Bozon Higgsa

Nagroda Nobla z fizyki 2013 czyli cierpliwość jest cnotą

Kiedy panowie Robert Brout, Francois Englert i Peter Higgs w roku 1964 opublikowali swoje artykuły proponując rozwiązanie problemu nadawania masy w rodzącym się wówczas Modelu Standardowym, na pewno nie myśleli, że na eksperymentalne potwierdzenie ich pomysłów przyjdzie czekać aż pół wieku. W tym roku, Królewska Szwedzka Akademia Nauk przyznała nagrodę Nobla Peterowi Higgsowi i Francois Englertowi za ich teorie. Robert Brout, niestety nie doczekał tego wydarzenia. Zmarł w maju 2011 roku w wieku 83 lat jeszcze przed ostatecznym potwierdzeniem eksperymentalnym swoich idei, w lipcu 2012 roku.

Model Standardowy to zespół teorii opisujących wszystko co wiemy o najmniejszych cegiełkach budujących materię i wiążących je oddziaływaniach: elektromagnetycznym odpowiedzialnym za tworzenie atomów i cząsteczek, silnym odpowiedzialnym za tworzenie jąder atomowych i słabym odpowiadającym np. za promieniotwórczość. Model Standardowy uwzględnia wiele zjawisk zachodzących w świecie kwantów jednak z całą pewnością nie jest teorią ostateczną. Nie uwzględnia przecież istnienia grawitacji ani – wciąż hipotetycznych – cząstek ciemnej materii, która wydaje się wpływać na ruchy galaktyk. Nie wyjaśnia także, dlaczego wkrótce po Wielkim Wybuchu materia, wypełniająca go dokładnie taką samą liczbą cząstek i antycząstek, w całości nie anihilowała.

Mimo swoich wad, Model Standardowy okazał się precyzyjnym, potwierdzonym doświadczalnie, sposobem opisu zjawisk zachodzących na poziomie cząstek elementarnych. Jednak jego wczesne wersje miały jeden fundamentalny mankament – występujące w nim cząstki elementarne musiały być pozbawione masy! Teoria ta w rażący sposób nie zgadzała się z rzeczywistością i należało z nią koniecznie coś zrobić. I właśnie Robert Brout oraz dwójka tegorocznych noblistów, Francois Englert i Peter Higgs, zauważyło, że problemy mogą zniknąć, gdy w Modelu Standardowym uwzględni się obecność jeszcze jednego pola kwantowego, nazwanego później polem Higgsa. Pole to nie tylko musiało wypełniać cały Wszechświat, w tym próżnię, ale potencjał związany z tym polem nie mógł w próżni przyjmować wartości zero. Oznaczało to, że w każdym punkcie przestrzeni powinien istnieć pewien stały wkład do gęstości energii, pochodzący od pola Higgsa. Cząstki elementarne nabierałyby masy wskutek oddziaływania z polem Higgsa. W uproszczeniu można wyobrazić sobie, że niektóre cząstki doznają ze strony tego pola większego lub mniejszego oporu. Opór ten powoduje większą lub mniejszą bezwładność, a tym samym sprawia, że niektóre cząstki łatwo jest rozpędzić - są lżejsze, a inne trudno - czyli są cięższe.

W Modelu Standardowym wzbudzenia pól kwantowych są obserwowane jako cząstki, więc i z nowym polem musiała być związana pewna cząstka elementarna, cząstka Higgsa. Z postulatem jej istnienia związana jest zabawna historia. Kiedy we wrześniu 1964 roku Higgs wysłał dwa, dwu-stronicowe artykuły do publikacji, czasopismo Physics Letters zaakceptowało pierwszy z nich a drugi odrzuciło. Yoichiro Nambu (nagroda Nobla 2008), recenzent drugiego artykułu, zasugerował opisanie fizycznych implikacjach zaproponowanego pola. Wtedy Peter Higgs dodał do swojego artykułu paragraf, mówiący o nowej cząstce, która powinna istnieć jako wzbudzenie pola. Wtedy po raz pierwszy pojawiła się idea nowej cząstki, nazwanej potem cząstką Higgsa.

