VOŽNJA NA DVADESET DEVETKI

     Možda pomoću jednog fantastičnog putovanja možemo najbolje da ilustrujemo kako detektori rade. Za ovo ću se prebaciti u detektorsku građevinu CDF u Fermilabu, jer je modernija od UA-1. Doduše osnovna zamisao 'četiri pi' im je ista. (To 'četiri pi' - 4p - znači da detektor sa svih strana obuhvata tačku sudara.) Zapamtili ste, kad se proton i antiproton sudare, svakojake čestice nastanu i rasprše se u svim pravcima. Od svih tih čestica, u proseku oko jedna trećina njih budu neutralne, a dve trećine naelektrisane. Zadatak je ustanoviti tačno kuda svaka čestica odlazi i šta tačno radi. Kao i kod svih osmatranja u fizici, postiže se samo delimičan uspeh.
     Hajde da se provozamo na jednoj čestici. Recimo da je to trag broj 29. Naša čestica izleće pod nekim uglom u odnosu na pravac sudaranja, nailazi na tanki metalni zid vakuumske posude (dakle, cevi u kojoj je i nastala), proleti veoma lako kroz njega i sledećih, otprilike, pola metra juri kroz gas u kome se nalazi ogroman broj veoma tankih zlatnih žica. Iako nigde tako ne piše, ovo je Čarpakova teritorija. Naša čestica će proleteti pokraj nekih četrdeset ili pedeset žica, a onda će stići do kraja ove žičane komore. Ako je čestica naelektrisana, svaka obližnja žica će opaziti njen prolazak i omogućiti procenu koliko je blizu žice čestica proletela. Informacije prikupljene od svih žica odrediće putanju čestice. Pošto se žičana komora nalazi u jakom magnetnom polju, putanja naelektrisane čestice biće povijena na jednu stranu; merenje ovog otklona, izračunato na obližnjem ugrađenom kompjuteru, daće fizičarima podatak o impulsu ove čestice, naše dvadeset devetke na kojoj se vozimo.
     Dvadeset devetka jezdi dalje. Proleće kroz valjkasti zid kojim je obuhvaćena žičana komora i uleće u 'kalorimetrijski odeljak' gde se meri energija čestice. Kako će se čestica dalje ponašati, zavisi od toga šta jeste. Ako je elektron, razlupaće se o niz tankih listova olova, koji su postavljeni jedan drugome vrlo blizu; u tom procesu, predaće celokupnu svoju energiju vrlo osetljivim detektorima koji su kao meso u ovim olovnim sendvičima. Kompjuter primećuje da je nadiranje čestice broj 29 prestalo posle samo desetak-petnaest centimetara 'svrdlanja' kroz olovne sendviče i zaključuje: elektron! Međutim, ako je broj 29 hadron, probiće se kroz dvadeset pet, možda i pedeset centimetara kalorimetrijskog materijala i tek onda će sasvim posustati. U oba slučaja energija se meri i upoređuje sa impulsom koji je već izmeren kad je čestica pod uticajem magneta morala do neke mere da povije svoju putanju. Ali kompjuter će, kao fini gosopodin, prepustiti fizičarima da izvuku zaključak.
     Ako je dvadeset devetka neutralna, prošibaće kroz žičanu komoru sasvim neprimećana. Kad iskrsne u kalorimetru, ponašaće se u suštini isto kao naelektrisane čestice. Naime, udaraće u jezgra atoma kalorimetrijskog materijala, a ono što iz tih sudara izleti sudaraće se dalje sa nečim, sve dok celokupna energija koju je čestica donela ne bude iscrpena. Tako uspevamo da snimimo i izmerimo i neutralne čestice, ali ne možemo im snimiti impuls, a netačno je i naše praćenje pravca njihovog kretanja zato što u žičanoj komori ne bude opaženo ništa. Jednu neutralnu česticu, a to je foton, lako ćemo prepoznati po tome što olovo srazmerno brzo apsorbuje fotone, baš kao i elektrone. Druga jedna neutralna čestica, neutrino, proleteće kroz ceo naš detektor i odneće svoju energiju i svoj impuls, a neće ostaviti za sobom ni nagoveštaj svoga 'parfema'. Muon će se, opet, kretati kroz kalorimetar, ali će ostavljati malu količinu energije (muon ne ulazi u jake nuklearne sudare). Kad se probije kroz olovne sendviče, muon naiđe na zid od gvožđa, debeo nekih 75 do 150 centimetara. Prošiša i kroz to, samo da bi upao u detektor muona - a to su opet žičane komore ili scintilacioni brojači. Tako znamo da je ta čestica muon.
     Ovo isto mora da se uradi za svih 47 ili koliko je već čestica rođeno u ovom opitu. Sistem snima podatke i čuva ih, približno po jedan milion bita (a to vam je kao knjiga od sto strana) za svaki događaj. Ali dok to radi sistem mora hitro da donese odluku da li nešto vredi da se čuva ili nije zanimljivo; mora mnoge događaje da odbaci, neke da snimi, neke da pomeri u privremenu memoriju, a onda da očisti sebe, spremiti se za sledeći događaj. A taj sledeći naiđe otprilike jedan milioniti deo sekunde kasnije, ako mašina radi veoma dobro. U najnovijem temeljitom istraživanju u Tevatronu (školske 1990-91. godine), ukupna količina događaja snimljenih na magnetnu traku CDF detektora bila je jednaka tekstu milion romana ili pet hiljada kompleta Enciklopedije britanike.
     Među tim česticama koje izleću iz sudara ima i nekih čiji je životni vek veoma kratak. One se odmaknu možda samo koji milimetar od tačke sudara u vakuumskoj cevi i već se spontano raspadaju. Čestice W i Z žive tako kratko da je ukupna dužina koju one prelete nemerljivo kratka, pa čovek mora njihovo postojanje da ustanovi posredno, po česticama koje nastaju nestankom W i Z. A te se često kriju među razbacanim smećem koje izleće iz svakog sudara. Pošto je W masivna čestica, proizvodi njenog raspadanja imaju energiju višu od uobičajene, a to nam pomaže da ih otkrijemo. Egzotične stvari kao što je kvark vrh ili Higsova čestica imaće svaka svoj skup očekivanih načina raspada, što će morati nekako da se razabere u opštem rasulu mnogih drugih čestica.
     Proces pretvaranja ogromnog broja bitova elektronskih podataka u zaključke o prirodi sudara koji su se dogodili zahteva da uložimo velike napore. Desetine hiljada signala mora se proveriti i kalibrirati; desetine hiljada linija kodiranih podataka treba pregledati i potvrditi posmatranjem događaja koji moraju biti 'suvisli'. Nikakvo čudo, dakle, da je potrebno angažovati čitav bataljon visoko osposobljenih i motivisanih profesionalaca (bez obzira na to što su neki od njih službeno klasifikovani kao samo postdiplomci ili samo mladi doktori) i staviti im na raspolaganje moćne 'radne stanice' i odlično pripremljene, izoštrene analitičke kodove, i što i oni, tako opremljeni, moraju da rade dve ili tri godine da bi zadovoljavajuće dobro proučili podatke prikupljene u jednoj seriji Tevatronovih sudara.

TRIJUMF!

