zaznala odmik v podatkih o poteku trkov protonov, ki bi utegnil nakazati obstoj novega delca ali pa se bo pokazal zgolj za naključje, šum ali celo napako v analizi, je med teoretičnimi fiziki povzročilo pravo raziskovalno vročico. Med delci, ki so nastali v trkih protonov, so v obeh eksperimentih opazili presežek parov fotonov. To pa je znamenje, ki običajno kaže na nov delec. Le nekaj ur po objavi do zdaj dosegljivih rezultatov so raziskovalci zato objavili že devet študij, ki te podatke pojasnjujejo.
Omenjeni presežek je 50 parov fotonov: 40 jih je zaznal Atlas, 10 pa CMS. Vsak od parov je imel energijo 750 gigaelektronvoltov (GeV), kar kaže, da bi bil potencialni novi delec lahko bozon, ne nujno podoben Higgsovemu bozonu, in da bi njegova masa utegnila biti enaka masi skoraj 800 protonov. To je fizike še zlasti vznemirilo, saj niso pričakovali ničesar s takšno maso.
Čeprav je torej v teh podatkih dovolj elementov za veliko raziskovalno vznemirjenje, pa znanstveniki hkrati priznavajo, da bo potrebnih še veliko raziskav, preden bi lahko sedanji namig bodisi proslavili kot dokaz novega delca bodisi z njim na kratko opravili kot z naključjem. Razmeroma majhno število zaznav namreč ustreza nizki statistični gotovosti. Za podatke iz eksperimenta Atlas je v tem primeru statistična gotovost 99,99-odstotna oziroma znaša 3,9 sigme, za podatke eksperimenta CMS pa 98,9-odstotna (2,6 sigme). S sigmo znanstveniki merijo verjetnost, da je nekaj, kar vidimo, le naključje.
Ta gotovost se nam laikom zdi zelo velika, če ne celo skoraj popolna, a v svetu znanstvenih podatkov je daleč od tega. Celo v realnem svetu ta raven ne zagotavlja zadostne gotovosti. Prevedeno v vsakdanje življenje, navedene ravni pomenijo verjetnost ena na deset tisoč možnosti in v drugem primeru nekaj več kot eno možnost od sto primerov. Za primerjavo: če bi bila tolikšna verjetnost letalske nesreče, letalo sploh ne bi vzletelo.
V fiziki velja, da je možno potrditi nov delec le, če raven zanesljivosti dosega 5 sigem, to je 99,9999-odstotna verjetnost. To pomeni, da obstaja le ena na 3,5 milijona možnosti, da gre za napako v zaznavi. Te ravni, kot kažejo podatki, LHC tokrat še ni dosegel, bo pa to cilj v prihodnjem letu.
Prezgodaj za odpiranje šampanjca
Čeprav je verjetnost zaznave novega delca daleč od zahtevane zanesljivosti, pa so številni fiziki v Cernu in drugod po svetu vznemirjeni. Tudi pred štirimi leti, ko so podatki prvič nakazali obstoj Higgsovega bozona, njihova zanesljivost ni bila nič večja od zanesljivosti zdaj predstavljenih podatkov. Torej ni razloga, da ne bi upali, da smo vendarle na sledi novemu delcu.
Kaj meni o tem prof. dr. Marko Mikuž, vodja skupine raziskovalcev iz Slovenije, ki sodelujejo v eksperimentu Atlas? Šampanjca v proslavitev novega delca očitno še ne namerava odpreti.
»Pri različnostih v podrobnostih pogojno rečeno istega rezultata na Atlasu in CMS je mnogo prezgodaj za proslavljanje. Še posebej ker prihodnje leto pričakujemo dovolj podatkov, da bomo zares lahko spet odprli kak šampanjec ... če so namigi resnični,« pravi Mikuž.
Če se bo pokazalo, da so namigi resnični, kakšen potencialni delec nakazujejo? Je ta morebiti povezan s temno snovjo ali pa celo utegne potrditi ali ovreči teorijo supersimetrije, po kateri naj bi poleg našega obstajalo tudi zrcalno vesolje? Takšno upanje je namreč že med nadgradnjo velikega trkalnika navdajalo več tisoč znanstvenikov, udeleženih v eksperimentih v Cernu (projekt vzdržuje in opravlja kar 8000 fizikov iz 85 držav, tudi iz Slovenije – čeprav naša država kljub pobudi iz Cerna žal še ni polnopravna članica najpomembnejše evropske raziskovalne ustanove), in na desettisoče fizikov drugod po svetu, ki raziskujejo v fiziki delcev.
Razpad Higgsovega bozona
Na to vprašanje se je te dni ponudilo že nekaj teoretičnih razlag, ki segajo od bolj eksotičnih različic teorije standardnega modela fizike do teorije strun in temne snovi. Znanstveniki namreč upajo, da bi trki protonov pri zdaj možni dvakrat večji energiji lahko pripeljali do odkritja več vrst Higgsovih bozonov z različno maso in celo različnimi naboji, kar predpostavlja supersimetrija – teorija, ki ne vključuje gravitacije, poenoti pa pri visokih energijah preostale tri temeljne sile, močno, šibko, elektromagnetno, ki vzdržujejo vesolje.
Boljše razumevanje, kako Higgsov bozon reagira z drugimi delci, bi lahko osvetlilo tudi naravo temne snovi. Ne nazadnje pa bi po predvidevanjih fizikov trki protonov v nadgrajenem trkalniku morda pokazali na obstoj tako imenovanega bozona Z', teoretično težje različice bozona Z, tj. delca, povezanega s šibko jedrsko energijo, ta pa je povezana tako z jedrsko fuzijo kot z radioaktivnim razpadom.
Za zdaj prevladuje domneva, da bi utegnili biti ti signali dveh fotonov, če se bodo izkazali za pomembne, znamenje razpada Higgsovega bozona v kvarke, kar predvideva t. i. sestavljeni Higgsov model. Druga je domneva, da so fiziki odkrili drugi Higgsov bozon, njegovega dvojčka torej, ki ga predvidevajo ostali modeli. A za trden odgovor bo treba analizirati še preostale podatke, ki bodo dosegljivi postopoma. Marca bo LHC znova oživel in bo iz trkov protonov znanstvenikom dal približno desetkrat več podatkov, kot jih imajo danes.
Ali bomo torej lahko nazdravili novemu delcu in hkrati veliki spremembi v fiziki, bo znano šele prihodnje poletje.
