Higgsi bosoni avastamise lugu

Higgsi bosoni avastamise lugu

Pohmelus pärast Higgsi

Andi Hektor ajakirjast Sirp, 19.09.2013.

Fundamentaalfüüsikuid on tabanud mitu matsu korraga.

Viimased viiskümmend aastat painas maailma parimate füüsikute krobelisi ajusid näiliselt lihtne küsimus: miks on need osakesed, millest koosneme meie ja meid ümbritsev maailm, massiivsed? Füüsikateooria järgi peaksid need olema massitud. Kuidas siis nii, küsime meie, kui raske ohkega vannitoakaalult maha astudes ilmselgelt kogeme oma kaalukust. Just nimelt sel põhjusel mõtlesid füüsikud välja teooria, mis seletab meie kaalukust ja mis sisaldab ka üht uut osakest, Higgsi bosonit. Pärast viiekümneaastast otsimist on see osake nüüd lõpuks leitud. Quo vadis, fundamentaalfüüsika?

Istun hämaras suures saalis, mille lavale on suunatud eredad prožektorid. Publik on haaratud eakast ettekandjast, õhus on pinget, rahulolu ja uudishimu. Hoolimata sellest, et väljas on mõnus päikseline suveilm, on tuhatkond kuulajat kogunenud juba hommikul siia hämarasse saali jälgima professor Peter Higgsi monoetendust „Mina ja minu boson”. 
Peter Higgs on staar, osakestefüüsika megastaar. (Teaduse megastaari staatusele viitab vististi Paul Diracile omistatud mõte, et ta eelistab kümne tuhande idioodi tormilistele ovatsioonidele kümne geeniuse heakskiitvat üminat.) Megastaari kohta on Higgs tagasihoidliku olemisega, isegi kohmetu, aga ootamatult kergesti haarab ta publiku endaga kaasa oma eneseirooniliste naljade ja pidevalt sassi minevate ettekandeslaididega. Kuid miks ei peaks tema lugu publikut haarama? Selles on olemas kõik see, mis teeb ühe loo huvitavaks: noorpõlve suured otsimised, avastused ja esimene armastus, viiskümmend aastat õnnetut ootamist ning siis õnnelik lõpp. Ja seda kõike jutustab vana mees, tõsiselt ja säravate silmadega. Panen tähele, et tema monoloogis kõlab üllatavalt tihti sõna „vein”.

Professor Higgsi monoloogi võib kokku võtta nii. Füüsika on teatavasti teadus, mis uurib meid ümbritsevat maailma, üritades seda kirjeldada matemaatika keeles. Osakestefüüsikat huvitavad kõige väiksemad nähtused meie ümber – kujuteldamatult väikesed osakesed ja see, kuidas need üksteist mõjutavad. Tänapäeval usutakse, et seda maailma kirjeldab matemaatiline mudel, mida osakestefüüsikud nimetavad proosaliselt standardmudeliks. Higgsi boson on standardmudeli üks nurgakivi. Ilma selle bosonita ei osata seletada osakeste masse ja seda, miks on looduses esinev „nõrk vastasmõju” nii nõrk. Seega oli põhjust kõvasti pingutada bosoni leidmiseks, sest ilma selleta oleks osakestefüüsika arusaamine meie maailmast sisuliselt kokku kukkunud. Selle kübekese, Higgsi bosoni, otsimine oli üks peamisi põhjusi, miks ehitati miljardeid eurosid maksma läinud Tevatroni- ja LHC-nimelised osakestepõrgatid Ameerikas Chicago ja Euroopas Genfi lähistele.

Nüüd tagasi veini juurde. Vein on teatavasti tarkade inimeste jook. Veiniga liialdamine võib pakkuda mõnusa õhtu, aga vääramatu tõenäosusega järgneb sellele ebameeldiv hommik. Mõneti sarnasesse olukorda on sattunud osakestefüüsika. Higgsi bosoni avastamine oli viiekümneaastase ponnistuse vili ning see tõi kaasa eufooria ja šampanjajoad. Nüüd on boson leitud, pidu läbi, öö möödas ja vaikselt ärkavad pidulised pilutavad oma paistes silmi, tundes, kuidas tühjus poeb hinge. Viiskümmend aastat on ponnistatud, et see neetud Higgsi boson kätte saada. Nüüd on see käes, kõik on nagu korras, aga kuidas eluga edasi minna?