     U CERN-u, gde je kolajderska fizika i rođena, sve je uspevalo, čime se pokazalo da su planovi bili valjani. Januara 1983, Rubija je objavio da je pronašao W čestice. U ovo je bio siguran na osnovu pet, samo pet jasno snimljenih događaja koji se nisu mogli tumačiti nikako drugačije nego kao proizvodnja, a onda i raspad W čestice.
     Dan-dva kasnije, oni sa UA-2 objave da su i oni snimili četiri takva događaja. U oba slučaja eksperimentatori su morali da odbace po, otprilike, milion nezanimljivih događaja da bi izdvojili jedan pravi. Kako ubediti samoga sebe, a kako tek mnogobrojne skeptike? Od svih mogućih načina da se W čestica raspadne, način najpovoljniji za otkrivanje jeste ovaj: W+ - e+ + neutrino, ili, W- - e- + antineutrino. U podrobnoj analizi događaja takve vrste moraš potvrditi da, prvo, onaj jedan jedini trag koji si snimio jeste elektron, a nije bilo šta drugo, i, drugo, da energija tog elektrona iznosi otprilike polovinu mase W. Takozvani 'nedostajući impuls' (odneo ga je nevidljivi neutrino) može biti izveden na taj način što se saberu svi impulsi viđeni u događaju i uporede sa 'nulom', a to je impuls koji su sudarene čestice imale na samom početku sudara. Otkriće je bilo uveliko olakšano time što su (pukom srećom) sudarni parametri u CERN-u proizviodili W čestice koje su manje-više mirovale. Da bi se otkrila jedna čestica, mora se zadovoljiti mnogo ograničavajućih uslova. Jadan od važnih takvih uslova jeste da svi događaji-kandidati daju tačno istu vrednost (uzimajući u obzir dopustive greške u merenju) za masu W čestice.
     Rubiji je pripala čast da izloži svoje rezultate CERN-ovoj zajednici naučnika; tom prilikom bio je, nesvojstveno njemu, nervozan. Osam godina rada bilo je uloženo u ovo. Održao je spektakularan govor. Imao je potrebnu 'robu' u dovoljnoj količini, ali bio je i majstor-šoumen, sposoban da robu prodaje sa strastvenom logikom(!). Klicali su čak i oni koji su ga mrzeli. Evropa je sada imala svoga nobelovca. Već 1985, Rubija i Van der Mer su zajednički dobili Nobelovu nagradu.
     Nekih šest meseci posle uspeha vezanog za W, pojavili su se prvi dokazi da postoji i neutralni ortak te družine, ze-nula. Pošto joj je električni naboj jednak nuli, ova čestica se raspada (između mnogih drugih mogućnosti) i na jedan e+ i jedan e- (ili na par muona, m+ i m-). Zašto? Za one koji su zaspali tokom prethodnog poglavlja, evo zašto: zato što je Z neutralna čestica, pa proizvodi njenog raspada moraju da se, kad ih saberete, električno poništavaju; dakle, logično je da to moraju biti dve čestice sa suprotnim električnim predznakom. Pošto umemo tačno da izmerimo i par elektrona i par muona, Z je čak i lakše prepoznati nego W. Nevolja je u tome što je Z teže od W, iz čega proističe da se ređe stvara. Pa ipak, pred kraj 1983. godine, Z0 je otkrivena u oba detektora, UA-1 i UA-2. Sad kada su obe W i ze nula pronađene i kad se pokazalo da sve imaju baš onu masu koja je predviđena, elektroslaba teorija - koja objedinjuje elektromagnetizam i slabu silu - uverljivo je potvrđena.

DOPUNITI STANDARDNI MODEL DO RUBA ČAŠE

     Do početka godine 1992. snimljeno je nekoliko desetina hiljada W čestica na UA-1, UA-2 i kod novog momka u družini, u detektorskoj zgradi CDF pri Fermilabovom Tevatronu. Sada je znano da masa W iznosi oko 79,31 GeV. Nekih dva miliona Z0 prikupljeno je u CERN-ovoj 'ze-nula fabrici', LEP-u, elektronskom akceleratoru čiji je obim dvadeset sedam kilometara. Izmereno je da masa Z0 iznosi 91,175 GeV.
     Neki akceleratori se tako pretvore u fabrike čestica. Prve takve fabrike - u Los Alamosu, Vankuveru i Cirihu - proizvodile su pione. Kanada sad sprema izgradnju fabrike kaona. Španija želi fabriku tau-šarma. Postoje tri-četiri predloga za fabrike kvarka dno (lepote). Dok ovo pišem, u godini 1992, CERN-ova Z0 fabrika hukće punom snagom. U SLAC-u se sprema jedan manji Z0 projekat koji bi trebalo nazvati pre dućan ili butik nego fabrika.
     Šta će nam fabrike? U njima proizvodni proces može da se proučava veoma podrobno. Osim toga, kod mnogih čestica, a naročito kod onih masivnijih, ima mnogo načina raspadanja. Želimo da pribavimo po nekoliko hiljada uzoraka za svaki od tih načina. U slučaju masivne čestice Z0, postoji ogroman broj mogućnosti, a proučavanjem svih njih naučićemo mnogo o slaboj i elektroslaboj sili. Čovek uči i iz onoga što se uopšte ne pojavljuje. Na primer, ako bi masa kvarka vrh bila manja od pola mase Z0, onda bismo hteli-ne hteli morali da gledamo i raspade Z0 - kvark vrh + kvark antivrh. Ovo znači da bi se Z0 mogao raspasti, mada retko, u mezon sagrađen od kvarka vrh koji bi bio 'privezan' za kvark antivrh. Naravno, mnogo je veća verovatnoća da će se Z0 raspasti u par elektron-pozitron ili muon-antimuon, kao što smo objasnili. Uspeh koji je teorija postigla u objašnjavanju tih parova ohrabruje nas da verujemo da je i raspad Z0 u kvark vrh i kvark antivrh predvidiv. Znači, ako proizvedemo dovoljno Z0, onda, po verovatnoćama kvantne teorije, treba da vidimo bar neki dokaz i za postojanje kvarka vrh. Pa ipak, među tolikim milionima proizvedenih Z0 čestica, u CERN-u, Fermilabu i drugde, ne nađe se baš nijedan takav raspad. Ovo nam govori nešto važno o kvarku vrh. Kaže nam da njegova masa mora biti veća od polovine mase Z0. Eto zašto Z0 ne uspeva da proizvede par vrh/antivrh kvark.

O ČEMU PRIČAMO?

