nauki ścisłe
Autor: Michael Riordan, Guido Tonelli i Sau Lan Wu | dodano: 2012-10-19
Higgs, nareszcie

Wydaje się, że po trzydziestu latach poszukiwań naukowcy dopadli wreszcie ulotną cząstkę. Jej niektóre właściwości dają nadzieję na początek nowej ery w fizyce.

Późnym wieczorem 14 czerwca 2012 roku doktoranci i stażyści uczestniczący w badaniach w Wielkim Zderzaczu Hadronów (Large Hadron Collider – LHC) w europejskim ośrodku badań jądrowych CERN pod Genewą zaczęli gorączkowo przeglądać udostępnione właśnie wyniki. Od momentu podjęcia pracy po zimowej przerwie zebrano olbrzymią ilość danych. Jednak nie analizowano ich na bieżąco, bo fizycy prowadzący dwa główne eksperymenty z wykorzystaniem LHC (przeszło 6000 badaczy) obawiali się, że niechcący mogliby zniekształcić statystyki. Do pracy ruszono dopiero wspomnianego czerwcowego popołudnia.

Młodzi naukowcy usiłowali tamtej nocy z zalewu nowych danych wyłowić ślady nowej cząstki. LHC to potężna maszyna badawcza wykorzystywana w wielu eksperymentach; tylko dwa największe z nich ATLAS i CMS miały za zadanie tropić bozon Higgsa, od dawna poszukiwaną cząstkę, ostatni nieodkryty element Modelu Standardowego dla cząstek elementarnych, teoretycznego opisu subatomowego świata. Każdy z masywnych detektorów rejestruje lawiny cząstek towarzyszące zachodzącym w ich wnętrzu zderzeniom protonów. Ich drobiazgowa analiza daje szansę na poznanie nowych zjawisk, a w tym na znalezienie bozonu Higgsa. Ale detektory muszą wyłowić te właściwe cząstki w zalewie innych o niskiej energii, powodzi, w której łatwo mogą zginąć interesujące sygnały. To tak jakby pić wodę ze strażackiego węża, usiłując jednocześnie odcedzić zębami pojedyncze, malutkie ziarenka złota.

Na szczęście, naukowcy wiedzą, czego szukać. Co prawda, start LHC przypominał katastrofę – w dziewiątym dniu pracy wadliwe połączenie elektryczne pomiędzy dwoma magnesami uległo stopieniu, a powstały w konsekwencji potężny łuk elektryczny przedziurawił zbiorniki z ciekłym helem. Tony wyciekającego i rozprężającego się gazu uszkodziły znajdujące się w pobliżu drogie magnesy nadprzewodzące. Mimo to w 2011 roku zderzacz zdołał zebrać dość danych, aby dało się dostrzec pierwsze ślady higgsa.

W październiku, po zakończeniu pomiarów w związku z planowaną zimową przerwą, Fabiola Gianotti, rzeczniczka eksperymentu ATLAS, oraz jeden z autorów tego artykułu (Tonelli), wówczas rzecznik eksperymentu CMS, na seminarium w wypełnionym po brzegi głównym audytorium CERN wspólnie poinformowali, że w danych z obydwu detektorów niezależnie od siebie wystąpiły wyraźne zafalowania.

Co więcej, wskazówki świadczące o istnieniu higgsa uzyskane dzięki detektorom ATLAS i CMS były spójne. Zarejestrowano kilkadziesiąt zdarzeń, w których emitowane były dwa fotony o łącznej energii około 125 GeV. (1 GeV to standardowa, używana przez fizyków jednostka energii i masy, w przybliżeniu równa masie protonu.) Jeżeli zderzenia protonów prowadziłyby do powstania krótko żyjących bozonów Higgsa, to ich rozpad na dwa fotony byłby wielce prawdopodobny. W obydwu eksperymentach zarejestrowano też kilka zdarzeń związanych z emisją czterech naładowanych leptonów (elektronów i mionów) o podobnej energii całkowitej. I w tym przypadku można było wiązać je z bozonem Higgsa [patrz ramka na następnej stronie]. Wcześniej nigdy nie obserwowano takiej zbieżności wyników. Było jasne, że z danych zaczyna wyłaniać się nowa rzeczywistość.

