Ovo je peti nastavak serijala o Higsovom bozonu, prethodne delove možete naći među linkovima na dnu teksta. U prošlom nastavku spomenuo sam da fizičari tragaju za Higsovim bozonom tako što sudaraju masivne čestice pri visokim brzinama u nadi da će na taj način stvoriti talase u Higsovom polju, tj. Higsove bozone. U ovom tekstu će biti više reči o tome šta se zapravo dešava u LHC-u (i sličnim akceleratorima). Neki delovi teksta će vam u prvi mah možda delovati kao digresija ali obećavam da su bitni za nastavak priče.

Iznad sam napisao da se u akceleratorima sudaraju masivne čestice. Ali o kojim česticama se konkretno radi?
Odgovor leži u punom imenu LHC-a koje glasi Large Hadron Colider (veliki hadronski sudarač). Dakle, u pitanju su hadroni. A šta su to hadroni? Hadroni su kompozitne čestice koje se sastoje od kvarka, anti-kvarka i gluona. Najpoznatiji primeri hadrona jesu proton i neutron. Oni se najčešće i koriste u ovim sudarima. U trećem nastavku napisao sam da se proton, pored dva up kvarka i jednog down kvarka, sastoji i od zilion gluona (prenosioca jake nuklearne sile), ali sam, namerno, izostavio da se pored njih u protonu nalazi još i zilion kvark anti–kvark parova, koji međusobno reaguju stvarajući gluone, koji sa druge strane daju kvark anti–kvark parove. Kao što vidite unutrašnjost protona je veoma dinamična.

Uspori malo, reći će neko od vas, kakve su ti sad ovo anti–kvark zajebancije?! Pa to su ti one anti čestice iz kojih u star treku dobijaju čistu energiju, reći će neko drugi. To je samo delimično tačno, reći će treći, pustite čoveka da završi.

Hvala. Tačno je, anti–kvarkovi su anti–čestice. Svaka čestica u standardnom modelu ima svoju anti–česticu. Čestica se od svoje anti–čestice razlikuje jedino po naboju. Tako se, na primer, elektron od anti–elektrona (poznatog takođe, u izvesnim krugovima, i kao pozitron) razlikuje jedino u tome što imaju suprotne naboje, iste magnitude ( elektron ima naboj od -1e, pozitron od +1e). Anti–čestice nisu po ni po čemu misteriozne, dobro su poznate još od tridesetih godina prošlog veka i imaju veliku primenu kako u nauci tako i u tehnologiji (PET sken koji se koristi u medicini zapravo koristi pozitrone, otud i njegovo ime koje glasi Pozitronska Emisiona Tomografija). Elektično neutralne čestice su same svoje anti–čestice (fotoni, gluoni, i Z čestice spadaju u tu kategoriju). Prilikom sudara čestice i njene anti–čestice dolazi do anihilacije (uništavanja tih čestica), to je proces prilokm kog ne nastaje čista energija.

Čista energija je besmislen pojam u fizici. Energija nije neki zaseban entitet, već svojstvo koje čestica ima, isto kao što je i masa svojstvo koje čestica može da ima, ili kao što je, recimo, visina svojstvo koje telo može da ima. Pričati o čistoj energiji bi bilo kao pričati o čistoj masi, ili čistoj visini!

Ok, ok, smiri se, reći će dežurni među vama, šta se onda dešava prilikom anihilacije?

Prilikom anihilacije čestice i anti–čestice nastaju dve nove čestice, to mogu recimo da budu dva fotona. Energija kretanja (kinetička energija) novo stvorenih fotona je jednaka ukupnoj energiji čestice i anti–čestice, koja pored energije kretanja uključuje u sebe i tzv masenu energiju, tj. energiju koja je skladištena u masi, koja je data čuvenom Ajnštajnovom relacijom E = MC ^ 2*. Važi i obrnuto, sudarom dveju čestica bez mase mogu nastati dve nove čestice sa masom. Energija kretanja novo nastalih masenih čestica biće manja od energije kretanja nemasenih čestica, zbog toga što će se deo energije kretanja prevesti u masenu energiju. Drugim rečima ukupna energija ostaje konstantna i samo menja svoji vid (u gornjim primerima, dakle, prelazi iz energije kretanja u masenu energiju i obrnuto).

Slični procesi se dešavaju u protonu gde se kvark anti–kvark parovi sudaraju i stvaraju gluoni, koji potom međusobnim sudarima mogu da daju kvark anti–kvark parove. Ono što je, u kontekstu ove teme, bitno jeste da se slični procesi dešavaju i prilikom sudara protona.

Prema tome, fizičari u LHC-u ubrzavaju protone do brzina bliskim brzini svetlosti i sudaraju ih. Prilikom tih sudara kvrakovi, anti–kvarkovi i gluoni iz jednog protona reaguju sa kvarkovima anti kvarkovima i gluonima iz drugog protona i stvaraju Higsove bozone. Jedan primer bi bio sudar kvarka iz jednog protona i anti–kvarka iz drugog, tom prilikom se stvaraju Higsov bozon i W bozon (slično kao u iznad opisanim primerima anihilacije).

Drugi primer bi bio sudar dva gluona iz dva različita protona. Budući da su gluoni bez mase, oni ne interaguju sa Higsovim poljem, pa ne mogu direktno da stvore talase u njemu. Oni međutim međusobnim sudarom mogu da stvore disrupcijuu polju top kvarka, budući da sam njim snažno interaguju. Top kvark je, setićete se, najmasivnija otkrivena čestica, što znači da veoma snažno interaguje sa Higsovim poljem, pa se, prema tome, ta disrupcija iz polja top kvarka potom može preneti na ovo polje i tako stvori talase u njemu (setite se, iz prva dva članka, da su sve čestice zapravo talasi (kvanti) u njima korespodentnim poljima). Ovo naravno nisu jedini primeri (i dobrim delom su uprošćeni), ali da ne ulazimo u previše tehničkih detalja. Ono što je bitno jeste to da postoje teorijska predviđanja za svaki od ovih procesa, i na osnovu količine preklapanja eksperimentom dobijenih rezultata, sa onim rezultatima koje predviđa teorija može se zaključiti o kom tipu Higsovog polja se radi.

Glavni problem u svemu ovome je što Higsov bozon nije stabilan. Već se veoma brzo raspada, tako da se ne može detektovati direktno. O njegovom raspadu, i načinu njegove detekcije više u narednom nastavku.

*m u ovoj jednačini označava masu, ne materiju, kao što se često pogrešno tumači. Masa i materija nisu sinonimi. Materija je nešto (npr. čestica) masa je svojstvo koje nešto (npr. čestica) može da ima.