     Teoretičari su, hodajući svakojakim, raznim stazicama prema hipotetičnom ujedinjenju, predložili veoma široku lepezu različitih hipotetičnih čestica. Obično su sve odlike takve neke čestice, osim njene mase, oštro određene modelom. Pošto nikako ne viđamo te 'egzotične', znamo koja im je donja granica mase, u skladu sa pravilom da što je veća masa nečega, teže je to nešto proizvesti.
     Ovde ima posla za teoriju. Teoretičar Li kaže: sudar proton-antiproton proizvešće jednu česticu, zasad hipotetičnu - hajde nek se ona zove recimo li-on - ukoliko je u sudar ušla dovoljna količina energije. Međutim, verovatnoća ili relativna učestanost proizvođenja tog li-ona zavisi od li-onove mase. Što je li-on teži, slučaj njegovog nastanka je ređi. Teoretičar hita da nam ponudi grafikon koji dovodi u vezu moguću dnevnu proizvodnju li-ona i moguću masu li-ona. Na primer: kad bi li-onova masa bila 20 GeV, mogli bismo da ih pravimo hiljadu na dan (to je da ti pamet stane - tako mnogo!). Ako je 30 GeV, dobijali bismo 2 li-ona na dan. Ako je 50 GeV, dobijali bismo hiljadinku dnevno; drugim rečima, trebalo bi da akcelerator radi punom snagom hiljadu dana da bi proizveo najzad jedan li-on. Međutim, eksperimentatori obično tvrde da opit ne može biti smatran uspešnim ako nemaju snimljeno bar deset događaja, jer postoje i razni drugi problemi, u vezi sa delotvornošću i pozadinskim smetnjama. Znači, sad eksperimentatori izvedu jedan niz opita od recimo 150 dana (godišnji niz), i ne nađu nijedan događaj sa li-onom. Bacimo pogled na krivu i pratimo je pogledom do mesta na njoj gde piše da je trebalo da bude proizvedeno, recimo, deset događaja. To odgovara, na primer, masi od 40 GeV. Konzervativna procena kaže da se pola događaja moglo i prevideti. Znači, kriva linija nam kaže: kad bi masa li-ona bila 40 GeV, videli bismo bar pet događaja, što bi bio prilično slab, ali ipak nekakav uspeh. Međutim, nismo videli ništa. Zaključak: masa li-ona mora biti veća od 40 GeV.
     Šta bi bilo sledeće? Ako taj zamišljeni li-on, ili Higsova čestica, ili kvark vrh vrede da u njih dalje ulažemo pare i materijal, pred nama su tri moguće strategije za nastavak rada. Prvo, krenuti sa dužim nizovima, ali to je težak put. Drugo, postići veći broj sudara u sekundi - dakle, povećati luminoznost. Odlično! Upravo to Fermilab čini u devedesetim godinama, a cilj je da se luminoznost poveća otprilike stostruko. Pod uslovom da u sudare ulazi dovoljno energije (a 1,8 TeV je obilje energije), povećavanje luminoznosti će pomoći. Treća strategija jeste povećanje energije mašine, čime se povećava i verovatnoća da budu proizvedene sve teške čestice. To je put superkolajdera.
     Otkrićem W i Z, identifikovali smo ukupno šest kvarkova, šest leptona i dvanaest baždarskih bozona (čestica-glasnika). Postoji u standardnom modelu još nešto sa čime se dosad nismo suočili, ali pre nego što pređemo na tu tajnu, trebalo bi da se još malo zadržimo na nekim drugim stvarima. Pisati model tako da bude razdeljen u tri pokolenja, što sad radimo, daje bar neki utisak sređenosti. Ali mi zapažamo i neke druge obrasce. Svako sledeće pokolenje ima sve veću težinu, što je krupna stvar u našem hladnom svetu danas, ali ne bi bilo mnogo značajno u doba kad je svet bio mlad i veoma vruć. Sve čestice u veoma mladoj Vaseljeni imale su ogromne energije - milijarde i milijarde TeV, tako da neka mala razlika između mase mirovanja kvarka dno i kvarka vrh ne bi mnogo značila. Svi kvarkovi, leptoni i tako dalje imali su u to davno doba otprilike jednaku snagu, bili su ravnopravni. Iz nekog razloga, Boginji su svi bili potrebni i ona ih je sve volela. Zato i mi moramo sve njih da shvatimo ozbiljno.
     Podaci o Z0 u CERN-u nalažu još jedan zaključak: veoma je slaba verovatnoća da postoji četvrto ili peto pokolenje čestica. Šta kažete o takvom zaključku? Kako su mogli ti naučnici koji rade tamo u Švajcarskoj, gde snegom pokriveni planinski vrhovi, ledeno hladna duboka jezera i veličanstveni restorani mame pogled putnika namernika, doći to tako ograničavajućeg zaključka?
     Fino su mogli. Argumentacija ide ovako. Čestica Z0 ima mnogo mogućih načina da se raspadne, a što ih više ima, to joj je kraći životni vek. Pa i ljudski život je kraći ako haraju boleštine, ako je odasvud puno neprijatelja i opasnosti. Doduše, to je pomalo bolesna analogija. Kod čestice Z0, svaka pojedina mogućnost raspadanja otvara još jedan put do nestanka. Zbir svih tih mogućnosti određuje koliko dugo će čestica poživeti. Hajde da zapazimo da nemaju sve čestice Z0 istu masu. Kvantna teorija nam kaže da ako je jedna čestica nestabilna - a to znači: ako ne živi večno - onda i njena masa mora da bude do neke mere neodređena. Hajzenbergove relacije govore nam kako vek čestice utiče na njenu distribuciju mase: dug život značu uzanu, a kratak život veliku raširenost u raspodeli mase. Drugim rečima, što je kraći život jedne čestice, to će biti nejasnije određena njena masa, a raspon njenih mogućih iznosa (vrednosti) mase širi. Teoretičari će biti presrećni da nam daju formulu za ovu povezanost. Raširenost raspodele mase lako je izmeriti kad imaš na raspolaganju milione Z0 čestica i stotinak miliona švajcarskih franaka za izgradnju detektora.
     Ako namestimo energiju mašine tako da elektron i pozitron unose u svoj sudar znatno manje od prosečne mase Z0 koja iznosi 91,175 GeV, neće biti proizvedena nijedna Z0 čestica. Sad operater koji upravlja poslom kaže: pojačajte to malo. Pa još malo, i još, sve dok u detektorima ne počnemo da primećujemo pogdekoji Z0. Ako još pojačamo energiju sudara, i prinos željenih Z0 biće povećan. Tu, zapravo, ponavljamo onaj opit sa džej-psijem koji je izveden u SLAC-u, ali ovde je ustanovljena širina od čak 2,5 GeV. Naime, vrhunski prinos je na 91,175 GeV, a ako se energija snizi na 89,9 GeV ili poveća na 92,4 GeV, prinosi će opasti otprilike na polovinu. To je raspon od dva i po GeV tamo-amo. (Sećate se da je kod džej-psi čestice raspon mnogo uži: oko 0,05 MeV.) Zvonasta Gausova kriva normalne statističke distribucije daje nam širinu koja je u suštini ujedno i životni vek čestice Z0. Svaki pojedini mogući način da se Z0 raspadne oduzima toj čestici još oko 0,20 GeV života.
     Kakve veze to ima sa četvrtim pokolenjem? Zapažamo da sva tri pokolenja imaju svoje neutrine koji su vrlo malene mase ili sasvim bez mase. Ako postoji i četvrto pokolenje sa neutrinom vrlo malene mase, onda za česticu Z0 mora postojati, kao jedna mogućnost raspadanja, i raspad na par neutrino-antineutrino tog novog pokolenja, četvrtog, što bi se pisalo nx i nx. Ova mogućnost dodala bi širini masene raspodele čestice Z0 nekih 0,17 GeV. Iz ovog razloga, mi smo distribuciju mase Z0 proučili veoma pomno. I pokazalo se da je ona tačno, baš tačno ono što predviđa model u kome postoje samo tri pokolenja, a četvrto ne. Podaci o raširenosti Z0 takvi su da isključuju postojanje nekakvog neutrina niske mase četvrtog pokolenja. Sva četiri dosadašnja opita na LEP-u uklopila su se izvrsno i iz svih proističe čvrst zaključak da postoje samo tri para neutrina. Dakle, kažem još jednom: podaci dobijeni proizvodnjom Z0 isključuju mogućnost da postoji četvrto pokolenje čestica strukturisano jednako, sa nekim svojim neutrinom bez mase ili vrlo niske mase.
     Gle čuda, isto ovo su nekoliko godina pre nas rekli i kosmolozi. Oni su svoje zaključivanje zasnovali na načinu na koji su se neutroni i protoni povezali i obrazovali hemijske elemente tokom ranog razdoblja širenja i hlađenja Vaseljene posle Velikog praska. Koliko će se u tim trenucima proizvesti vodonika, a koliko helijuma, to zavisi (neću objašnjavati) od toga koliko vrsta neutrina postoji; podaci o izobilju vodonika i drugog u kosmosu nalažu da postoje samo tri vrste neutrina. Tako je ispalo da uz pomoć LEP-a prošlost Vaseljene biva bolje shvaćena.
     Eto, vidite, naš standardni model jeste, uistinu, maltene dovršen. Samo nam još kvark vrh nedostaje. Pa, dobro, nedostaje i tau neutrino, ali to, kao što smo videli, nije ni približno tako ozbiljno. Gravitaciju moramo da odložimo dok je teoretičari ne shvate bolje, ali, naravno, nedostaje i Higsova čestica, Božija čestica.

