Pre tačno 10 godina (4. jula 2012.) fizičari su oduševili svet. 6.000 istraživača koji su radili na najvećem atomskom razbijaču na svetu, Velikim hadronskim sudaračem (Large Hadron Colider, LHC) u Evropskoj laboratoriji za fiziku čestica, CERN, objavili su da su otkrili Higsov bozon, važan ključ za (ne baš jasno) objašnjenje kako druge fundamentalne čestice dobijaju svoju masu. Otkriće je ispunilo predviđanje staro staro 45 godina, dovršilo teoriju nazvanu standardni model i dovelo fizičare u centar pažnje.

Zatim je usledio dugo zatišje. Pre nego što je LHC, u obliku prstena dugačak 27 kilometara, počeo da prikuplja podatke 2010. godine, fizičari su se plašili da bi mogao da proizvede Higsov bozon i ništa više, ne pružajući uvid u ono šta leži izvan standardnog modela. Zasad se taj košmarni scenario ostvaruje. „Malo je razočaravajuće“, kaže Bari Bariš, fizičar sa Kalifornijskog tehnološkog instituta. „Mislio sam da ćemo otkriti supersimetriju“, vodeće proširenje standardnog modela.

Prerano je da očajavamo, kažu drugi fizičari. Nakon 3 godine nadogradnje, LHC sada počinje da radi na trećem od pet planiranih ciklusa, a neka nova čestica bi mogla da se pojavi u milijardama međusobnih sudara protona koji se dešavaju svake sekunde. U stvari, LHC bi trebalo da radi još 16 godina, a uz dalje nadogradnje trebalo bi da prikupi 16 puta više podataka nego što već́ imamo. Svi ti podaci mogli bi da otkriju suptilne naznake novih čestica i fenomena.

Ipak, neki istraživači kažu da na zidu sudarača piše: „Ako se ništa ne pronađe, ovo je mrtvo“, kaže Huan Kolar, fizičar sa Univerziteta u Čikagu koji lovi tamnu materiju u manjim eksperimentima. Džon Elis, teoretičar sa Kraljevskog koledža u Londonu, kaže da su nade u iznenadni proboj ustupile mesto perspektivi dugačkog, neizvesnog kopanja ka otkriću. "To će biti kao vađenje zuba, a ne kao da je zub sam ispao."

Od 1970-ih, fizičari su bili zaglavljeni sa standardnim modelom. Smatra se da se obična materija sastoji od lakih čestica zvanih kvarkovi i donjih kvarkova — koji se vezuju u po tri da bi napravili protone i neutrone — zajedno sa elektronima i česticama lake težine zvanim elektronski neutrini. Dva skupa težih su skrivene u vakuumu i mogu se prevesti u kratkotrajno postojanje u sudarima čestica. Stupaju u interakciju razmenom drugih čestica: foton prenosi elektromagnetnu silu, gluon prenosi jaku silu koja vezuje kvarkove, a masivni W i Z bozoni prenose slabu silu.

Standardni model opisuje sve što su naučnici do sada otkrili na sudaračima čestica. Ipak, to nije konačna teorija prirode. Nedostaje sila gravitacije i ne uključuje misterioznu, nevidljivu tamnu materiju, koja izgleda da nadmašuje običnu materiju u univerzumu, u osnosu šest prema jedan.

LHC je trebalo da prekine taj ćorsokak. U svom prstenu, protoni koji kruže u suprotnim smerovima se sudaraju pri energijama skoro sedam puta većim nego kod bilo kog prethodnog sudarača, omogućavajući LHC-u da proizvodi čestice koje su previše masivne da bi se napravile negde drugde. Pre deset godina mnogi fizičari su zamislili da brzo uočavaju čuda, uključujući nove čestice koje nose silu ili čak mini-crne rupe. „Čovek bi se udavio u supersimetričnim česticama“, priseća se Beate Hajneman, direktorka fizike čestica u nemačkoj laboratoriji DESI. Pronalaženje Higsa trajalo bi duže, predviđali su fizičari.

Umesto toga, Higs se pojavio za relativno brzo, za 3 godine — delom zato što je nešto manje masivan nego što su mnogi fizičari očekivali, oko 133 puta teži od protona, što je olakšalo njegovo stvaranje. Ali, 10 godina nakon tog monumentalnog otkrića, nijedna druga nova čestica se nije pojavila.