Jednak precyzyjnie określone kryteria przyjęte w fizyce cząstek elementarnych, nie pozwoliły mówić już o odkryciu nowej cząstki. W przeszłości niejednokrotnie już się zdarzało, że podobne piki i garbki na wykresach okazywały się wynikiem przypadkowych fluktuacji. Choć przecież sesja pomiarowa z wiosny 2012, podczas której zarejestrowano więcej zderzeń protonów niż w całym roku 2011, mogła z łatwością sprawić, że te piki zniknęłyby w stanowiącym tło szumie.

Oczywiście, możliwe było też coś przeciwnego. Jeżeli zafalowania naprawdę były przejawem istnienia bozonu Higgsa, a nie tylko statystycznym artefaktem, nowe dane mogły pozwolić badaczom na oficjalne ogłoszenie odkrycia, kończąc kilkudziesięcioletni okres poszukiwań i dając początek zupełnie nowej erze w poznawaniu tajemnic materii i Wszechświata.

Trzy dekady poszukiwań
bozon biggsa to nie kolejna zwykła cząstka – to zwornik wspaniałej intelektualnej budowli, jaką jest Model Standardowy, splot wielu przenikających się nawzajem teorii, które tworzą współczesną fizykę cząstek elementarnych. Istnienie cząstki zasugerował w 1964 roku Peter W. Higgs z University of Edinburgh, wymyślając subtelny mechanizm, który tłumaczył źródło masy cząstek. Podobne hipotezy niezależnie od siebie zaproponowali François Englert i Robert Brout z Brukseli oraz trzech teoretyków z Londynu. Bozon Higgsa jest ucieleśnieniem eterycznego fluidu (zwanego polem Higgsa), który przenika każdy zakątek kosmosu i nadaje cząstkom elementarnym określone masy. Po odkryciu kwarków i gluonów w latach siedemdziesiątych, a na początku lat osiemdziesiątych także masywnych nośników oddziaływania słabego – bozonów W i Z, większość elementów składających się na Model Standardowy pasowało do siebie jak ulał.

Chociaż teoretycy byli zgodni, że bozon Higgsa – albo jakaś podobna cząstka – musi istnieć, nie potrafili przewidzieć, jaka może być jej masa. Z tego i innych powodów badacze nie mieli zbyt wielu wskazówek, co do kierunku poszukiwań. Pierwszy kandydat mniej więcej dziewięć razy lżejszy od protonu pojawił się w 1984 roku, w trakcie badań prowadzonych w zmodernizowanym, dysponującym niską energią zderzaczu elektronowo-pozytonowym w Hamburgu w Niemczech. Jednak okazało się, że był to trop fałszywy.

Większość teoretyków uważała, że masa higgsa powinna być od 10 do 100 razy większa. Oznaczało to, że odkrycie cząstki wymaga zderzacza udostępniającego zakres zdecydowanie wyższych energii, być może potężniejszego niż Tevatron w Fermi National Laboratory – zderzacz protonów i antyprotonów o obwodzie 6 km, którego budowę ukończono w 1983 roku. W tym samym roku w CERN rozpoczęto budowę wartego miliard dolarów Wielkiego Zderzacza Elelektronowo-pozytonowego (LEP), umieszczając go w wykonanym specjalnie w tym celu kolistym tunelu o długości 27 km, który czterokrotnie przecinał francusko-szwajcarską granicę w pobliżu Genewy. Chociaż LEP zaprojektowano do innych zadań, poszukiwanie bozonu Higgsa zajęło wysoką pozycję na liście celów.