TRAGANJE ZA VRHOM

     Jedna TV emisija na kanalu 'NOVA', nazvana 'Trka prema vrhu', prikazana je godine 1990, kad su i CERN-ov proton-antiproton kolajder i Fermilabov CDF još radili. Naš CDF imao je prednost - bio je tri puta jači - naime, imao je tri puta višu energiju, 1,8 TeV u poređenju sa CERN-ovih 620 GeV. Cernovci su počeli da hlade svoje bakarne namotaje malo bolje, pa su zato uspeli da povećaju energiju i jednog i drugog svog zraka sa 270 GeV na 310 GeV. Upinjali su se da iscede i poslednju trunčicu snage iz svoje mašine da bi ostali u trci. Pa ipak, ostali su triput slabiji... a taj 'činilac tri' veoma boli. Na strani CERN-a bile su i neke prednosti, devet godina duže iskustvo, razvijen softver, uhodanost u analizi podataka. Oni su i preuredili svoj izvor antiprotona, koristeći zamisli koje je objavio Fermilab. Zbog svega toga postizali su nešto malo više sudara nego mi. Tokom školske 1989-90. godine, detektor UA-1 povučen je u 'penziju'. Novi generalni direktor CERN-a bio je sad Karlo Rubija, a on je okrenuo pogled ka budućnosti svoje laboratorije; zadatak traganja za kvarkom vrh prepustio je detektoru UA-2. Usputni cilj bio je da se masa W čestica izmeri tačnije, jer ona je jedan od ključnih parametara standardnog modela.
     Pomenuta televizijska emisija odradila je svoje i poslata je na spavanje, a ni fermijevci ni cernovci još nisu pronašli ni najmanji trag kvarka vrh. U stvari, kad je emitovanje emisije počelo, 'trka' je već bila završena, jer se CERN uveliko spremao da ispadne iz nje. I jedna i druga grupa istraživača tumačila je svoj neuspeh (odsustvo signala) masom neuhvaćene čestice. Kao što smo videli, kad jednu česticu ne uspevaš nikako da nađeš, to ti govori nešto o njenoj masi. Teoretičari su već znali sve o mogućoj proizvodnji kvarka vrh i o nekim 'kanalima' njegovog raspada, sve osim njegove mase. A verovatnoća da će biti proizveden zavisi, presudno, baš od njegove mase. I Fermilab i CERN odredili su istu donju granicu: masa kvarka vrh mora biti veća od 60 GeV.
     Fermilab je 'trku' nastavio sam i malo-pomalo snaga naše mašine počela je da donosi plodove. Naš niz opita potrajao je još jedanaest meseci; za to vreme videli smo više od sto milijardi (1011) sudara - a nijedan kvark vrh. Sad je naša analiza dala novu donju granicu: masa tog kvarka ne može biti manja od 91 GeV. To znači da bi kvark vrh morao biti bar osamnaest puta teži od kvarka dno. Ovaj iznenađujući rezultat uznemirio je mnoge teoretičare koji su radili na objedinjenim teorijama, naročito one koji su se usmerili na elektroslabu silu. Jer, u tim modelima kvark vrh trebalo bi da ima mnogo manju masu; upravo zato su ga neki teoretičati posmatrali sa posebnim zanimanjem. Čak i sam koncept mase nekako je spojen sa Higsovom česticom. Da li ova velika težina kvarka vrh predstavlja ključ za nešto? Dok ne pronađemo kvark vrh, dok ne izmerimo njegovu masu i, sve u svemu, dok ga ne preslišamo do besvesti i nazad, nećemo znati.
     Teoretičari su se vratili proračunima. Standardni model, zapravo, još nije bio narušen, nimalo. On u sebe može da primi kvark vrh koji bi bio težak čak i 250 GeV, smatrali su teoretičari, ali išta teže od toga značilo bi da postoji neka greška u samim temeljima standardnog modela. Eksperimentatori su tek sad rešili, čvršće nego ikad, da se bace u juriš ka kvarku vrh. Ali taj ima masu veću od 91 GeV; prema tome, CERN nije u igri. Mašine sa e+ i e- imaju premalenu energiju - dakle - ništa od njih. I tako ostade na celome svetu Fermilab sam, jedini koji ima priliku da napravi kvark vrh. Samo treba bar petostruko, pa ako je moguće i pedesetostruko, povećati broj sudara. To je izazov za devedesete godine.

