8 kwietnia 2024 roku zmarł prof. Peter Higgs, brytyjski fizyk teoretyk. Jego nazwiskiem ochrzczono cząstkę odkrytą w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN-ie w 2012 roku. Fizyk był jednym z sześciu teoretyków, którzy dekady wcześniej opracowali teoretyczne założenia dotyczące pola skalarnego, mającego nadawać masę cząstkom elementarnym. Za przewidzenie teoretyczne i potwierdzenie doświadczalne istnienia bozonu Higgs wraz z François Englertem otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki (2013). Wykrycie bozonu było potwierdzeniem eleganckiej hipotezy. O dorobku Petera Higgsa, znaczeniu jego odkrycia oraz o przyszłości fizyki mówi dr Bartosz Dziewit z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych UŚ.

Dr Bartosz Dziewit

Nazwisko Petera Higgsa jest jednym z bardziej rozpoznawalnych, ale niekoniecznie w ślad za tym idzie powszechna wiedza o jego naukowym dorobku. Z czym poza bozonem Higgsa powinniśmy go jeszcze kojarzyć?

Być może trochę ze zdrowym dystansem do nauki i samego siebie. Poza artykułami związanymi z tym, co obecnie nazywane jest mechanizmem Higgsa, nie są mi znane inne jego dokonania. Po swojej pracy – ocenianej później jako przełomowa – opublikował mniej niż dziesięć artykułów naukowych. Co ciekawe, będąc już rozpoznawalną osobą, w wywiadach twierdził, że nie byłby wystarczająco produktywny dla dzisiejszego systemu akademickiego. Podawał w wątpliwość, czy będąc współczesnym akademikiem, w warunkach dużej presji publikacyjnej, miałby wystarczająco dużo ciszy i spokoju, by zrobić to, co zrobił. Uważając, że zbyt wąska specjalizacja nie jest dobra we współczesnym dynamicznym świecie, młodym ludziom radził, by zdobywali możliwie szerokie wykształcenie. Myślę, że trochę przekornie, trochę ze skromności, a trochę zupełnie serio uważał, że gdyby nie perspektywa otrzymania Nagrody Nobla – po raz pierwszy nominowano go w 1980 roku – zostałby zwolniony. O jego skromności świadczy także fakt, że w 1999 roku odmówił przyjęcia tytułu szlacheckiego. W mojej ocenie wkład Petera Higgsa w rozwój fizyki cząstek elementarnych czy szerzej: badań podstawowych i nauki jako takiej – jest niepodważalny, niezależnie od tego, jak uniwersalnym był badaczem.

Nazwa bozon Higgsa może sugerować, że tylko jeden badacz stał za jego odkryciem. Tymczasem wiemy, że w pracach teoretycznych uczestniczyło jeszcze pięcioro innych naukowców: François Englert, Robert Brout, Gerald Guralnik, Carl R. Hagen i Tom Kibble. Czy to oznacza, że wkład Higgsa i Englerta (bo tylko oni otrzymali Nobla) był większy niż reszty?

Z tego, co mi wiadomo, naukowcy ci nie współpracowali ze sobą i raczej opracowali koncepcje niezależnie. Ponieważ jednak nauka jest swoistym systemem naczyń połączonych – odpowiedź na to pytanie jest dość trudna. Oczywiście, zaproponowany przez każdego z nich model matematyczny czy fizyczny jesteśmy w stanie „jakoś” ocenić, trudno natomiast zawyrokować, jaki był wzajemny wpływ poszczególnych osób na to, że ta koncepcja zrodziła się w takim, a nie innym kształcie. Istotna w tej dyskusji jest również rola tych, którzy wcześniej opracowywali teorię dotyczącą tej koncepcji – chociażby tych wszystkich, którzy mozolną pracą budowali coś, co później nazwiemy modelem standardowym. Dokładali oni swoje elementy do układanki. Brakujące puzzle są naturalnym, nęcącym i niedającym spać przedmiotem zainteresowań badaczy. Otwarte w tamtym czasie pytanie, w jaki sposób cząstki elementarne nabywają masę, było zatem przedmiotem zainteresowań wielu badaczy. Sam Higgs, podkreślając, że nie był jedynym autorem tego pomysłu, zżymał się, by nazywać postulowaną cząstkę bozonem Higgsa. Wszystkie wymienione przez Panią w pytaniu osoby są, w różnych konfiguracjach, autorami trzech artykułów – uznanych za kamienie milowe, a opublikowanych w tym samym roku (1964) na łamach „Physical Review Letters” – podejmujących próbę wyjaśnienia problemu masy cząstek elementarnych. Higgs swoją hipotezę opublikował jako jedyny autor, Brout wspólnie z Englertem, a Guralnik razem z Hagenem i Kibblem. Początkowo praca Higgsa wysłana była do innego periodyku – „Physics Letters”, ale odrzucono ją. Dopiero po korektach została wysłana do pierwszego wspomnianego czasopisma, a przed pozytywną decyzją o publikacji Higgs był poproszony o odniesienie się do prac Brouta i Englerta. Cała szóstka w 2010 roku została uhonorowana Nagrodą Sakurai, przyznawaną przez Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne za wybitne osiągnięcia w dziedzinie teorii cząstek elementarnych.