Fizycy cząstek elementarnych ze Stanów Zjednoczonych, zachęceni hasłem prezydenta Reagana „myślcie o rzeczach wielkich”, lobbowali pod koniec lat osiemdziesiątych za przeznaczeniem kilku miliardów dolarów na budowę dużo większego superzderzacza SSC (Superconducting Super Collider). Dzięki obserwacji zderzeń protonów o energii 40 TeV (40  000 GeV, czyli 40 bln elektronowoltów) SSC miał umożliwić poszukiwania bozonu Higgsa nawet wtedy, gdyby jego masa była bliska 1000 GeV.

Kiedy jednak okazało się, że koszty byłyby niemal dwukrotnie wyższe od przewidywanych i zbliżyły się do 10 mld dolarów, Kongres zadecydował o rezygnacji z projektu. Rozczarowani takim obrotem spraw poszukiwacze higgsa ze Stanów Zjednoczonych musieli kontynuować badania, zadowalając się instalacjami dostępnymi w Fermilabie i w CERN-ie. Odkrycia i precyzyjne pomiary zrealizowane za pomocą zderzaczy LEP i Tevatron wkrótce wykazały, że masa bozonu Higgsa nie powinna przekraczać 200 GeV, co oznaczało, że jego odkrycie jest w zasięgu obydwu tych zderzaczy. Jednak trwające dekadę poszukiwania nie przyniosły żadnych dowodów, chociażby garbków na wykresach.

W ciągu ostatniej sesji pomiarowej LEP, latem 2000 roku, badacze zdecydowali się maksymalnie zwiększyć energię zderzeń, przekraczając wartość projektową. I wtedy pojawiły się pierwsze ślady higgsa. We wrześniu dwa z czterech zespołów eksperymentalnych poinformowały o zdarzeniach z udziałem bozonu Z oraz tajemniczej cząstki, która rozpadała się na dwa kwarki b (niskie). Cząstką tą mógł być bozon Higgsa o masie 115 GeV. Ówczesny dyrektor CERN Luciano Maiani wydłużył czas pracy zderzacza o sześć tygodni, ale w tym czasie badacze zarejestrowali zaledwie jedno potencjalnie interesujące zdarzenie. Po gorącej dyskusji Maiani zdecydował się zakończyć ostatecznie pracę LEP i przystąpić do budowy jego następcy, Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), który zaprojektowano w celu znalezienia bozonu Higgsa.

Coraz bliżej odkrycia
lhc to najbardziej spektakularne połączenie nowoczesnych technologii. Zbudowany wewnątrz mieszczącego wcześniej LEP tunelu przez setki fizyków i inżynierów specjalizujących się w akceleratorach pod kierunkiem Lyndona Evansa, w niewielkim stopniu wykorzystuje elementy swojego poprzednika. Do jego najważniejszych części składowych należy ponad 1200 nadprzewodzących magnesów dipolowych – połyskujących 15-metrowych cylindrów, każdy o wartości przeszło miliona dolarów. Te, chyba najbardziej zaawansowane podzespoły spośród kiedykolwiek produkowanych seryjnie, dostarczyły firmy z Francji, Niemiec i Włoch. Ich wnętrze kryje dwie rury służące do prowadzenia wiązek, oplecione cewkami magnesów ze stopu niobu z tytanem zanurzonymi w ciekłym helu o temperaturze 1,9 K czyli −271°C. W zderzaczu biegną dwie przeciwbieżne wiązki protonów, o energii do 7 TeV i prędkości bliskiej prędkości światła.

Struktura wiązki przypomina bardziej tę z lasera impulsowego niż lampy błyskowej. Każda wiązka składa się z prawie 1400 paczek mieszczących do 150 mld protonów, z grubsza tylu, ile gwiazd liczy Droga Mleczna. Podczas normalnej pracy spotkanie dwóch paczek daje od 10 do 30 zderzeń proton–proton. Odpowiada to mniej więcej 500 mln zderzeń na sekundę.