STANDARDNI MODEL, KLIMAVA PLATFORMA

     Imam slajd sa slikom, meni vrlo dragom, na kojoj se vidi božanstvo odeveno u belu togu i sa oreolom iznad glave. Božanstvo stoji i gleda mašinu na kojoj piše: 'Mašina za proizvodnju vaseljena'. Na mašini postoji dvadeset poluga, svaka napravljena tako da je moguće pomeriti je do nekog određenog broja; tu je i jedno dugme na kome piše: 'Pritisni da dobiješ vaseljenu'. (Tu zamisao sam dobio od nekog studenta koji je iznad mašine za sušenje ruku u WC-u okačio natpis: 'Pritisni da dobiješ poruku od dekana'.) Zamisao je da onaj ko hoće da napravi jedan kosmos mora prvo da odredi nekih dvadesetak brojeva. Koji su to brojevi (ili parametri, kako se to kaže u svetu fizike)? Pa, evo, treba nam dvanaest brojeva da bismo precizirali mase kvarkova i leptona. Zatim tri broja koji će specifikovati snagu triju sila. Četvrta sila, gravitacija, nije stvarno deo standardnog modela, barem ne za sad.) Potrebni su nam neki brojevi i da bismo pokazali u kakvim je vezama jedna sila sa drugom. Onda jedan broj za način na koji narušavanje CP-simetrije ulazi u ovo, kao i jedan broj za masu Higsove čestice, i tako to... još poneko zgodno brojčano određenje.
     Ako imamo tih dvadesetak osnovnih brojeva, sve ostale parametre možemo izvesti iz njih - na primer, onu dvojku u zakonu o obrnutoj srazmernosti kvadratu rastojanja, masu protona, veličinu vodonikovog atoma, strukturu H2O i dvostruke heliks-spirale (DNK), temperaturu na kojoj će se voda zamrzavati, kao i bruto-proizvod albanske privrede u godini 1995. Većinu tih izvedenih brojeva ja ne bih umeo da izračunam, ne bih znao ni kako da počnem, ali imamo ogromne računare, pa...
     Težnja ka jednostavnosti nagoni nas da veoma ironično posmatramo potrebu da se odredi dvadeset parametara. Nijedan Bog koji drži do svog ugleda ne bi tako organizovao mašinu za pravljenje Vaseljena. Trebalo bi da mu je dovoljan jedan parametar, možda dva. Alternativni način da ovo isto kažemo bio bi sledeći: naše iskustvo sa prirodnim svetom navodi nas da očekujemo elegantniju organizaciju. Eto šta je, kao što smo se već požalili, stvarni problem kod našeg standardnog modela. Naravno da je pred nama još ogroman posao koji treba dovršiti da bi se parametri ustanovili tačno. Ali ne valja nam estetika: šest kvarkova, šest leptona, dvanaest baždarskih čestica koje prenose silu, a kvarkovi u tri razne boje, pa onda još i antičestice. I povrh svega sila teže koja tek čeka da stupi na pozornicu. Gde je Tales, sad kad nam je potreban?
     A zašto je gravitacija izostavljena? Zato što još niko nije uspeo da prisili gravitaciju - dakle, opštu teoriju relativnosti - da se podvrgne kvantnoj teoriji. Ova tema, kvantna gravitacija, jeste jedno od graničnih područja na kojima se radi u naučnom istraživanju u devedesetim godinama. Da bismo opisali Vaseljenu u njenim sadašnjim velikim razmerama, kvantna teorija nije nam ni potrebna. Ali u jedno davno, staro vreme, cela Vaseljena bila je malena, ne veća od jednog današnjeg atoma - štaviše, i mnogo manja. Izuzetno slaba sila gravitacije bila je pojačana ogromnom energijom čestica od kojih su kasnije nastale sve planete, sve zvezde, sve ove milijarde galaksija sa milijardama zvezda u svakoj; sva ta masa bila je zbijena u nešto što je 'čiodina glava čiodine glave', nešto majušno u poređenju čak i sa jednim atomom. Zakoni kvantne fizike morali bi važiti i tu, u toj praiskonskoj gravitacionoj oluji, a mi ne znamo kako da to izvedemo! Među teoretičarima danas vlada uverenje da je središnji problem sveukupne savremene fizike upravo taj: kako sklopiti brak između opšte relativnosti i kvantne teorije. Teorijski napori koji se čine duž tih linija dobili su nazive 'supergravitacija', ili 'supersimetrija', ili 'superstrune', ili čak 'teorija svega' ('Theory of Everything' - TOE).
     Ovde imamo egzotičnu matematiku pred kojom se upliću u čvor obrve čak i najboljih matematičara na ovome svetu. Priča se tu o deset dimenzija: o devet prostornih i o jednoj vremenskoj. Živimo u četiri dimenzije: tri su prostorne (istok-zapad, sever-jug i gore-dole), a vremenska je samo jedna. U svojoj intuiciji ne možemo nikako da doživimo više od tri prostorne dimenzije. "Nema problema", kažu nam. Onih dodatnih šest dimenzija je navodno 'sabijeno', one su svijene i smotane u nešto nezamislivo maleno, tako da se ne primećuju u svetu koji je nama poznat.
     Današnji teoretičari imaju jedan hrabar cilj: tragaju za teorijom koja će opisati devičansku jednostavnost u vrlo žestokoj vrelini vrlo rane Vaseljene, za teorijom koja neće da ima nijedan parametar. Sve mora da proistekne iz jedne, osnovne jednačine; svi parametri moraju da se rode iz te teorije. Problem je u tome što jedina teorija koja je, za sada, kandidat za tu ulogu nema nikakve veze sa svetom koji možemo da posmatramo; ili, barem, još nema. Ta teorija raspolaže samo jednim vrlo kratkim trenutkom u kome je bila primenljiva. Bilo je to u imaginarnom području za koje stručnjaci imaju naziv 'Plankova masa'; u tom vilajetu, sve čestice u Vaseljeni imale su energije milion milijardi puta veće od onoga što bismo mogli da domašimo pomoću superkolajdera. Koliko je bio kratak taj trenutak uzvišene slave? Bio je to milijarditi deo milijarditog dela milijarditog dela sekunde. Ubrzo posle toga, teorija postaje zbrkana - mogućnosti ima previše, ne postoji nikakva vidljiva putanja koja bi značila da na osnovu nečega može biti predskazan nastanak nas, ljudi, i planeta, i galaksija.
     Sredinom osamdesetih godina TOE je bila fantastično privlačna za mlade fizičare naklonjene teoriji. Rizik je bio veliki da će uložiti duge godine rada, a da će rezultat biti možda vrlo malen ili nikakav; pa ipak su krenuli za svojim vođama (kao leminzi, rekao bi neko) prema Plankovoj masi. Mi koji smo ostali kod kuće, u Fermilabu i CERN-u, nismo od njih dobili nijednu razglednicu, nijedan telegram. Posle nekog vremena počelo je da se širi razočaranje. Neki od najzvezdanijih boraca za TOE najzad su rekli "Dosta!" i odustali. Zatim su se iz pravca Plankove mase počeli vraćati puni autobusi osujećenih teoretičara u potrazi za nečim stvarnim što bi moglo da se izračuna. Nije ta pustolovina još okončana, ali jeste usporena, sad se odvija smirenije; za to vreme ljudi pokušavaju da napreduju drugim, tradicionalnijim putevima ka objedinjenju.
     Ti popularniji drumovi ka potpunom, vrhunskom načelu imaju otmene, moderne nazive. Nabrojaću samo nekoliko: grandiozno ujedinjenje, supersimetrija, tehnikolor. Svi pate od istog problema: nemaju podatke! Svejedno, zakuvali su gustu čorbu od predviđanja. Supersimetrija, za koju je, iz milošte, smišljen i nadimak 'Suzi', i koja je danas verovatno najpopularnija (pobedila bi kad bi teoretičari glasali, ali oni to ne čine), predskazuje ni manje ni više nego udvostručenje sada poznatog broja čestica. Kao što sam objasnio, kvarkovi i leptoni, za koje se zajedno kaže da su fermioni, svi imaju pola jedinice spina, dok čestice-prenosioci, zbirno nazvane 'bozoni', sve imaju po jednu celu jedinicu spina. Kod Suzi je ova asimetrija ispravljena ovako: tvrdi se da svaki bozon ima svog fermionskog partnera i svaki fermion svog bozonskog partnera. A što su lepe nazive dobile te čestice! Prelepe. Supersimetrični ortak elektrona zvao bi se 'selektron', a partneri svih leptona imali bi zbirni naziv 'sleptoni'. Drugari naših kvarkova zvali bi se 'skvarkovi'. Svaki bozon, imajući spin 1, dobio bi partnera sa spinom 1/2 i sa nazivom koji bi se pravio dodavanjem sufiksa 'ino' - na primer, partner gluona bio bi 'gluino', fotona 'fotino', čestice W 'vino', a uz Z bi došao 'zino'. Sve je to baš slađano, ali šarmantna privlačnost ne čini teoriju. Ipak, popularno je.
     Traganje za skvarkovima i vinoima će se nastaviti na Tevatronu koji će tokom devedesetih godina postepeno pojačavati svoju moć, a počeće i na onim mašinama koje će od 2000. godine proraditi. Superkolajder, koji se gradi u Teksasu, omogućiće istraživanje 'masenog područja' sve do, približno, 2 TeV. Definicija šta je to 'maseno područje' vrlo je labava i zavisi od pojedinosti reakcije u kojoj se neka nova čestica stvara. Međutim, jedan znak moći superkolajdera jeste i to što, ako u toj mašini ne bude nađena nijedna čestica Suzi, većina zastupnika teorije Suzi pristaje da napusti tu teoriju, i to na svečanosti na kojoj će svi oni javno polomiti sve svoje drvene olovke.
     Ali superprovodni superkolajder (SSC) ima i jedan neposredniji cilj, a to je da ulovi plen koji je mnogo hitniji i bitniji od svih skvarkova i sleptona. Standardni model, kao sažetak svega što znamo, ima dva glavna nedostatka, i to jedan estetski, a drugi konkretan. Naše estetsko čulo kaže nam da ima previše čestica, previše sila. Što je još gore, mnoge čestice (i to kvarkovi i leptoni) razlikuju se između sebe isključivo po svojim masama, koje kao da su im sasvim nasumce 'date'. Čak se i sile između sebe razlikuju uglavnom zbog različitih masa koje su 'pripisane' česticama-nosiocima. Onaj konkretni problem jeste problem neusaglašenosti. Uzmemo naše teorije o poljima sila, teorije koje se upečatljivo slažu sa svim podacima, i zatražimo od njih da predvide kakvi će biti rezultati opita koje tek treba izvesti, na vrlo visokim energijama; i šta dobijemo? Dobijemo gomilu besmislica, koje fizika ne može prihvatiti. I jedan i drugi problem mogu biti bolje osvetljeni, a možda i razrešeni, ako postoji jedan predmet, i jedna sila, koje bismo mogli obazrivo da ugradimo u standardni model. Taj predmet i ta sila imaju isti naziv: Higs.

I KONAČNO...

     Svi vidljivi predmeti, i čovek, samo su kao kartonske maske. Ali u svim događajima... neka sila razumna, a nepoznata, iza maske nerazumne, oblikuje masku, crte joj daje. Ako ćeš udariti kao čovek, udri kroz masku!