Ta nestašica je potkopala dve negovane ideje fizičara. Pojam koji se zove prirodnost sugerisao je da niska masa Higsa manje-više garantuje postojanje novih čestica u dometu LHC-a. Prema kvantnoj mehanici, sve čestice koje se „virtuelno“ kriju u vakuumu će stupiti u interakciju sa stvarnim i uticati na njihova svojstva. Upravo na taj način virtuelni Higsovi bozoni daju drugim česticama njihovu masu.

Međutim, takva fizika je dvosekla. Masu Higsovog bozona bi trebalo dramatično povući naviše druge čestice standardnog modela u vakuumu - posebno gornji kvark, teža verzija up kvarka koja teži 184 puta više od protona. To se ne dešava, pa su teoretičari zaključili da bar još jedna nova čestica sa sličnom masom i upravo pravim svojstvima – posebno, drugačijim spinom – mora postojati u vakuumu da bi se „prirodno“ suprotstavila efektima najvišeg kvarka.

Teorijski koncept poznat kao supersimetrija bi obezbedio takve čestice. Za svaku poznatu česticu standardnog modela, ona postavlja težeg partnera sa drugačijim spinom. Krijući se u vakuumu, ti partneri ne samo da bi sprečili da Higsova masa pobegne, već bi takođe pomogli da se objasni kako je nastalo Higsovo polje, koje prožima vakuum poput neiscrpnog električnog polja. Supersimetrične čestice mogu čak predstavljati tamnu materiju.

Ali umesto čestica koje su se očekivale, one koje su se pojavile u protekloj deceniji su zapanjujuće anomalije - mala neslaganja između zapažanja i predviđanja standardnog modela - koje će fizičari istraživati u narednoj trogodišnem radu LHC-a. Na primer, 2017. godine, fizičari koji rade sa LHCb, jednim od četiri velika detektora čestica LHC-a, otkrili su da se B mezoni, čestice koje sadrže teški donji kvark, češće raspadaju na elektron i pozitron nego na česticu koja se zove mion i antimuon. Standardni model kaže da bi stope trebalo da budu iste, a razlika se može objasniti postojanjem egzotičnih čestica zvanih leptokvarkovi, koje bi se već mogle sakriti neotkrivene u izlazu LHC-a, kaže Elis.

Slično, eksperimenti na drugim mestima sugerišu da bi mion mogao biti veoma malo magnetniji nego što predviđa standardni model (Science, 9. april 2021, str. 113). Ta anomalija bi mogla biti nagoveštaj supersimetričnih čestica ili leptokvarkova, kaže Elis.

Sam Higs pruža druge puteve istraživanja, jer bi svaka razlika između njegovih uočenih i predviđenih svojstava signalizirala novu fiziku. Na primer, u avgustu 2020, timovi fizičara koji rade sa dva najveća detektora LHC-a, ATLAS i CMS, objavili su da su oba primetila da se Higs raspada na mion i antimun. Ako se brzina tog teško uočljivog raspadanja razlikuje od predviđanja, odstupanje bi moglo da ukaže na nove čestice koje se kriju u vakuumu, kaže Marsela Carena, teoretičarka iz Fermi National Accelerator Laboratori.

Te pretrage verovatno ipak neće doneti dramatično Eureka. „Postoji pomak ka veoma preciznim merenjima suptilnih efekata“, kaže Heinemann. Ipak, Carena kaže: „Veoma sumnjam da ću za 20 godina reći: ’Oh, čoveče, posle Higsovog otkrića nismo naučili ništa novo.“

Drugi su manje optimistični u pogledu šansi LHC eksperimentatora. „Oni su okrenuti ka pustinji i ne znaju koliko je široka“, kaže Marvin Marshak, fizičar sa Univerziteta Minesota, gradovi blizanci, koji proučava neutrine koristeći druge objekte. Čak i optimisti kažu da će, ako LHC ne otkrije ništa novo, biti teže ubediti vlade sveta da naprave sledeći veći, skuplji sudarač kako bi se ovo polje nastavilo.

Za sada, mnogi fizičari na LHC-u su samo uzbuđeni da se vrate razbijanju protona. Tokom protekle 3 godine, naučnici su unapredili detektore i preradili akceleratore niže energije koji napajaju kolajder. LHC bi sada trebalo da radi sa konstantnijom stopom sudara, efektivno povećavajući protok podataka za čak 50%, kaže Majk Lamont, direktor akceleratora i zraka u CERN-u.

Fizičari akceleratora mesecima polako podešavaju zrake LHC-a, kaže Lamont. Tek kada sve bude dovoljno stabilno uključiće detektore i nastaviti sa prikupljanjem podataka. To bi trebalo da se desi 5. jula, 10 godina i 1 dan nakon objave Higsovog otkrića.

Preuzeto i adaptirano sa www.science.org