V Cernu, evropski organizaciji za jedrske raziskave, so v začetku julija po nadgradnji znova zagnali Veliki hadronski trkalnik (LHC), v katerem bodo ob še višjih energijah trkali delci, da bi fiziki lahko razvozlali čim več skrivnosti vsega, kar nas obdaja. Pred desetimi leti so z detektorjema Atlas in CMS na trkalniku odkrili Higgsov bozon, na katerega so čakali 50 let. Ta lepo dopolni celotno sliko osnovnih delcev, kaže pa tudi smer nadaljnjih raziskav. Prav ta delec bi morda lahko razkril odgovore na nekatera največja vprašanja o vesolju, na primer, kaj je temna snov.

Pri eksperimentih sodelujejo tudi slovenski raziskovalci. O delcih in njihovih lastnostih, elegantnosti narave, presenečenjih, ki zapletajo teorije, in nenehnem učenju smo se pogovarjali s prof. dr. Markom Mikužem in prof. dr. Borutom Paulom Kerševanom. Oba sta predavatelja na ljubljanski fakulteti za matematiko in fiziko ter raziskovalca na Institutu Jožef Stefan in v Cernu.

Zakaj je bilo odkritje Higgsovega bozona tako zelo pomembno in kako zaradi bozona bolje razumemo vesolje?

Mikuž: Standardni model v precejšnjih podrobnostih opisuje odnose med osnovnimi delci za energije, ki so v vesolju. Vendar bi brez Higgsovega mehanizma in posledičnega delca težko opisal, od kod delcem na osnovnem nivoju masa. Seveda Higgsov mehanizem ni bil edina možnost, je pa daleč najbolj elegantna in preprosta. Lepo je videti, da si je narava, ki je edini razsodnik, izbrala najlepšo možnost, da stvari delujejo, kot delujejo.

Narava vedno najde najelegantnejše rešitve?

Mikuž: Ponavadi, ne pa vedno. Narava bi se lahko tudi odločila, da nas ne bi bilo, pa da osnovni delci ne bi imeli mase, vse bi s svetlobno hitrostjo švigalo naokoli. In to bi bilo v bistvu še bolj preprosto, kakor je zdaj.

Kerševan: V znanosti je bilo kar nekaj trenutkov, ko so se stvari močno zapletle. Še zdaleč ni šlo vedno na lepše in bolj enostavno. Tipičen primer je odkritje miona, težjega brata elektrona. Pričakovali so, da morajo najti le še en delec, imenovan pion, in bodo razložili še silo jedra. In ob odkritju miona je ameriški fizik Isidor Isaac Rabi, kasnejši nobelovec, izjavil: »Kdo je pa to naročil?« (Who ordered that?) Našel je namreč delec, ki ni ustrezal njegovim pričakovanjem, in s tem se je odprlo povsem novo področje raziskav.

Higgsov bozon razloži maso delcev, obenem pa smo se nekaj naučili tudi o samem nastanku vesolja. In to je, da je vesolje, medtem ko se je ohlajalo, šlo skozi fazni prehod. To je podobno, kot ko voda ob ohlajanju prehaja skozi agregatna stanja. Higgsov mehanizem predpostavlja, da se je v našem vesolju ob ohlajanju zgodil določen proces, da so delci, ki so bili na začetku brezmasni, kot končni učinek dobili maso. To je dodana vrednost odkritja, posledično so postale aktualne teorije, ki dopuščajo več faznih prehodov pri nastanku vesolja, kjer bi ti prehodi lahko pojasnili še mnogo drugih zdaj nerazloženih pojavov, denimo tudi temno snov.

Mikuž: Za zdaj pri temni snovi, še bolj pa pri temni energiji, bolj ali manj samo mahamo z rokami, kot pa da vemo kaj konkretnega. Vendar nam Higgsovo polje nakazuje, v katero smer bi se lahko stvari razvile. Ampak lahko da se je tam narava odločila za kakšno drugo rešitev, kdaj jo bomo poznali, ne vemo. Standardni model ne razloži, kaj je temna snov, ne kaj je temna energija, ki je je dvakrat več kot vse mase skupaj. Omejitve ima tudi pri mladem vesolju. Torej, čim globlje gremo v vesolje, tem bolj se odpirajo vprašanja, na katera standardni model nima odgovorov. Nekaj mora biti preko tega. Treba je odpluti na odprto morje, če ne bomo, ne bomo nikoli našli rešitve.