Zderzenia protonów są dużo bardziej skomplikowane niż zderzenia elektron-pozyton. Richard Feynman, teoretyk z California Institute of Technology, porównał kiedyś podobny eksperyment do „rzucania pojemnikami na śmieci w inne pojemniki na śmieci”. Protony to złożone obiekty zbudowane z kwarków i gluonów: w najbardziej interesujących przypadkach zdarza się, że dwa gluony zderzają się z energią przeszło 100 GeV, czasami nawet około 1 TeV. Fizycy uzbrojeni w wyrafinowane detektory, specjalnie zaprojektowane układy elektroniczne i najbardziej zaawansowane komputery starają się wyłowić nieliczne interesujące zdarzenia spośród miliardów zupełnie nieciekawych.

W eksperymentach ATLAS i CMS nie da się zaobserwować bozonu Higgsa bezpośrednio: rozpada się on na inne cząstki o wiele za szybko. Poszukuje się dowodów, że bozon pojawił się we wnętrzu detektorów. Zależnie od swojej masy, bozon Higgsa może rozpadać się na lżejsze cząstki na wiele sposobów [patrz ramka powyżej]. W 2011 roku badacze skupili się na rzadkich rozpadach na dwa fotony lub cztery naładowane leptony, ponieważ zdecydowanie odróżniałyby się one od olbrzymiego tła, w którym z łatwością mogły utonąć wszelkie sygnały związane z higgsem.

Roczne opóźnienie w CERN spowodowane początkową awarią dało fizykom z Fermilabu dodatkową szansę na odkrycie higg­sa. Tuż przed planowanym zamknięciem Tevatronu we wrześniu 2011 roku zespoły prowadzonych tam eksperymentów CDF i D-Zero raportowały niewielką nadwyżkę zdarzeń, w których pary kwarków b pojawiały się z łączną energią pomiędzy 125 i 155 GeV. Ale podobnie jak w przypadku zderzacza LEP, badacze nie zdołali przekonać dyrektora, aby dał im jeszcze trochę czasu. Wkrótce potem Tevatron został ostatecznie wyłączony [patrz: Tim Folger, „Poszukiwany: bozon Higgsa”; Świat Nauki, XI/2011]. W marcu bieżącego roku fizycy opublikowali bardziej szczegółowe analizy świadczące o występowaniu szerokiego piku z maksimum 125 GeV, wzmacniając w ten sposób rezultaty CERN z 2011 roku.

Przełom
wysiłki zespołu ekspertów i operatorów kierowanego przez Stephena Myersa, szefa LHC, sprawiły, że na początku maja 2012 roku zderzacz dostarczał dane z wydajnością 15 razy większą niż Tevatron w swoim najlepszym okresie. Trwająca sesja pomiarowa była zwieńczeniem 20 lat pracy tysięcy fizyków uczestniczących w eksperymentach ATLAS i CMS, którzy zbudowali, a następnie eksploatowali obydwa detektory, stworzyli system komputerowy rozsyłający dane do ośrodków na całym świecie, a także sprzęt i oprogramowanie wyszukujące najbardziej interesujące zderzenia w oceanie tych, które zostały zarejestrowane. Wszyscy pracowali teraz jak natchnieni, przeczuwając bliskość odkrycia. Kiedy w połowie czerwca zostały udostępnione zbiory danych, trzeba było zmierzyć się z przefiltrowaniem potopu zdarzeń. Studenci i stażyści, którzy pracowali przez całą noc z wypiekami na twarzy, przygotowali prezentacje, w których mieli przedstawić swoje wnioski.