     Kapetan Ahab

     Jedan od najfinijih romana u američkoj književnosti jeste Mobi Dik Hermana Melvila (Herman Melville). To je takođe jedan od romana najviše razočaravajućih - bar za glavnog junaka, kapetana Ahaba. Stotinama stranica slušamo kako se Ahab upinje da harpunom probode velikog okeanskog sisara po imenu Mobi Dik. Ahab je besan, smatra da je zeznut. Taj kit mu je odgrizao nogu. Ahab hoće osvetu. Neki kritičari nagoveštavaju da je u tom ugrizu kita Ahab izgubio i još nešto uz nogu; to bi kudikamo bolje objasnilo zašto on baš toliko mrzi Mobija Dika. Svome pomoćniku, koji se zove Starbak, Ahab objašnjava da Mobi Dik nije samo kit, nego i nešto više. Mobi Dik je kartonska maska; Mobi Dik samo zastupa jednu silu prirode, a sa tom silom se Ahab mora suočiti. I tako, Ahab i njegova posada stotinama stranica jurcaju po okeanu, doživljavaju svakojake pustolovine i nevolje, usput ubijaju mnoge manje kitove različitih masa. Konačno, povik "Eno, duva!" Ugledaju velikog belog kita. Zatim se sve razreši u brzom sledu događaja: kit udavi Ahaba, pobije i sve ostale harpunere, i još im, za dobru meru, potopi lađu. Kraj priče. Ta priča ima tužan kraj. Možda je Ahab mogao da uspe da je imao veći harpun, ali nije mogao da ga nabavi zbog budžetskih ograničenja u devetnaestom veku. Hajde da se to ne dogodi nama. Mobi čestica je na domašaju harpuna.
     O našem standardnom modelu svakako moramo da postavimo ovo pitanje: da li je samo kartonska maska? Kako može jedna ista teorija da bude u punoj saglasnosti sa podacima prikupljenim na niskoj energiji, a da predviđa kojekakve gluposti za visoke energije? Odgovor je taj da je nešto izostavljeno iz teorije, neka nova pojava; ali pojava koja će, kad bude jednog dana ugrađena u našu teoriju, neznatno uticati na podatke koji se prikupljaju pri, recimo, Fermilabovim energijama, tako da saglasnost sa onim što je dosad opitno ustanovljeno neće biti pokvarena. Mogla bi to biti, na primer, neka nova čestica, ili promena u ponašanju neke sile. Ove postulisane nove pojave morale bi da dejstvuju zanemarljivo malo pri niskim energijama, ali vrlo jako pri energijama superkolajdera. Kad u jednoj teoriji nedostaju takve odrednice (jer ih još ne znamo), onda teorija, dabome, daje matematički neprimerene rezultate za visoke energije.
     Ovo donekle liči na njutnovsku fiziku, koja radi izvrsno za obične pojave, ali kaže da bilo koji predmet možemo da ubrzavamo i ubrzavamo do beskonačno velikih brzina; ova slabo verovatna posledica pada i biva zauvek onemogućena čim se u Njutnovu teoriju ugradi Ajnštajnova posebna teorija relativnosti. Relativnost ima nemerljivo mali uticaj na ponašanje puščanih metaka i lansiranih raketa. Ali kad se neki predmet počne ozbiljno da se bliži brzini svetlosti, pojavljuje se jedno novo dejstvo: masa tog brzog i sve bržeg predmeta povećava se. Beskonačna brzina je nedostupna. Desilo se, eto, da se posebna teorija relativnosti stapa sa njutnovskim rezultatima pri brzinama koje su u odnosu na brzinu svetlosti vrlo skromne. Slabost ovog primera sastoji se u tome što koncept beskonačne brzine, iako je možda uznemiravao neke njutnovce, nije ni približno onako traumatičan kao ono što se nama dogodi kad pokušamo da primenimo standardni model na visoke energije. Vratićemo se ovom razmatranju uskoro.

KRIZA MASE

     Nagoveštavao sam da bi svrha Higsove čestice mogla biti da daje masu česticama koje masu nemaju, i time da prikriva istinsku simetriju sveta. Ovo je jedna nova, bizarna zamisao. Dosad je, kao što smo videli u našoj mitskoj istoriji, jednostavnost pronalažena tako što su ispod izvesnih struktura otkrivane druge, niže - dakle, supstrukture. To je u skladu sa Demokritovom idejom o atomosu. Tako smo mi putovali od molekula do hemijskog atoma, odatle do jezgra, pa do protona i neutrona (i njihove mnogobrojne grčke rodbine), i najzad do kvarkova. Istorija bi nas navela na očekivanje da ćemo sad pronaći u kvarkovima neke male momke; ovo se i te kako može još dogoditi. Ali mi ne verujemo stvarno da će na taj način biti dostignuta dugo očekivana potpuna teorija sveta. Možda stvar više liči na spravicu koju sam ranije pominjao, kaleidoskop, u kome nekoliko ogledala dobacuje svetlost tamo-amo na takav način da nekoliko komadića obojenog stakla dobije privid složenih pravilnih šara. Konačni smisao postojanja Higsa (ovo više nije nauka, ovo je sad filozofija) mogao bi biti da stvori jedan zabavniji, složeniji svet, u skladu sa kitolovačkom alegorijom koju sam dao kao moto ovom potpoglavlju.
     Ta nova zamisao kaže da sav prostor sadrži u sebi jedno polje, Higsovo polje, koje prožima sav vakuum i koje je prisutno svuda. Ovo znači da kad u vedroj noći podigneš pogled ka zvezdama, vidiš ih kroz Higsovo polje. Čestice pod dejstvom tog polja dobijaju masu. Ovo samo po sebi ne bi bilo ništa naročito zato što čestice već dobijaju energiju od (baždarskih) polja koja smo pominjali - naime, od gravitacionog ili elektromagnetnog. Na primer, ako uzmeš jedan blok olova i izneseš ga na vrh Ajfelove kule, taj komad materijala stiče potencijalnu energiju zato što je promenio mesto u Zemljinom gravitacionom polju. Pošto je E = mc2, ovo povećanje potencijalne energije ravno je povećanju mase, u ovom slučaju mase sistema olovni blok-Zemlja. Ovde moramo nežno da pridodamo jednu malu složenost Ajnštajnovoj staroj, sedoj jednačini. Ta masa, m, sastoji se, zapravo, iz dva dela. Jedno je masa mirovanja, m0, ona koju merimo u laboratoriji kad neka čestica miruje. Drugi deo mase je onaj koji čestica 'stiče' svojim kretanjem (recimo, protoni u našem Tevatronu) ili svojom potencijalnom energijom u nekom polju. Sličnu dinamiku vidimo kod atomskih jezgara. Na primer, ako počneš da razdvajaš proton i neutron koji sačinjavaju jedno jezgro deuterijuma, zbir njihovih masa počne da se povećava.
     Ali potencijalna energija izvedena iz Higsa razlikuje se na nekoliko načina od delovanja onih polja koja su nam bolje znana. Masa koju Higs daje upravo je masa mirovanja. Zapravo, u jednoj verziji (možda najizazovnijoj) Higsove teorije, svu masu stvara Higsovo polje. Druga razlika sastoji se u tome što razne čestice usisaju, upiju u sebe, različite količine mase. Teoretičari kažu da mase čestica u našem standardnom modelu jesu mera koliko su jako te čestice spojene sa Higsovim poljem.
     Higsov uticaj na mase kvarkova i leptona podseća nas na otkriće Pitera Zemana (Pieter Zeeman) iz 1896. godine; tada je on otkrio da energetski nivo jednog elektrona u jednom atomu može biti 'rascepljen' na više nivoa kad se na taj atom primeni magnetno polje. To polje (koje ovde igra Higsovu ulogu) razbije simetriju prostora u kojoj je elektron dotad uživao. Na primer, pod uticajem magneta jedan energetski nivo rascepi se na tri nivoa: nivo A dobija energiju od tog magnetnog polja, nivo B gubi energiju, a nivo C se uopšte ne izmeni. Naravno, danas u potpunosti razumemo kako se to dešava. To je jednostavan kvantni elektromagnetizam.
     Zasad pojma nemamo kakva pravila kontrolišu higsovsko uvećanje mase. Ali gricka nas pitanje: zašto samo te mase - mase W+, W- i Z0, šest kvarkova (gore, dole, šarma, čudnog, vrha i dna) i leptona - mase kod kojih se ne primećuje nikakav pravilan međusobni odnos, obrazac? To su mase u rasponu od elektronove, koja iznosi samo 0,0005 GeV, do mase kvarka vrh, koja bi morala biti veća od 91 GeV. Treba da se prisetimo da je ova bizarna zamisao - Higsova - upotrebljena sa velikim uspehom u formulisanju elektroslabe teorije. Tu je, naime, Higsovo polje bilo predloženo kao ono koje prikriva jedinstvo elektromagnetne i slabe sile. U jedinstvu, postoje četiri čestice-prenosioca bez mase - W+, W-, Z0 i foton - i sve one prenose elektroslabu silu. Nailazi Higsovo polje i, gle čuda, obe W i Z upijaju u sebe esenciju Higsa i postaju teške; a foton ostaje nedirnut. Zato se elektroslaba razlomi na slabu (koja i mora biti slaba kad su joj nosioci tako debeli) i elektromagnetnu, čije odlike određuje foton, koji masu nema. Ova simetrija slomila se spontano, kažu teoretičari. Meni se više dopada opis koji kaže da Higs, pomoću svoje sposobnosti pridavanja mase, prikriva simetriju. Mase obe W čestice i Z čestice uspešno su predskazane, izvedene iz parametara elektroslabe teorije. Osim toga, nehajni osmesi teoretičara podsećaju nas na to da su t'Huft i Veltman ustanovili da u elektroslaboj teoriji nema onih beskonačnosti.
     Ja se toliko zadržavam na ovom pitanju mase između ostalog i zato što me je ono pratilo tokom celog mog profesionalnog života. U četrdesetim godinama ovog veka činilo se da je pitanje jasno fokusirano. Imali smo dve čestice koje su odlično simbolizovale zagonetku mase: elektron i muon. Izgledalo je da su istovetne u svakom pogledu, osim što je muon dvesta puta teži od svog perolakog srodnika. Činjenica da su to leptoni, koji prenebregavaju jaku silu, činila je ovu stvar još izazovnijom. Mene je taj problem opsedao, i zato je muon bio moj najomiljeniji predmet proučavanja. Cilj je bio naći još neku razliku (osim mase) između elektrona i muona, možda neku razliku u njihovom ponašanju koja bi dala ključ za shvatanje mehanizma koji je doveo do njihove različitosti u masi.
     Dešava se da neki elektron uleti u neko jezgro i tu ostane zarobljen, a posledica je da izleti jedan neutrino, a jezgro da odskoči unazad pod udarom elektrona. Može li i muon ovo? Izmerimo mi proces ovakvog hvatanja muona - i, gle, ista stvar! Pa onda: visokoenergetski zrak elektrona rasipa protone. (Ova reakcija je proučavana na Stenfordu.) Izmerimo istu reakciju u Brukhejvenu sa muonima. Pokazala se neka mala razlika koja nas je godinama vukla za nos i od koje na kraju nije bilo ništa. Čak smo otkrili da elektron i muon imaju različite neutrinske partnere. U ovoj knjizi je već bilo govora o supertačnom opitu g minus 2, u kome je magnetizam muona meren i poređen sa magnetizmom elektrona. Izuzev dejstva dodatne muonove mase, nađosmo da je magnetizam sasvim jednak.
     Svi napori da se pronađe neki nagoveštaj o poreklu mase propali su. Negde usput Fajnmen je zapisao svoje čuveno pitanje: "Zašto muon teži?" Sad imamo makar i delimičan odgovor. Jedan stentorski moćan glas viče nam: "Zbog Higsa!" Već pedeset i više godina iščuđavamo se otkud masa, a sad nam Higsovo polje izlaže to isto pitanje u novom kontekstu: nije reč više samo o muonu. Higsovo polje daje nam, ako ništa drugo, ono bar zajednički izvor svake mase i svih masa. Novo fajnmenovsko pitanje glasilo bi: kako Higsovo polje određuje ovu prividno nesređenu množinu svakojakih masa koje se pojavljuju kod materijalnih čestica?
     Promena mase sa promenama kretanja tela, zatim promena mase pri raznim konfiguracijama sistema i, najzad, činjenica da neke čestice (foton svakako, a neutrino možda) imaju nultu masu mirovanja - to su tri stvari koje bacaju sumnju na uverenje da je masa osnovna odlika materije. A ne smemo baš sasvim zaboraviti ni ona izračunavanja mase koja su dala beskonačno velike rezultate; mi to nikada nismo rešili, samo smo sklonili i zabašurili pomoću 'renormalizacije'. Imajući u vidu ovu pozadinu, suočavamo se sa problemom kvarkova, leptona i prenosilaca sile - dakle, čestica koje se međusobno razlikuju po svojim masama. Zato naša priča o Higsu postaje branjiva - priča da masa nije unutrašnja odlika čestica samih, nego da je odlika koja se rađa iz međudelovanja čestice i njene okoline. Naelektrisanje je unutrašnja odlika čestice same, a i spin je to; pomisao da masa to nije postaje nam još verovatnija kad zamislimo idiličnu sliku po kojoj je masa svih kvarkova i svih leptona jednaka nuli. Ako bi tako bilo, oni bi imali jednu zadovoljavajuću simetriju, hiralnu, u kojoj bi njihovi spinovi bili za večita vremena spojeni sa njihovim pravcem kretanja. Ali ovu idilu prikriva fenomen Higs.
     Ah, da, još nešto. Govorili smo o baždarskim bozonima i njihovom spinu 1; takođe o fermionima, koji su čestice materije i koji imaju spin 1/2. Koja rasa mačora je Higs? Bozon sa nultim spinom. Reč spin podrazumeva neku usmerenost u prostoru, dok, međutim, Higsovo polje daje masu predmetima na svim mestima, i to bez ikakvog usmeravanja. Zato se ponekad kaže da je Higs 'skalarni bozon'.