Omenili ste mlado vesolje. Astrofiziki so z Webbovim teleskopom dobili novo orodje, da ga bodo pogledali, ko je bilo še »otročiček«. Kako fiziki osnovnih delcev sodelujete z astrofiziki, ki se ukvarjajo s fizično gledano veliko večjimi telesi?

Mikuž: Neskončno majhno je povezljivo z neskončno velikim, no, odvisno, kaj vzamete za dimenzijo vesolja, še vedno je na neki način končno, je pa bilo na začetku neskončno majhno. Stvari se prepletajo. Delce v zgodnjem vesolju zdaj poustvarjamo v pospeševalnikih, tudi delec temne snovi si želimo odkriti v pospeševalniku, vendar temne snovi nismo mi odkrili, prihaja iz astrofizikalnih raziskav, prav tako temna energija, astrofiziki opažajo, da se prostor polni z nečim, kar vesolje pospešeno širi. Vsekakor sta ti veji fizike bolj intimno povezani, kot je videti na prvi pogled.

Kerševan: Ravno temna snov je odličen primer povezave. Astrofizikalne meritve nam dajejo dokaz, da je v vesolju nekaj, česar ni v našem periodnem sistemu osnovnih delcev oziroma vanj ne sodi. Slediti bi morala nadgradnja standardnega modela in naše življenje se bo spet zakompliciralo. Najbolj aktualna rešitev oziroma nadgradnja je supersimetrija, ki napoveduje vsaj dvakrat več osnovnih delcev, kot jih poznamo zdaj, ob tem še kup dodatnih Higgsovih bozonov, novih posebnih interakcij med delci in tako naprej. Naš sistem bi se podvojil in znašli bi se pred novim problemom, kako ga zreducirati, da bi ustrezal samemu nastanku vesolja ob velikem poku. Menimo, da se bodo stvari še precej zapletle, preden se bodo spet poenostavile.

Mikuž: Če pogledamo zgodovino, se je to že večkrat zgodilo. Stari Grki so imeli lepo rešitev, štirje elementi so pojasnili vse, toda rešitev je bila napačna. Tudi v fiziki osnovnih delcev smo imeli nekoč proton, nevtron, elektron in še mion ter foton, a se nam vedno znova zgodi trenutek, ko se vprašamo, »kdo je pa to naročil«. In ni naročil le miona, temveč tudi lepton tau, ki je iz tretje generacije. Ampak če tega ne bi »naročil«, nas ne bi bilo. Danes vemo, da so za prevlado snovi nad antisnovjo v vesolju potrebne tri generacije delcev, če jih ne bi bilo, bi bilo snovi premalo in bi vse anihiliralo v svetlobo. Izkaže se, da na videz nepotrebni delci, ko bolje poznate ustroj, postanejo še kako potrebni. Danes poznamo na stotine delcev, ki pa nam jih je uspelo zreducirati na kvarke, leptone in bozone. Za zdaj supersimetričnih delcev še nismo zaznali. Bomo videli, kaj nam bodo prinesle nadaljnje raziskave, se je pa doslej še vedno izkazalo, da imajo tudi presenečenja v naravi konkreten razlog. Narave ne moremo pretentati, pa naj sestavimo še tako lepo teorijo.

Kerševan: Sicer radi odkrivamo stvari, ki jih ne razumemo. Standardni model ima odlično napovedno moč, odlično se ujema z eksperimenti, vendar si želimo tudi kaj novega, da se lahko praskamo po glavi, da ugotavljamo, ali je težava v aparaturah, teorijah ali v nas. To so tisti trenutki, ki res poženejo razvoj znanosti ali bolje rečeno znanja nasploh.

Mikuž: In da se razumemo, to, da tega ne odkrijemo, ni posledica tega, da bi bili leni. Zadnjih deset let pravzaprav počnemo samo to, da bi našli razpoke iz onstranstva.

Kje je torej težava – v ne dovolj napredni tehnologiji, znanju, idejah?

Mikuž: Morda tudi ideje niso prave. Čeprav, zdaj nam je vseeno, h kateri ideji bi sodilo odkritje, to bi ugotavljali kasneje.