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 11/2012 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
11/2017
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Listopad
20
W 1985 r. Microsoft zaprezentował system operacyjny Windows 1.0.
Warto przeczytać
Czy znasz powiedzenie że matematykowi do pracy wystarczy kartka, ołówek i kosz na śmieci? To nieprawda! Pasjonującą, efektowną i praktyczną matematykę poznaje się dopiero w laboratorium.

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Michael Riordan, Guido Tonelli i Sau Lan Wu | dodano: 2012-10-19
Higgs, nareszcie

Wydaje się, że po trzydziestu latach poszukiwań naukowcy dopadli wreszcie ulotną cząstkę. Jej niektóre właściwości dają nadzieję na początek nowej ery w fizyce.

Późnym wieczorem 14 czerwca 2012 roku doktoranci i stażyści uczestniczący w badaniach w Wielkim Zderzaczu Hadronów (Large Hadron Collider – LHC) w europejskim ośrodku badań jądrowych CERN pod Genewą zaczęli gorączkowo przeglądać udostępnione właśnie wyniki. Od momentu podjęcia pracy po zimowej przerwie zebrano olbrzymią ilość danych. Jednak nie analizowano ich na bieżąco, bo fizycy prowadzący dwa główne eksperymenty z wykorzystaniem LHC (przeszło 6000 badaczy) obawiali się, że niechcący mogliby zniekształcić statystyki. Do pracy ruszono dopiero wspomnianego czerwcowego popołudnia.

Młodzi naukowcy usiłowali tamtej nocy z zalewu nowych danych wyłowić ślady nowej cząstki. LHC to potężna maszyna badawcza wykorzystywana w wielu eksperymentach; tylko dwa największe z nich ATLAS i CMS miały za zadanie tropić bozon Higgsa, od dawna poszukiwaną cząstkę, ostatni nieodkryty element Modelu Standardowego dla cząstek elementarnych, teoretycznego opisu subatomowego świata. Każdy z masywnych detektorów rejestruje lawiny cząstek towarzyszące zachodzącym w ich wnętrzu zderzeniom protonów. Ich drobiazgowa analiza daje szansę na poznanie nowych zjawisk, a w tym na znalezienie bozonu Higgsa. Ale detektory muszą wyłowić te właściwe cząstki w zalewie innych o niskiej energii, powodzi, w której łatwo mogą zginąć interesujące sygnały. To tak jakby pić wodę ze strażackiego węża, usiłując jednocześnie odcedzić zębami pojedyncze, malutkie ziarenka złota.

Na szczęście, naukowcy wiedzą, czego szukać. Co prawda, start LHC przypominał katastrofę – w dziewiątym dniu pracy wadliwe połączenie elektryczne pomiędzy dwoma magnesami uległo stopieniu, a powstały w konsekwencji potężny łuk elektryczny przedziurawił zbiorniki z ciekłym helem. Tony wyciekającego i rozprężającego się gazu uszkodziły znajdujące się w pobliżu drogie magnesy nadprzewodzące. Mimo to w 2011 roku zderzacz zdołał zebrać dość danych, aby dało się dostrzec pierwsze ślady higgsa.

W październiku, po zakończeniu pomiarów w związku z planowaną zimową przerwą, Fabiola Gianotti, rzeczniczka eksperymentu ATLAS, oraz jeden z autorów tego artykułu (Tonelli), wówczas rzecznik eksperymentu CMS, na seminarium w wypełnionym po brzegi głównym audytorium CERN wspólnie poinformowali, że w danych z obydwu detektorów niezależnie od siebie wystąpiły wyraźne zafalowania.