KRIZA JEDINSTVENOSTI

     Iako nas ovo polje veoma 'golica' tom svojom sposobnošću da daje masu, jedan od mojih omiljenih teoretičara, Tim Veltman, kaže da je to Higsova dužnost koja je daleko manje značajna od one glavne - naime, od dužnosti da se (ništa manje!) naš standardni model učini unutarnje doslednim. Jer, bez Higsa model pada na jednom jednostavnom testu unutarnje doslednosti.
     Evo kako. Puno smo pričali o sudarima. Hajde da uzmemo, recimo, sto čestica i pomoću njih gađamo određenu metu - na primer, parče gvožđa čija je površina jedan kvadratni centimetar. Teoretičar, čak i onaj skromnih sposobnosti, može da izračuna kolika je verovatnoća (sećate se, kvantna teorija nam dopušta samo da izračunavamo verovatnoće) da će se dogoditi rasipanje. Teorija može predvideti, recimo, verovatnoću od deset posto, što bi značilo da će se, od tih stotinu čestica ispaljenih na gvožđe, deset čestica razasuti. E, sad, mnoge teorije predviđaju da će verovatnoća rasipanja zavisiti od energije upotrebljenog zraka. Pri niskoj energiji, sve nama poznate teorije sila - jake, slabe i elektromagnetne - predskazuju verovatnoće koje su u skladu sa onim što smo opitima ustanovili. Međutim, kod slabe sile verovatnoća se pojačava sa energijom, tako da već pri nekoj osrednjoj energiji dostiže 40 posto. Ali kad teorija kaže da će verovatnoća rasipanja biti veća od 100 posto, onda, jasno, ta teorija više ne valja. Nešto je u njoj svakako pogrešno, jer verovatnoća veća od 100 posto je besmislica, značila bi, bukvalno, da se sa gvozdene površine rasipa više čestica nego što je ispaljeno. Kad se ovo desi, kažemo da je teorija pogazila jedinstvenost - naime, nadmašila je verovatnoću 1 (stopostotnu).
     U našoj istoriji, zagonetka se sastojala u tome što je teorija slabe sile bila u dobroj saglasnosti sa opitnim podacima pri niskoj energiji, ali je za visoke energije predviđala gluposti. Ova kriza otkrivena je u vreme kad je energija pri kojoj je nastupala ta katastrofa u predviđanju bila, još, izvan dohvata postojećih akceleratora. Ovaj neuspeh teorije nagovestio je da je nešto iz nje izostavljeno, neki novi proces ili možda neka nova čestica, i da bismo mogli, možda, kad bismo samo znali šta je to izostavljeno, da sprečio ovo povećanje verovatnoća do besmislenih procentnih vrednosti. Slabu silu je, to ste zapamtili, izmislio Fermi da bi nekako objasnio radioaktivni raspad jezgara. Takvi raspadi su u osnovi niskoenergetski događaji; Fermijeva teorija se razvila i počela veoma tačno da predviđa ogroman broj raznih procesa u energetskom rasponu do 100 MeV. Jedna od naših pobuda za opit sa dva neutrina bila je i ta da proverimo Fermijevu teoriju pri višim energijama, jer se očekivalo da će kriza jedinstvenosti nastupiti već oko 300 GeV. Naš opit, izveden na samo nekoliko GeV, potvrdio je da se teorija kreće prema krizi. Ispostavilo se da je ovo pokazatelj da su teoretičari izostavili iz teorije jednu W česticu mase približno 100 GeV. Prvobitna Fermijeva teorija, u kojoj nije bilo nikakvih W čestica, bila je matematički ravna upotrebi jednog beskonačno masivnog prenosioca sile, a 100 GeV je tako ogromno veće od energije upotrebljene u ranim opitima (ispod 100 MeV) da je i takva teorija radila dobro. Ali kad smo pitali tu teoriju šta će da urade neutrini od 100 GeV, morali smo da uračunamo i W česticu od 100 GeV da bismo izbegli krizu jedinstvenosti... ali to nije sve. Još nešto je potrebno.
     Pa, eto, ovaj pregled ranijih događaja služi naprosto kao pomoć da objasnimo da naš standardni model danas boluje od bolesti jedinstvenosti, i to u najvirulentnijem obliku. Katastrofa se sada dešava pri energijama od oko 1 TeV. Predmet koji bi omogućio da se ta katastrofa izbegne - kad bi postojao - jeste jedna neutralna teška čestica sa posebnim odlikama. Nazivamo je, pogodili ste, Higsova čestica. (Ranije smo govorili o Higsovom polju, ali vi pamtite da su i polja kvantna, a kvanti polja su čestice - jedan određeni niz čestica.) Mogao bi to biti isti onaj objekt koji dovodi do nastanka različitih masa, ili već neki sličan. Moguće je da postoji samo jedna Higsova čestica, ili porodica Higsovih čestica.