Prof. Peter Higgs przed detektorem CMS (2008)

Bozon Higgsa jest cząstką, która – nieco upraszczając – nadaje innym cząstkom masę. Czy wiemy już o niej wszystko, czy wciąż może nas czymś zaskoczyć?

Zdecydowanie nie wiemy wszystkiego. Czasem odpowiemy na jakieś pytanie i wydaje nam się, że zbliżamy się do pewnego ogólnego wysycenia tej prawdy. Ten proces poszukiwania nigdy jednak się nie kończy, a wraz z jedną odpowiedzią pojawiają się kolejne interesujące wątki, wątpliwości oraz inspiracje i pomysły. W odniesieniu do bozonu Higgsa spośród wielu niewiadomych wymienić można kilka. Nadal nie wiemy, czy mamy do czynienia z jedną cząstka tego typu, czy jest ich więcej, jaka jest natura tej cząstki, a także jaki ma udział w różnych procesach fizycznych. Być może cząstka Higgsa nie jest cząstką elementarną i ma jakąś wewnętrzną strukturę. Ponadto zaakceptowany mechanizm nadawania cząstkom elementarnym masy to tylko jeden z wielu puzzli dotyczących masy w całym obrazku związanym z fizyką cząstek elementarnych, fizyką wysokich energii czy astrofizyki i kosmologii. O wielu z nich wiemy niewiele lub nie wiemy zupełnie nic. Na przykład nie jesteśmy w stanie na chwilę obecną powiedzieć, dlaczego masy poszczególnych cząstek elementarnych są tak radykalnie różne. By to zobrazować, wystarczy wspomnieć, że masa najcięższego kwarku jest milion razy większa od masy elektronu. Jednocześnie szacujemy, że masa neutrina jest tysiąc razy mniejsza od masy elektronu. Nie wiemy, czy za tymi dysproporcjami stoi jakaś elegancka matematyczna podwalina w postaci na przykład symetrii czy jest to dzieło przypadku. Wiemy, że istnieją trzy rodzaje neutrin, ale nie znamy ich poszczególnych mas. Dopuszczamy możliwość istnienia dodatkowych tak zwanych neutrin sterylnych, ale w stosunku do tej propozycji nie mamy konsensusu, ile ich rodzajów mogłoby być. Wciąż mamy mnóstwo nierozstrzygniętych kwestii bezpośrednio lub pośrednio związanych z bozonem Higgsa, jeśli dodać do tego fakt, że kompletnie nic nie wiemy o tak zwanej ciemnej energii – a Wszechświat w przeważającej większości to właśnie z niej jest najprawdopodobniej zbudowany. Tych raptem kilka wymienionych przykładów daje nam obraz naszej niewiedzy w zakresie współczesnej teorii budowy materii.

Czy spośród tych wszystkich zagadnień jest takie, które zdaniem Pana Doktora jest szczególnie interesujące i warte zbadania?

Według mnie bardzo interesującym obszarem badań są te związane z ciemną materią oraz ciemną energią. W przeciwieństwie do normalnej materii ciemna materia nie oddziałuje elektromagnetycznie. Oznacza to, że nie pochłania, nie odbija ani nie emituje światła. Ten fakt czyni ją niezwykle trudną do wykrycia. Naukowcy byli w stanie wywnioskować istnienie ciemnej materii jedynie na podstawie jej wpływu grawitacyjnego na materię widzialną. Jednakże ciemna materia wydaje się przeważać nad materią. Świadomość, że otaczająca nas zwykła materia Wszechświata – począwszy od nas samych, a skończywszy na galaktykach, to jedynie jego pięć procent – onieśmiela, przytłacza, intryguje. Pokornieję wobec tego faktu, a jednocześnie jestem nim zachwycony. Drugi ciekawy obszar to badania związane z następcą Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), czyli planowanym do realizacji Przyszłym Zderzaczem Kołowym (Future Circular Collider, FCC), którego dokładność powinna być sto razy wyższa od LHC. Pokładane są w nim nadzieje, że być może zauważymy ciekawe efekty, dzięki którym będziemy w stanie sprawdzić różne hipotezy związane nie tylko z cząstką Higgsa, ale w ogóle z cząstkami elementarnymi. Będziemy mieli możliwość testowania fizyki poza modelem standardowym. Grupa badawcza pod kierownictwem prof. dr. hab. Janusza Gluzy (również z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych UŚ), której jestem członkiem, prowadzi badania teoretyczne na potrzeby kolaboracji FCC.

Niektóre kraje, zwłaszcza USA i Chiny, angażują się w projekty, które roboczo nazywają fabrykami bozonów Higgsa, gdzie hurtowo produkowane mają być cząstki. Jaki jest sens tworzenia takich obiektów?