Co więcej, wskazówki świadczące o istnieniu higgsa uzyskane dzięki detektorom ATLAS i CMS były spójne. Zarejestrowano kilkadziesiąt zdarzeń, w których emitowane były dwa fotony o łącznej energii około 125 GeV. (1 GeV to standardowa, używana przez fizyków jednostka energii i masy, w przybliżeniu równa masie protonu.) Jeżeli zderzenia protonów prowadziłyby do powstania krótko żyjących bozonów Higgsa, to ich rozpad na dwa fotony byłby wielce prawdopodobny. W obydwu eksperymentach zarejestrowano też kilka zdarzeń związanych z emisją czterech naładowanych leptonów (elektronów i mionów) o podobnej energii całkowitej. I w tym przypadku można było wiązać je z bozonem Higgsa [patrz ramka na następnej stronie]. Wcześniej nigdy nie obserwowano takiej zbieżności wyników. Było jasne, że z danych zaczyna wyłaniać się nowa rzeczywistość.

Jednak precyzyjnie określone kryteria przyjęte w fizyce cząstek elementarnych, nie pozwoliły mówić już o odkryciu nowej cząstki. W przeszłości niejednokrotnie już się zdarzało, że podobne piki i garbki na wykresach okazywały się wynikiem przypadkowych fluktuacji. Choć przecież sesja pomiarowa z wiosny 2012, podczas której zarejestrowano więcej zderzeń protonów niż w całym roku 2011, mogła z łatwością sprawić, że te piki zniknęłyby w stanowiącym tło szumie.

Oczywiście, możliwe było też coś przeciwnego. Jeżeli zafalowania naprawdę były przejawem istnienia bozonu Higgsa, a nie tylko statystycznym artefaktem, nowe dane mogły pozwolić badaczom na oficjalne ogłoszenie odkrycia, kończąc kilkudziesięcioletni okres poszukiwań i dając początek zupełnie nowej erze w poznawaniu tajemnic materii i Wszechświata.

Trzy dekady poszukiwań
bozon biggsa to nie kolejna zwykła cząstka – to zwornik wspaniałej intelektualnej budowli, jaką jest Model Standardowy, splot wielu przenikających się nawzajem teorii, które tworzą współczesną fizykę cząstek elementarnych. Istnienie cząstki zasugerował w 1964 roku Peter W. Higgs z University of Edinburgh, wymyślając subtelny mechanizm, który tłumaczył źródło masy cząstek. Podobne hipotezy niezależnie od siebie zaproponowali François Englert i Robert Brout z Brukseli oraz trzech teoretyków z Londynu. Bozon Higgsa jest ucieleśnieniem eterycznego fluidu (zwanego polem Higgsa), który przenika każdy zakątek kosmosu i nadaje cząstkom elementarnym określone masy. Po odkryciu kwarków i gluonów w latach siedemdziesiątych, a na początku lat osiemdziesiątych także masywnych nośników oddziaływania słabego – bozonów W i Z, większość elementów składających się na Model Standardowy pasowało do siebie jak ulał.

Chociaż teoretycy byli zgodni, że bozon Higgsa – albo jakaś podobna cząstka – musi istnieć, nie potrafili przewidzieć, jaka może być jej masa. Z tego i innych powodów badacze nie mieli zbyt wielu wskazówek, co do kierunku poszukiwań. Pierwszy kandydat mniej więcej dziewięć razy lżejszy od protonu pojawił się w 1984 roku, w trakcie badań prowadzonych w zmodernizowanym, dysponującym niską energią zderzaczu elektronowo-pozytonowym w Hamburgu w Niemczech. Jednak okazało się, że był to trop fałszywy.

Większość teoretyków uważała, że masa higgsa powinna być od 10 do 100 razy większa. Oznaczało to, że odkrycie cząstki wymaga zderzacza udostępniającego zakres zdecydowanie wyższych energii, być może potężniejszego niż Tevatron w Fermi National Laboratory – zderzacz protonów i antyprotonów o obwodzie 6 km, którego budowę ukończono w 1983 roku. W tym samym roku w CERN rozpoczęto budowę wartego miliard dolarów Wielkiego Zderzacza Elelektronowo-pozytonowego (LEP), umieszczając go w wykonanym specjalnie w tym celu kolistym tunelu o długości 27 km, który czterokrotnie przecinał francusko-szwajcarską granicę w pobliżu Genewy. Chociaż LEP zaprojektowano do innych zadań, poszukiwanie bozonu Higgsa zajęło wysoką pozycję na liście celów.