Pozostał tylko „drobiazg”: należało tę cząstkę odkryć. 

Czwartego lipca 2012 roku, dwa duże eksperymenty Wielkiego Zderzacza Hadronów, ATLAS i CMS, ogłosiły światu, że "widzą" masywną, nieznaną dotąd cząstkę. Nie mówiono jeszcze wtedy, że jest to cząstka Higgsa. Zostało to ogłoszone dopiero w marcu 2013 roku, kiedy eksperymenty przeanalizowały mniej więcej dwa i pół raza więcej danych, niż było użytych do jej odkrycia. To bardzo spektakularny przykład na to, ile potrafi zdziałać człowiek, żeby odpowiedzieć sobie na podstawowe pytania. Przez 50 lat od przedstawienia teorii budowano kolejne eksperymenty i doskonalono metody badawcze, żeby móc zweryfikować jej przewidywania.

Chociaż prace Francoisa Englerta i Petera Higgsa dotyczyły teorii, Nagroda Nobla została im przyznana dopiero teraz, kiedy eksperymenty ATLAS i CMS w CERN pokazały, że cząstka Higgsa naprawdę istnieje. Tej nagrody by nie było, gdyby nie to właśnie odkrycie. A w tym odkryciu uczestniczyli także polscy fizycy.

dr hab. Anna Kaczmarska

Polski wkład do eksperymentu ATLAS

Krakowskie grupy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH oraz Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ wchodzą w skład eksperymentu ATLAS na Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN, jednego z dwóch wielkich eksperymentów które wspólnie ogłosiły obserwację bozonu Higgsa, a tym samym potwierdziły eksperymentalnie istnienie postulowanej na gruncie czysto teoretycznym cząstki elementarnej. 

Grupy krakowskie są związane z eksperymentem ATLAS od samego jego początku, poprzez opracowanie szczegółowego programu fizycznego, proces projektowy, konstrukcję, uruchamianie, aż po finalną analizę zebranych danych.

Naukowcy z Krakowa byli aktywnie zaangażowani  w opracowanie algorytmów poszukiwania bozonu Higgsa oraz opracowali pakiet szybkiej symulacji detektora ATLAS, który umożliwił skuteczne wyłanianie najbardziej efektywnych metod, tudzież  optymalizację projektu samego detektora. Jedną z krakowskich specjalności była i pozostaje fizyka ciężkiego leptonu tau. To tutaj opracowano metody rekonstrukcji i identyfikacji tej cząstki oraz dokonano pierwszego pomiaru przekroju czynnego na produkcje par tau anty-tau w rozpadach bozonu Z oraz leptonowych rozpadów bozonu W, stanowiących główne tło dla poszukiwań bozonu Higgsa. Obecnie, zespół krakowski  jest nadal mocno zaangażowany w poszukiwania bozonu Higgsa, również w scenariuszach rozszerzających tzw. Model Standardowy Cząstek Elementarnych.

Krakowscy fizycy i inżynierowie mają swój ogromny wkład w projektowanie i budowę detektora ATLAS. Bardzo ważnym wkładem były prace nad odpornymi na promieniowanie krzemowymi detektorami cząstek naładowanych. Wysoce wyspecjalizowane, nowatorskie układy scalone odczytu są nieomal wyłącznym ich dziełem. Także w Krakowie zaprojektowano oraz oprogramowano system zasilaczy wysokiego napięcia dla tego samego systemu detektorów krzemowych, które, w wyniku wygranego przetargu, zostały wykonane w Polsce, w firmie "Fideltronik", w ilości ok. 600 modułów (4800 poszczególnych zasilaczy), a wartość kontraktu opiewała na ok. 1,4 M PLN. Krakowscy inżynierowie, wspólnie z kolegami z CERNu, zaprojektowali podpory pod kalorymetr elektromagnetyczny "do przodu" (nośność 1800 ton, przesuwane na poduszkach powietrznych), które zostały następnie wykonane przez firmę "Budimex/Dromex" (na terenie ówczesnej Huty im. T. Sendzimira). Był to częściowo wkład "In-kind", a częściowo kontrakt komercyjny o wartości ok. 1 M PLN. Rozmiar tej inwestycji ilustruje załączone zdjęcie wykonane w CERN w r. 2003, w trakcie wizyty prof. M. Kleibera.