Eksperymentalne potwierdzenie istnienia bozonu Higgsa zawdzięczamy Wielkiemu Zderzaczowi Hadronów, czyli akceleratorowi cząstek elementarnych, który zlokalizowany jest w CERN-ie (Europejska Organizacja Badań Jądrowych w Genewie). W dwudziestosiedmiokilometrowym podziemnym tunelu zderzane były ze sobą wiązki protonów rozpędzonych do prędkości bliskiej prędkości światła. Energia takich zderzeń jest ogromna, symulowane są warunki panujące mikrosekundy po wielkim wybuchu. W ich wyniku powstawały różne cząstki wtórne, rejestrowane w dwóch niezależnych detektorach: ATLAS i CMS. Bozon Higgsa bardzo szybko się rozpada. W detektorach tych obserwuje się jedynie produkty tego rozpadu. Trudność polega na tym, że mogą one być produktem rozpadu innych cząstek. Mało tego – te procesy przeważają, a więc LHC musiał pracować przez wiele lat, żeby zgromadzić odpowiednią, statystycznie istotną ilość danych potwierdzających wykrycie „boskiej cząstki”. Fabryka bozonów Higgsa to akcelerator cząstek zaprojektowany do wytwarzania bozonów Higgsa z dużo większą częstotliwością, umożliwiający precyzyjne badania tej cząstki. Tu, w odróżnieniu od LHC, zderzane miałyby być wiązki elektronów i pozytonów. Gdy elektrony i pozytony zderzają się przy wysokich energiach, są w stanie wytworzyć bozony W i Z, które z kolei mogą emitować cząstkę Higgsa.

Wspomniany wcześniej przez Pana Doktora FCC mierzy się w ostatnim czasie z pewnymi problemami – głównie Niemcy podnoszą, że inicjatywa może być zbyt droga, by sensowne było jej kontynuowanie. Słychać też głosy, że w ogólnym interesie, także politycznym, jest jednak dotowanie podobnych przedsięwzięć. CERN to wciąż wiodący ośrodek naukowy tego typu na świecie, ale depczą mu po piętach projekty wysuwane przez Amerykanów czy Chińczyków.

Z mojej perspektywy jako fizyka podchodzenie do badań podstawowych w ten sposób jest trochę niesprawiedliwe, jeśli weźmiemy pod uwagę fakt, że w znacznie mniej ciekawy sposób marnujemy pieniądze wszędzie dookoła. W moim odczuciu ważne jest, w kontekście wspomnianych wcześniej Stanów Zjednoczonych czy Chin, żebyśmy dotrzymywali im kroku albo nawet, jak dotychczas, nadawali rytm. Nie dla samej rywalizacji, ale po prostu dla dobra nauki. Idealistycznie można powiedzieć, że powinniśmy jako ludzkość z wzajemnym poszanowaniem konkurować jedynie w konstruktywny sposób, wierząc również, że nauka, wyniki badań, podobnie jak inne elementy dziedzictwa człowieka, będą dobrem wspólnym.

Naukowcy z UŚ od wielu lat są związani z CERN-em. Jakie obecnie eksperymenty i projekty są realizowane z wykorzystaniem tamtejszego sprzętu?

Istotnie, wielu naukowców z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Śląskiego współpracuje z ośrodkiem naukowo- -badawczym CERN. Skupieni są oni wokół dwóch grup badawczych. Pierwsza – to grupa teorii i fenomenologii fizyki cząstek pod kierownictwem prof. dr. hab. Janusza Gluzy, realizująca między innymi wspomnianą już współpracę w ramach kolaboracji FCC. Praca w tej grupie dotyczy teorii, zatem bezpośrednio nie korzysta ona z infrastruktury eksperymentalnej CERN-u. Druga – to zespół fizyki jądrowej. W ramach tej grupy warto wymienić dwa kierunki eksperymentalne. Jeden związany bezpośrednio z badaniami neutrin (prof. dr hab. Jan Kisiel), a drugi związany z poszukiwaniami nowych stanów materii (dr hab. Seweryn Kowalski, prof. UŚ). W przypadku pierwszego kierunku infrastruktura CERN-u była i jest związana z kilkoma dużymi eksperymentami: ICARUS (badania własności neutrin z wiązki CERN – Gran Sasso, gdzie był ulokowany detektor ICARUS, aktualnie w USA) czy T2K i przyszły eksperyment Hyper-K. Aczkolwiek te dwa ostatnie eksperymenty są usytuowane także poza CERN-em (Japonia), niemniej jednak w CERN-ie przeprowadzane są testy aparatury, urządzeń i detektorów (np. w ramach mniejszego eksperymentu WCTE), które będą wykorzystywane w Hyper-K. Drugi kierunek – to eksperyment NA61/SHINE, polegający na poszukiwaniu nowych stanów materii. Jest on w całości związany z CERN-em i usytuowany w nim. Co ciekawe, także w ramach tego eksperymentu były przeprowadzane pomiary, których wyniki mają zastosowanie w eksperymentach neutrinowych T2K czy Hyper-K.

Czasem, podobnie jak Peter Higgs, możemy wysunąć jakieś hipotezy, ale nieraz musimy czekać kilkadziesiąt lat, by uzyskać ich potwierdzenie lub przekonać się, że zostały obalone. Ten proces jest szalenie ciekawy.

Dziękuję za rozmowę.