HIGSOVA KRIZA

     Na mnoga pitanja mogao bi se naći odgovor. Koje su osobine Higsovih čestica i, najvažnije od svega, kolika je njihova masa? Kako ćemo prepoznati Higsovu česticu ako je vidimo u nekom sudaru? Koliko tipova Higsove čestice postoji? Da li Higs stvara sve mase, ili samo do neke mere povećava mase? Kako da saznamo više o ovome? Pošto je to Njena čestica, možemo naprosto da čekamo, pa ako budemo vodili primeran život, saznaćemo kad se vaznesemo u Njeno carstvo. Druga nam je mogućnost da potrošimo osam milijardi dolara i sagradimo taj superkolajder u mestu Vaksahači u Teksasu, koje je predviđeno kao pogon za proizvodnju Higsovih čestica.
     I kosmologe očarava Higsova zamisao jer su se oni, manje-više, spotakli o potrebu da imaju i skalarna polja koja bi učestvovala u veoma složenom procesu širenja Vaseljene. Time su povećali teret koji Higs mora da nosi. O ovome će biti više reči u devetom poglavlju.
     Higsovo polje, kako ga sada zamišljamo, može biti uništeno visokim energijama (ili visokim temperaturama) zato što one dovode do kvantnih fluktuacija koje ga neutrališu. Prema tome, ujedinjena čestično-kosmološka slika rane Vaseljene, čista i zasenjujuće simetrična, prevruća je za Higsa. Ali čim temperatura spadne ispod 1015 stepeni Kelvina ili 100 GeV, Higs digne nos i uradi to svoje sa masom. Tako, na primer, pre Higsa imamo W i Z čestice i fotone bez mase, kao i objedinjenu elektroslabu silu. Vaseljena se širi i hladi i, gle, pojavljuje se Higs, W i Z se ugoje - ali Higs iz nekog razloga prenebregne fotone - a posledica toga jeste slom elektroslabe simetrije. Dobijemo zasebnu slabu silu, čiji prenosioci jesu masivne čestice W+, W- i Z0, kao i zasebnu elektromagnetnu silu koju prenose fotoni. Stvar dejstvuje kao da je za neke čestice Higsovo polje kao gusto ulje, kroz koje se te čestice protiskuju tromo, pa zato izgledaju kao da su masivne. Za neke druge čestice Higsovo polje je kao voda, one se kroz njega kreću lakše. A za neke čestice, kao što su fotoni i možda neutrini, Higsovo polje je nevidljivo.
     Trebalo bi, valjda, da dam jedan kratak pregled nastanka Higsove zamisli; malo sam se, dosad, ustručavao da pustim tu mačku iz vreće. Higsova zamisao još se naziva 'skrivena simetrija', odnosno 'spontano slamanje simetrije'. U fiziku čestica uveo ju je Piter Higs sa Univerziteta Edinburg. Onda su je upotrebili teoretičari Stiven Vajnberg i Abdus Salam, radeći nezavisno jedan od drugoga, i pomoću nje objasnili kako se to može jedna objedinjena i simetrična elektroslaba sila, koju prenosi srećna porodica sačinjena od četiri čestice-glasnika bez ikakve mase, preobratiti u dve veoma različite sile: u QED (kvantnu elektrodinamičku) sa fotonom koji ostaje bez mase, i u slabu silu koju prenose masivne čestice W+, W- i Z0. Vajnberg i Salam su gradili na ranijem radu Šeldona Glešoua, koji je, idući stopama Džulijana Švingera, naprosto znao da mora postojati jedna unutarnje dosledna, objedinjena elektroslaba teorija, ali nije baš složio sve pojedinosti u jednu celinu. Radili su na ovoj stvari i Džefri Goldstoun, Martinus Veltman i Žerar t'Huft. Bilo je i drugih i trebalo bi da ih pomenem, ali, eto, to vam je život. Uostalom, koliko teoretičara treba uključiti da bi proradila jedna sijalica?
     Drugi način da gledamo Higsa jeste iz perspektive simetrije. Pri visokim temperaturama simetrija se otkriva našem vidu - kraljevska simetrija, čista jednostavnost. Pri nižim temperaturama ona biva skršena. Vreme je da upotrebim još alegorija.
     Razmišljajte o jednom magnetu. Magnet je magnet zato što pri niskim temperaturama njegovi atomi, koji su magnetčići, ostaju postrojeni. Magnet ima jedan svoj poseban pravac, svoju osovinu sever-jug. Prema tome, propala mu je ona simetrija koju je imao dok je bio parče nemagnetnog gvožđa kod kojega su svi prostorni pravci jednako 'vredni'. Ovo možemo da 'popravimo'. Zagrevamo magnet sve dok se ne pretvori opet u nemagnetno gvožđe. Vrelina prinuđuje molekule na uzrujano kretanje tamo-amo, tako da magnetčići (atomi) napuste svoj paradni poredak i okrenu se kud koji. Eto nama čistije simetrije. Postoji još jedna metafora za ovo: meksikanski šešir. On je jedna simetrična kupola okružena simetričnim podvrnutim obodom. Stavite kliker na vrh kupole. Rotaciona simetrija savršena, stabilnosti nema. Kliker se skotrlja niz kupolu i zaustavi se u stabilnijem položaju (sa nižom energijom) negde na obodu, to jest u obodu šešira. I sad je simetrija upropašćena iako osnovna struktura ostaje simetrična.
     Evo i trećeg poređenja. Zamišljamo savršenu kuglu ispunjenu vodenom parom na vrlo visokoj temperaturi. Simetrija savršena. Ako dopustimo da se sistem hladi, posle nekog vremena imaćemo baru vode po kojoj će ploviti i nešto leda, a iznad toga ostaće ipak i malo zaostale vodene pare. Simetrija je sasvim upropašćena najjednostavnijim hlađenjem, koje je dopustilo da se ispolji dejstvo sile teže. Međutim, u raj simetrije ova kugla se ipak može vratiti tako što ćemo je, naprosto, zagrejati.
     Dakle: pre Higsa, simetrija i sve dosadno. Posle Higsa, složenost i uzbuđenje. Kad sledeći put dignete pogled ka noćnom nebu, trebalo bi da budete svesni da je sav prostor ispunjen tim tajnovitim Higsovim uticajem koji je, kaže nam teorija, doveo do sve ove složenosti sveta koji nam je poznat i koji volimo.
     Sad zamislite formule (puuuuh...) koje daju tačna predviđanja i potvrde odlika raznih čestica i sila izmerenih u Fermilabu i drugim laboratorijama u devedesetim godinama. Kad u te formule uguramo vrednosti za reakcije koje tek treba obaviti, pri mnogo višim energijama, dobijemo gomilu koještarija. Ali - aha! Ako uračunamo i Higsovo polje, time menjamo teoriju dovoljno da se dobiju razumni rezultati i pri 1 TeV. Higs spasava stvar, spasava nam standardni model i sve vrline njegove. Da li sve ovo dokazuje da je standardni model istina? Ma, ne. On je naprosto najbolje što su teoretičari u stanju da urade. Boginja je lukavija.