Kerševan: Zagotovo potrebujemo vedno močnejše trkalnike, da pridemo čim bližje energijam, ki vladajo v vesolju, potrebujemo natančnejše detektorje, pa tudi tehnologijo shranjevanja podatkov in strojno učenje. Fiziki delcev že več desetletij uporabljamo strojno učenje, ko tehnologija napreduje, razvijamo nove metode uporabe, kar nam je pomagalo odkriti Higgsov bozon in druge delce. Naši eksperimenti so vse bolj kompleksni, vedno dlje traja, da jih projektiramo in postavimo, zato moramo upoštevati tudi, kakšna tehnologija bo na voljo v prihodnosti. Eksperimentalna fizika delcev je denimo sodelovala pri razvoju superprevodnih magnetov, ker smo jih potrebovali, zdaj jih potrebujejo drugod. V Cernu se je razvil svetovni splet, distribuirano računstvo. Z zanimanjem zdaj gledamo kvantno računalništvo, ki je še v povojih, ampak mi se moramo problema lotiti zdaj, da bomo kvantne računalnike učinkovito uporabili čez dvajset let. Dober primer so tudi superračunalniki, v Cernu smo veliki uporabniki. Vsekakor prispevamo veliko v skupno zakladnico znanja.

V začetku julija so v Cernu stekli novi eksperimenti. Kakšni in kaj pričakujete od njih?

Kerševan: To je tretje obdobje zajemanja podatkov, »Run 3«. Celoten eksperiment, od trkalnika do detektorjev, je prototip, ki se ga stalno nadgrajuje, zato imamo delovanje razdeljeno na obdobja. V prvem, ob samem zagonu, je bila energija v trkalniku 7 oziroma 8 teraelektronvoltov (TeV), v drugem, ki se je končalo leta 2018, 13 TeV, v tretjem obdobju pa smo energijo povečali praktično do mejne zmogljivosti, to je na 13,6 TeV. Povečanje je videti majhno, vendar je lahko zelo pomembno. Na primer, v prvem obdobju smo energijo povečali s 7 na 8, če je ne bi, bi verjetno minilo še pol leta, preden bi zaznali Higgsa.

To povečanje energije nam dopušča natančnejše raziskave nove fizike, torej procesov onkraj standardnega modela, poleg tega smo nekoliko povečali količino podatkov, ki jih lahko zajamemo, kar pomeni, da seveda lahko bolj natančno iščemo dodatne procese. Tokratno obdobje bo trajalo nekaj let, potem pa sledi večja nadgradnja, da bomo lahko še povečali energijo, ob tem bo tekla tudi nadgradnja detektorjev. Naša skupina je zelo aktivna pri razvoju novih tehnologij detektorjev za večjo natančnost in hitrejše zajemanje podatkov.

Mikuž: Pa ne samo energija in število trkov, tudi pamet narašča. Učinek naraščajočega znanja te skupine je vsaj tako velik kot učinek boljšega delovanja pospeševalnika. Če bi leta 2007 poslušali govor današnje direktorice Cerna, takrat je bila koordinatorka pri detektorju Atlas, potem leta 2012 še ne bi odkrili Higgsa, ker se je večina osredotočala na srednje težke Higgsove bozone, pri katerih so razpadi bolj pripravni za detekcijo. A takrat smo v petih letih postali bolj pametni – izboljšali smo metode za izluščenje signala in ni bilo več vprašanje, ali ga bomo odkrili ali ne.

Kerševan: Da si bralci ne bodo narobe predstavljali: ne gre tako, da sedimo in gledamo števec, ki se vrti. Vseskozi se učimo. Četudi v meritvah ne najdemo ničesar, se naše znanje nabira. Velikokrat se zgodi, da še tako krasno idejo v eksperimentu zavržemo, a to ne pomeni, da skomignemo z rameni in rečemo škoda, kajti tudi iz tega smo se veliko naučili. Denimo, kam se usmeriti naprej, katere teorije je smiselno raziskovati, katera energijska območja, kakšne eksperimente naj pripravimo, kakšne detektorje postavimo. Pri nas ni neuspešnega eksperimenta.

Imate kakšne konkretne teorije, ki jih v Runu 3 skušate potrditi ali ovreči? Katere eksotične delce iščete?

Mikuž: Lepo bi bilo, če bi našli kaj lepega. Bi pa to bilo po definiciji eksotično. Morda bomo v tem morju, po katerem plujemo, naleteli na rajsko plažo, morda pa na kos ledu, na katerem bo severni medved.