Olukord on veel hullem
Viimased kolmkümmend aastat on paljud füüsikud uskunud, et Higgsi bosoniga koos leiame ka märke supersümmeetriast. Laskumata detailidesse, siis supersümmeetriat on vaja selleks, et lahendada mainitud standardmudeli mõningaid väikseid nõrkusi. Üks olulisem neist on hierarhia probleem ehk miks on Higgsi boson nii kerge. Paljude füüsikute arvates oleks loomulik, et boson on miljardeid kordi kaalukam, kui olid ennustanud füüsikaeksperimendid. Supersümmeetria on üks võimalus selgitada bosoni nii väikest massi. Kui Higgsi bosoni massiks mõõdeti 126 GeV (umbes 126 vesiniku aatomi mass), siis supersümmeetria fanaatikud hõõrusid käsi – nii madala massi puhul peaks kindlasti leidma uusi osakesi, mida supersümmeetria teooria ennustab. Oh häda! Ühtegi sellist osakest ei ole veel leitud. Nüüd näib hoopis, et supersümmeetrikute kulmude vahele on tekkinud tõsine murekorts.

Sellega mured ei piirdu. Higgsi bosoni mass on veel ühes mõttes huvitav. Nimelt, Higgsi bosoni massist sõltub, kas vaakum on stabiilne või mitte. Nördinud lugeja protestib siinkohal: „Kui miski siin maailmas on püsiv, siis võiks see olla täiesti tühi ruum.” Rahu, ainult rahu! Lihtsurelike ajaskaalas võime muretud olla, vaakum ei hakka veel niipea lagunema. Vaakumi ebastabiilsus avaldub kümnete-sadade miljardite aastate ajaskaalas. Aga kui vaakum siiski peaks meie läheduses lagunema hakkama, siis on see sündmus meile kindlasti katastroofiline. „Meie vaakumi” lagunemine madalama energiaga vaakumiks näeks välja nagu hiiglasliku tulekera levik läbi universumi, kusjuures tulekera leviks valguse kiirusega ja see hävitaks oma teel kõik keerulisemad ainestruktuurid. Veidral kombel on Higgsi bosoni mass täpselt stabiilse-ebastabiilse juhu piiril: kui Higgsi boson oleks raskem, siis oleks vaakum stabiilne, ja kui boson oleks kergem, siis oleks vaakum ebastabiilne. Seega on bosoni mass just täpselt selline, et maailm n-ö ripub stabiilse-ebastabiilse vaakumi piiril. Kas see on juhus või peitub selle taga mingi sügavam põhjus, seda me kahjuks veel ei tea.

Unistuste purunemine
Fundamentaalfüüsikuid on tabanud mitu matsu korraga. Esiteks, ühe suure eesmärgi täitumine on tekitanud kerge pohmeluse ja eesmärgituse tunde. Pohmelusega käivad kaasas mõned tõsisemad haigussümptomid: unistuste purunemine (supersümmeetria), Higgsi bosoni veider mass (vaakumi stabiilsus-ebastabiilsus). Tundub, et ühest ravivast aspiirinist võib siinkohal väheseks jääda. Võib-olla on see hoopis mingi tõsisem haigus, mis on küpsenud näiliselt terves kehas juba aastaid? Enne kui asume lõplikku diagnoosi panema, räägime lühidalt fundamentaalfüüsika tagatoast. 