Fizycy cząstek elementarnych ze Stanów Zjednoczonych, zachęceni hasłem prezydenta Reagana „myślcie o rzeczach wielkich”, lobbowali pod koniec lat osiemdziesiątych za przeznaczeniem kilku miliardów dolarów na budowę dużo większego superzderzacza SSC (Superconducting Super Collider). Dzięki obserwacji zderzeń protonów o energii 40 TeV (40  000 GeV, czyli 40 bln elektronowoltów) SSC miał umożliwić poszukiwania bozonu Higgsa nawet wtedy, gdyby jego masa była bliska 1000 GeV.

Kiedy jednak okazało się, że koszty byłyby niemal dwukrotnie wyższe od przewidywanych i zbliżyły się do 10 mld dolarów, Kongres zadecydował o rezygnacji z projektu. Rozczarowani takim obrotem spraw poszukiwacze higgsa ze Stanów Zjednoczonych musieli kontynuować badania, zadowalając się instalacjami dostępnymi w Fermilabie i w CERN-ie. Odkrycia i precyzyjne pomiary zrealizowane za pomocą zderzaczy LEP i Tevatron wkrótce wykazały, że masa bozonu Higgsa nie powinna przekraczać 200 GeV, co oznaczało, że jego odkrycie jest w zasięgu obydwu tych zderzaczy. Jednak trwające dekadę poszukiwania nie przyniosły żadnych dowodów, chociażby garbków na wykresach.

W ciągu ostatniej sesji pomiarowej LEP, latem 2000 roku, badacze zdecydowali się maksymalnie zwiększyć energię zderzeń, przekraczając wartość projektową. I wtedy pojawiły się pierwsze ślady higgsa. We wrześniu dwa z czterech zespołów eksperymentalnych poinformowały o zdarzeniach z udziałem bozonu Z oraz tajemniczej cząstki, która rozpadała się na dwa kwarki b (niskie). Cząstką tą mógł być bozon Higgsa o masie 115 GeV. Ówczesny dyrektor CERN Luciano Maiani wydłużył czas pracy zderzacza o sześć tygodni, ale w tym czasie badacze zarejestrowali zaledwie jedno potencjalnie interesujące zdarzenie. Po gorącej dyskusji Maiani zdecydował się zakończyć ostatecznie pracę LEP i przystąpić do budowy jego następcy, Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), który zaprojektowano w celu znalezienia bozonu Higgsa.

Coraz bliżej odkrycia
lhc to najbardziej spektakularne połączenie nowoczesnych technologii. Zbudowany wewnątrz mieszczącego wcześniej LEP tunelu przez setki fizyków i inżynierów specjalizujących się w akceleratorach pod kierunkiem Lyndona Evansa, w niewielkim stopniu wykorzystuje elementy swojego poprzednika. Do jego najważniejszych części składowych należy ponad 1200 nadprzewodzących magnesów dipolowych – połyskujących 15-metrowych cylindrów, każdy o wartości przeszło miliona dolarów. Te, chyba najbardziej zaawansowane podzespoły spośród kiedykolwiek produkowanych seryjnie, dostarczyły firmy z Francji, Niemiec i Włoch. Ich wnętrze kryje dwie rury służące do prowadzenia wiązek, oplecione cewkami magnesów ze stopu niobu z tytanem zanurzonymi w ciekłym helu o temperaturze 1,9 K czyli −271°C. W zderzaczu biegną dwie przeciwbieżne wiązki protonów, o energii do 7 TeV i prędkości bliskiej prędkości światła.