Kerševan: Ali pa zmaj. (smeh)

Lahko že tokrat naletite na delec temne snovi?

Mikuž: Seveda, to je glavna želja. Čeprav, če bomo zagledali otoček, nam bo vseeno, kaj je na njem. Zadovoljni bi bili že, če bi dobili namig, da otoček obstaja, da nekaj moti tokove, ni nam ga treba niti videti. Higgsov bozon je močno orodje za indirektne meritve, da zaznamo motnje. Veliko lastnosti bozona še ne poznamo, morda kakšna ni taka, kot jo napoveduje standardni model.

Katerih še ne poznate?

Kerševan: Higgsov bozon je nestabilen delec, ki razpade na nam že znane delce, morda pa tudi še na kakšne neznane ali celo nevidne. Obstaja teorija, da Higgs direktno razpade v temno snov. Naša skupina se ukvarja z razpadom bozona v težke nevtrine.

Ko odkrijemo nov delec, je podobno, kot če v detektivki odkrijejo, da je v sobi še neki človek. Dober detektiv mora nato odkriti, kakšen je, od kod je, fizik delcev pa bi bil presrečen, če bi odkril še, da ima ta človek krila. Torej, da bi bil delec karseda nenavaden.

Kaj je vajina vloga pri teh eksperimentih?

Mikuž: Večinoma sem se ukvarjal z razvojem in gradnjo detektorjev, potem z njihovim zagonom, zdaj pa skrbimo za to, da stvari normalno delujejo, seveda pa že pogledujemo v prihodnost. Opravili smo že kup raziskav, najprej za obsežno nadgradnjo, ki bo sledila Runu 3, ko se bo v LHC povečala pogostost trkov za faktor 10, pa tudi za 100-kilometrski obroč, ki bo morda postavljen čez petdeset let. Detektorje je treba snovati že danes. Ob tem nisem zanemaril računalniških zmogljivosti, niti fizikalne analize, čeprav sem pri tej bolj na ravni spremljanja kot kreacije. Vsega človek ne more delati.

Kerševan: Pri tako kompleksnih eksperimentih se je treba specializirati. Z Markom sva pri raziskavah komplementarna. Že od vsega začetka sem se osredotočil na računski del problemov, dolga leta sem se ukvarjal s simulacijami procesov, ki naj bi se zgodili, da jih lahko primerjaš z dejanskimi meritvami. Potem so tu še obdelava podatkov, strojno učenje, skupaj s sodelavci in doktorskimi študenti se ukvarjam s končnimi statističnimi analizami.

Mikuž: Če hočete biti dobra skupina znotraj takšnega konzorcija, morate biti kompletna skupina. Treba je pokrivati večino področij, da znate eksperiment zasnovati in potem tudi žeti ustvarjeno.

Kerševan: Čeprav je slovenska skupina majhna, zelo dobro pokrivamo večino spektra delovanja v Cernu.

Za konec: boste, bomo kdaj razumeli prav vse, torej odkrili teorijo vsega?

Mikuž: V termodinamiki obstaja idealni in popolni stroj. Popolnega ne morete narediti, idealnemu se lahko približate. Lahko se približamo razumevanju vesolja, čeprav neke popolne teorije … Ta popolnost je že filozofsko ali celo religiozno vprašanje, sam ne verjamem, da bo človeštvo oziroma njegovi inteligentni zanamci prišli do konca, ker morda konca sploh ni.

Kerševan: Bolj bi me veselilo, da bi te naše bazične raziskave vodile do izboljšanja našega življenja. Da bi denimo odkrili napravo, ki bi delovala zaradi Higgsovega bozona. Nenazadnje sem ženi obljubil teleportacijo. (smeh)

Mikuž: Dober primer je kvantna mehanika. Če bi ob odkritju očete kvantne mehanike vprašali, ali je ta lahko uporabna, bi verjetno odmahnili z roko. Tudi če naju vprašate, ali je Higgsov bozon lahko še kako drugače uporaben, bi rekla, da ne bo šlo.

Kerševan: Se pa bo uporabnosti morda spomnil kdo drug.

Mikuž: Treba je dati času čas. Pravzaprav še nobeno odkritje na bazičnem nivoju ni ostalo brez uporabne vrednosti. Ampak nikoli ne reci nikoli. Vsekakor, pustimo se presenetiti.