Fundamentaalfüüsika tegeleb paratamatult probleemidega, mis on väga sageli eksperimentaalfüüsika haardeulatusest väljas. Füüsikaeksperimentide teostamist piiravad meid ümbritseva füüsilise maailma paratamatused ja raha hulk, mida ühiskond on nõus füüsikaeksperimentidesse panustama. Fundamentaalfüüsika hüppab vahel väga kaugele eemale reaalsest füüsilisest maailmast ja siis jälle tõmmatakse see kareda ja karmi eksperimentaatorikäega tagasi elule lähemale. Kuna reaalse maailma kainestav mõju on nõrk, siis on fundamentaalfüüsikas alati olnud oluline roll tagatoal. Kui tagatoas on soositud mõni füüsikateooria, siis kipub kogu füüsikute kogukond seda paratamatult rohkem või vähem järgima. Kui suur on füüsikute tagatuba? Sajand tagasi koosnes see tinglik tagatuba ehk kümmekonnast maailma tippfüüsikust. Nüüdseks on füüsikute koguarv suurenenud pea sada korda. Nagu ühiskonnas kombeks, siis tagatoad moodustavad umbes kuupjuure huvitatud seltskonna koguarvust. Seega võiks tinglik tänapäeva tagatuba koosneda umbes viiekümnest füüsikust. 

Milline on mõttelise tagatoa roll füüsikas? Möödunud sajandi seitsmekümnendatel tehti osakestefüüsikas mitu olulist läbimurret. Mõeldi välja ja kontrolliti eksperimentaalselt tugeva vastasmõju olemust. Samal kümnendil saadi selgust ka nõrga vastasmõju omadustes. Just samadel seitsmekümnendatel mõtlesid füüsikateoreetikud välja supersümmeetria, stringiteooria ja ühendteooriad. Ühendteooriate järgi ühinevad kõik looduses tuntud vastastikmõjud mingi väga kõrge energia juures üheks vastasmõjuks. Sellised teooriad on matemaatiliselt paeluvad ja esteetilised. Stringiteooria väidab ennast ühendavat gravitatsiooninähtused ja osakestefüüsikast tuntud elektromagnetilise, nõrga ja tugeva vastasmõju. 

Juhtus nii, et enamik teoreetikuid asus suure hurraaga esteetiliselt nauditavate supersümmeetria, stringiteooria ja ühendteooriate uurimisele. Samas hoopis põletavamad ja elulisemad füüsikaprobleemid (tugev vastasmõju jm) lükati riiulile paremaid aegu ootama. Seda paljuski põhjusel, et neid käsitlev matemaatika on suhteliselt ebaesteetiline. Ka tagatuba asus igati soosima supersümmeetria, stringiteooria ja ühendteooriate uurimist ja nii keskendusid tuhanded osakestefüüsikud neile teemadele aastakümneteks. Nüüd, pärast aastakümneid kestnud rasket tööd võivad supersümmeetriaga tegelnud füüsikud avastada ennast lõhkise küna eest. Higgsi bosoni avastamine pidi ju tooma kaasa ka supersümmeetria avastamise! Näib, et selle asemel küpsetab see hoopis revolutsioonilist situatsiooni. Alamkihid ei taha ja ülemkihid enam ei saa vana viisi jätkata. Kas siis fundamentaalfüüsika ongi haige? Kas tõesti on küpsemas revolutsiooniline situatsioon? Kuidas seda haigust ravida? On hästi teada, et revolutsiooni ajal hakkab aspiriini müük kiratsema, sest pohmelust ja peavalu hakatakse ravima giljotiiniga. Stopp! Meil on revolutsiooniga veel veidike aega. LHC-nimeline põrgati hakkab umbes aasta pärast uuesti tööle, nüüd juba hoopis paremas vormis supersümmeetria püüdmiseks. Ehk pääseme vaid kerge ehmatusega ja pidu jätkub peatselt hoopis väikse peaparandusega …

Aeg näitab, kuidas fundamentaalfüüsika praegusest olukorrast välja rabeleb. Tasub meenutada, et fundamentalistid on ennegi paradigmade murranguid üle elanud ja tegelikult sellega päris hästi hakkama saanud. 1905. aastal sündis erirelatiivsusteooria, mis muutis meie arusaamist aja ja ruumi suhetest. 1920. aastatel sündis kvantmehaanika, mis muutis kardinaalselt meie arusaamist mikromaailmast, füüsikalise suuruse mõõtmisest ja põhjuslikkusest. 1950. aastad tõid kaasa kvantväljateooria, mis muutis meie arusaamist vaakumi ja osakeste olemusest. Loodan, et kunagi võin kirjutada: olid murrangulised 2010. aastad …