Struktura wiązki przypomina bardziej tę z lasera impulsowego niż lampy błyskowej. Każda wiązka składa się z prawie 1400 paczek mieszczących do 150 mld protonów, z grubsza tylu, ile gwiazd liczy Droga Mleczna. Podczas normalnej pracy spotkanie dwóch paczek daje od 10 do 30 zderzeń proton–proton. Odpowiada to mniej więcej 500 mln zderzeń na sekundę.

Zderzenia protonów są dużo bardziej skomplikowane niż zderzenia elektron-pozyton. Richard Feynman, teoretyk z California Institute of Technology, porównał kiedyś podobny eksperyment do „rzucania pojemnikami na śmieci w inne pojemniki na śmieci”. Protony to złożone obiekty zbudowane z kwarków i gluonów: w najbardziej interesujących przypadkach zdarza się, że dwa gluony zderzają się z energią przeszło 100 GeV, czasami nawet około 1 TeV. Fizycy uzbrojeni w wyrafinowane detektory, specjalnie zaprojektowane układy elektroniczne i najbardziej zaawansowane komputery starają się wyłowić nieliczne interesujące zdarzenia spośród miliardów zupełnie nieciekawych.

W eksperymentach ATLAS i CMS nie da się zaobserwować bozonu Higgsa bezpośrednio: rozpada się on na inne cząstki o wiele za szybko. Poszukuje się dowodów, że bozon pojawił się we wnętrzu detektorów. Zależnie od swojej masy, bozon Higgsa może rozpadać się na lżejsze cząstki na wiele sposobów [patrz ramka powyżej]. W 2011 roku badacze skupili się na rzadkich rozpadach na dwa fotony lub cztery naładowane leptony, ponieważ zdecydowanie odróżniałyby się one od olbrzymiego tła, w którym z łatwością mogły utonąć wszelkie sygnały związane z higgsem.

Roczne opóźnienie w CERN spowodowane początkową awarią dało fizykom z Fermilabu dodatkową szansę na odkrycie higg­sa. Tuż przed planowanym zamknięciem Tevatronu we wrześniu 2011 roku zespoły prowadzonych tam eksperymentów CDF i D-Zero raportowały niewielką nadwyżkę zdarzeń, w których pary kwarków b pojawiały się z łączną energią pomiędzy 125 i 155 GeV. Ale podobnie jak w przypadku zderzacza LEP, badacze nie zdołali przekonać dyrektora, aby dał im jeszcze trochę czasu. Wkrótce potem Tevatron został ostatecznie wyłączony [patrz: Tim Folger, „Poszukiwany: bozon Higgsa”; Świat Nauki, XI/2011]. W marcu bieżącego roku fizycy opublikowali bardziej szczegółowe analizy świadczące o występowaniu szerokiego piku z maksimum 125 GeV, wzmacniając w ten sposób rezultaty CERN z 2011 roku.

Przełom
wysiłki zespołu ekspertów i operatorów kierowanego przez Stephena Myersa, szefa LHC, sprawiły, że na początku maja 2012 roku zderzacz dostarczał dane z wydajnością 15 razy większą niż Tevatron w swoim najlepszym okresie. Trwająca sesja pomiarowa była zwieńczeniem 20 lat pracy tysięcy fizyków uczestniczących w eksperymentach ATLAS i CMS, którzy zbudowali, a następnie eksploatowali obydwa detektory, stworzyli system komputerowy rozsyłający dane do ośrodków na całym świecie, a także sprzęt i oprogramowanie wyszukujące najbardziej interesujące zderzenia w oceanie tych, które zostały zarejestrowane. Wszyscy pracowali teraz jak natchnieni, przeczuwając bliskość odkrycia. Kiedy w połowie czerwca zostały udostępnione zbiory danych, trzeba było zmierzyć się z przefiltrowaniem potopu zdarzeń. Studenci i stażyści, którzy pracowali przez całą noc z wypiekami na twarzy, przygotowali prezentacje, w których mieli przedstawić swoje wnioski.