Zespół krakowski uczestniczył także w opracowaniu metody instalacji komór mionowych, budowie układu kontroli i monitorowania detektora oraz odpowiada za koordynację systemów gazowych i chłodzenia w całym detektorze.
 
Grupy krakowskie mają również ogromny wkład w zbieranie danych oraz ich rekonstrukcję i analizę. Uczestniczą w opracowaniu i obsłudze systemu wyzwalania (tzw. „trigger”) wysokiego poziomu, są odpowiedzialne za kluczowe systemy kontroli działania oraz precyzyjnej rekonstrukcji geometrii Detektora Wewnętrznego eksperymentu ATLAS oraz sprawują opiekę nad systemem zbierania danych jednego ze detektorów dedykowanych do pomiaru świetlności akceleratora. To dzięki pomiarom wykonanym przy pomocy precyzyjnego Detektora Wewnętrznego możliwe było zaobserwowanie rozpadów cząstki Higgsa na cztery leptony.
 

dr hab. Paweł Brückman de Renstrom

 

Polski klaster Tier-2 WLCG

Aby móc uczestniczyć w analizie danych z eksperymentów LHC, należało stworzyć w Polsce infrastrukturę informatyczną zgodną z Worldwide LHC Computing Grid (WLCG). Prace w tym kierunku rozpoczęto z inicjatywy fizyków z IFJ PAN w Krakowie i informatyków z ACK Cyfronet AGH w r. 2000. Dla zapewnienia silniejszego zaplecza informatycznego, do współpracy włączono ośrodki komputerowe z Akademickiego Centrum Komputerowego „Cyfronet” AGH, Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego Uniwersytetu Warszawskiego i Poznańskiego Centrum Superkomputerowo Sieciowego Instytutu Chemii Bioorganicznej PAN. W latach 2002-2005 ACK „Cyfronet” AG H kierował pilotażowym projektem CrossGrid, wykonywanym z udziałem 21 partnerów z 11 krajów europejskich w 5 Programie Ramowym UE. W projekcie tym brało udział pięć instytucji polskich: po dwie z Warszawy i Krakowa oraz jedna z Poznania. Zdobyte doświadczenie pozwoliło polskim ośrodkom zająć silną pozycję w czterech kolejnych, dużych projektach infrastrukturalnych, które rozwijaly infrastrukture i usługi dla aplikacji gridowych, w tym dla LHC. Były to projekty Enabling Grids for E-science in Europe I, II i III, oraz EGI-InSPIRE, wykonywane w 6 i 7 Programie Ramowym Unii Europejskiej w latach 2004-2010. W oparciu o szerokopasmową sieć szkieletową PIONIER i zasoby komputerowe ACK „Cyfronet” AGH, ICM UW i PCSS PAN stworzono polski Tier-2, który dostarcza 2-3% mocy obliczeniowej dla WLCG. W r. 2007 Minister MNiSW, Prof. M. Seweryński, oraz Podsekretarz Stanu, Prof. K. Kurzydłowski, podpisali porozumienie o udziale polskich ośrodków obliczeniowych w projekcie WLCG (http://wlcg.web.cern.ch/collaboration/mou). W roku 2013 zasoby polskiego Tier-2 powiększyło Centrum Informatyczne w NCBJ, zbudowane w Świerku.
 
Stworzenie sieci komputerowej Grid dla potrzeb LHC dało podstawy rozwoju rozproszonej infrastruktury informatycznej. Obecnie korzystają z niej także inne dziedziny nauki. W załączeniu zdjęcie systemu ZEUS w ACK Cyfronet AGH o mocy obliczeniowej ok. 170 teraflopsów.
 
 

prof. dr hab. Michał Turała