Jim Baggott este autorul cărții Higgs: The Invention and Discovery of the ‘God Particle’ (Higgs: Invenția și descoperirea „particulei lui Dumnezeu”) și scriitor științific independent. A fost profesor de chimie la Universitatea din Reading, dar a părăsit-o pentru a urma o carieră în afaceri, unde a lucrat mai întâi la Shell International Petroleum Company și apoi ca consultant de afaceri și formator independent. Printre numeroasele sale cărți se numără Atomic: The First War of Physics (Icon, 2009), Beyond Measure: Modern Physics, Philosophy and the Meaning of Quantum Theory (OUP, 2003), A Beginner’s Guide to Reality (Penguin, 2005) și A Quantum Story: A History in 40 Moments (OUP, 2010).

Citește colecția de postări de pe blogul său, care celebrează lansarea noii sale cărți, pe OUPblog.

La 4 iulie 2012, oamenii de știință de la instalația Large Hadron Collider (LHC) de la CERN din Geneva au anunțat descoperirea unei noi particule elementare despre care ei cred că se potrivește cu mult căutatul boson Higgs, cunoscut și sub numele de „particula lui Dumnezeu”. Înțelegerea noastră cu privire la natura fundamentală a materiei – tot ceea ce există în universul nostru vizibil și tot ceea ce suntem noi – este pe cale să facă un salt uriaș înainte.

Deci, ce este bosonul Higgs și de ce este numit ‘Particula lui Dumnezeu’? Scriitorul științific Jim Baggott, a cărui carte Higgs: The Invention and Discovery of the ‘God Particle’ (Higgs: Invenția și descoperirea ‘Particulei lui Dumnezeu’), oferă unele dintre aceste răspunsuri.

Știm că universul fizic este construit din particule de materie elementară (cum ar fi electronii și quarcii) și particule care transmit forțele între ele (cum ar fi fotonii). Particulele de materie au caracteristici fizice pe care le clasificăm drept fermioni. Particulele de forță sunt bosoni.

În teoria cuantică a câmpurilor, aceste particule sunt reprezentate în termeni de „câmpuri” energetice invizibile care se întind prin spațiu. Gândiți-vă la experiențele voastre din copilărie când vă jucați cu magneți. Pe măsură ce împingeți împreună polii nordici a doi magneți de bară, simțiți cum rezistența dintre ei crește în intensitate. Acesta este rezultatul interacțiunii a două câmpuri magnetice invizibile, dar totuși foarte reale. Forța de rezistență pe care o resimțiți în timp ce împingeți magneții împreună este purtată de fotonii invizibili (sau „virtuali”) care trec între ei.

Materia și particulele de forță sunt apoi interpretate ca perturbații fundamentale ale acestor diferite tipuri de câmpuri. Noi spunem că aceste perturbații sunt „cuantele” câmpurilor. Electronul este cuanta câmpului de electroni. Fotonul este cuanta câmpului electromagnetic și așa mai departe.

La mijlocul anilor 1960, teoriile cuantice ale câmpurilor erau relativ nepopulare în rândul teoreticienilor. Aceste teorii păreau să sugereze că purtătorii de forță ar trebui să fie toți particule fără masă. Acest lucru nu prea avea sens. O astfel de concluzie este bună pentru foton, care poartă forța electromagnetismului și este într-adevăr fără masă. Dar se credea că purtătorii forței nucleare slabe, responsabile de anumite tipuri de radioactivitate, trebuiau să fie particule mari și masive. De unde provenea atunci masa acestor particule?

În 1964, au apărut patru lucrări de cercetare care propuneau o soluție. Ce s-ar întâmpla dacă, sugerau aceste lucrări, universul ar fi străbătut de un alt tip de câmp energetic, unul care indică (impune o direcție în spațiu), dar care nu împinge sau trage? Anumite tipuri de particule de forță ar putea interacționa cu acest câmp, dobândind astfel masă. Fotonii ar trece prin câmp, neafectați.

Una dintre aceste lucrări, a teoreticianului englez Peter Higgs, a inclus o notă de subsol sugerând că un astfel de câmp ar putea fi de așteptat să aibă și o perturbare fundamentală; o cuantă a câmpului. În 1967, Steven Weinberg (și, ulterior, Abdus Salam) a folosit acest mecanism pentru a concepe o teorie care combină forțele electromagnetică și nucleară slabă. Weinberg a reușit să prezică masele purtătorilor forței nucleare slabe – bosonii W și Z. Aceste particule au fost descoperite la CERN aproximativ 16 ani mai târziu, cu mase foarte apropiate de predicțiile inițiale ale lui Weinberg.

Până în jurul anului 1972, noul câmp a fost denumit de majoritatea fizicienilor câmpul Higgs, iar cuanta sa de câmp a fost numită bosonul Higgs. „Mecanismul Higgs” a devenit un ingredient cheie în ceea ce avea să devină cunoscut sub numele de modelul standard al fizicii particulelor.

Câmpul Higgs a fost inventat pentru a explica modul în care particulele de forță, altfel lipsite de masă, ar putea dobândi masă, dar în curând a devenit evident că ceva foarte asemănător este responsabil și pentru masele particulelor de materie.

Modul în care câmpul Higgs interacționează cu câmpuri de bosoni altfel fără masă și modul în care interacționează cu câmpuri de fermioni fără masă nu este același (aceasta din urmă se numește interacțiune Yukawa, numită după fizicianul japonez Hideki Yukawa). Cu toate acestea, câmpul Higgs are, în mod clar, un rol de importanță fundamentală. Fără el, atât materia, cât și particulele de forță nu ar avea masă. Masa nu ar putea fi construită și nimic din universul nostru vizibil nu ar putea fi.

În cartea sa populară The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question?”, publicată pentru prima dată în 1993, fizicianul american Leon Lederman (scriind împreună cu Dick Teresi) a explicat de ce a ales acest titlu:

Acest boson este atât de central pentru starea fizicii de astăzi, atât de crucial pentru înțelegerea noastră finală a structurii materiei, dar atât de evaziv, încât i-am dat o poreclă: Particula lui Dumnezeu. De ce Particula lui Dumnezeu? Din două motive. În primul rând, editorul nu ne-a lăsat să o numim „Particula lui Dumnezeu”, deși acesta ar fi un titlu mai potrivit, având în vedere natura sa ticăloasă și cheltuielile pe care le provoacă. Și doi, există un fel de legătură, într-un fel, cu o altă carte, una mult mai veche…

Lederman a continuat citând un pasaj din Cartea Genezei.

Este o poreclă care continuă să fie folosită pe scară largă de scriitorii și jurnaliștii de popularizare a științei. Este o denumire care a rămas. Cei mai mulți fizicieni par să nu o placă, deoarece consideră că exagerează importanța bosonului Higgs (cheia este câmpul Higgs). Într-o carte de memorii personale intitulată My Life as a Boson, Peter Higgs a explicat cum particula mult căutată a ajuns să fie numită după el, definindu-i statutul de „cea mai căutată particulă a fizicii.”

„Dumnezeu” sau „cea mai căutată”, este o particulă pe care fizicienii au fost cu siguranță disperați să o găsească. Întrebarea este acum; munca lui Peter Higgs va fi recunoscută în alt mod, poate cu un premiu Nobel?

.