„Boska cząstka” – czym jest bozon Higgsa?

Bozon Higgsa, znany też pod kolokwialną nazwą „boska cząstka”, został przewidziany w 1964 roku i odkryty dzięki Wielkiemu Zderzaczowi Hadronów w 2012 roku. Odkrycie tej cząstki uznano w mediach za jedno z najważniejszych osiągnięć fizyki cząstek elementarnych. Istnienie bozonu Higgsa wyjaśnia bowiem zagadkę, skąd cząstki elementarne biorą masę. Ponadto naukowcy uznali, że istnienie tej cząstki może potwierdzać teorię inflacji, która stanowi część teorii Wielkiego Wybuchu. Ale czy tak jest faktycznie?

Krótki wstęp do fizyki cząstek elementarnych

Na lekcjach fizyki uczyliśmy się o atomach, które składają się z jądra atomowego (protonów i neutronów) oraz elektronów krążących wokół jądra. Być może usłyszeliśmy też coś o kwarkach, z których składają się protony i neutrony. Uczyliśmy się także tego, że za oddziaływania elektromagnetyczne odpowiadają fotony. Jednak świat cząstek elementarnych wygląda dużo bardziej skomplikowanie i dobrze będzie wyjaśnić pokrótce te zawiłości, zanim przejdziemy do tego, czym jest bozon Higgsa.

Model standardowy

W fizyce funkcjonuje tzw. model standardowy cząstek elementarnych. Opisuje on podstawowe cząstki materii i oddziaływań między nimi. Najprostsze cząstki elementarne dzielą się na dwie podstawowe kategorie:

1. Fermiony (o spinie¹ połówkowym, wyrażanym najczęściej jako 1/2),
2. Bozony (o spinie całkowitym, wyrażanym najczęściej jako 0 lub 1).

1. Fermiony

Fermiony to, ogólnie rzecz biorąc, cząsteczki materii (i antymaterii). Dzielą się na:

• kwarki (i antykwarki),
• leptony (i antyleptony).

Kwarki to cząstki elementarne, między którymi zachodzą tzw. oddziaływania silne. Istnieje sześć rodzajów kwarków: górny „u”, dolny „d”, powabny „c”, dziwny „s”, szczytowy „t” i spodni „b”². Każdy kwark ma swojego odpowiednika w postaci antykwarku.

Kwarki łączą się w hadrony, które możemy podzielić na kilka kategorii. Jedną z nich są bariony (zawierają po trzy kwarki), które dzielą się znowu na tzw. nukleony i hiperony. Do nukleonów (cząstek złożonych tylko z kwarków „u” i „d”) należą znane nam protony („uud”) i neutrony („udd”). Hiperony zawierają co najmniej jeden kwark dziwny „s”. Oprócz barionów istnieją też niestabilne mezony, złożone z par kwark-antykwark, jednak z powodu swego spinu są zaliczane do bozonów.

Leptony to cząstki elementarne, które podlegają tzw. oddziaływaniu słabemu w interakcji z hadronami. Istnieje sześć rodzajów leptonów, są to: elektron i neutrino elektronowe, mion i neutrino mionowe, oraz taon i neutrino taonowe. Każdy lepton ma swój odpowiednik w postaci antyleptonu (np. pozyton to odpowiednik elektronu).

2. Bozony

Bozony to cząsteczki oddziaływania, które biorą udział w interakcji między opisanymi wyżej fermionami (cząstkami materii). W przyrodzie istnieją cztery oddziaływania podstawowe: silne, elektromagnetyczne, słabe i grawitacyjne. Model standardowy opisuje jedynie trzy pierwsze siły, bez grawitacji³. Za każde z tych oddziaływań odpowiadają konkretne bozony. Dzielą się one na:

• bozony cechowania (czyli nośniki oddziaływań):
  • foton – odpowiada za oddziaływanie elektromagnetyczne,
  • gluon – odpowiada za oddziaływanie silne,
  • bozony W+, W- i Z – odpowiadają za oddziaływanie słabe,
  • grawiton – cząstka hipotetyczna (dotychczas nieodkryta), która miałaby odpowiadać za grawitację,
• bozony skalarne (pot. skalary⁴):
  • bozon Higgsa (higgson, odkryty w 2012 roku).

Ze względu na swój spin całkowity, do bozonów zalicza się też mezony (pary kwark-antykwark), o czym wspomnieliśmy wyżej.

Czym jest bozon Higgsa?

Na początku naukowcy szukali jedynie wyjaśnienia zajścia tzw. spontanicznego załamania symetrii w oddziaływaniach elektrosłabych (ich rozpadu na oddziaływania elektromagnetyczne i słabe) we wczesnym wszechświecie⁵. W jego efekcie miały się pojawić bozony oddziaływania słabego (posiadające masę) i fotony (nie mające masy).

To podsunęło kolejne pytanie o to, w jaki sposób bezmasowe cząstki elementarne uzyskują masę. Peter Higgs i in. uznali, że wszystkie cząstki elementarne posiadające masę (tylko fotony i gluony jej nie mają) pozyskują ją podczas interakcji pól kwantowych tych cząstek z dodatkowym polem o charakterze skalarnym. Proces ten nazwano mechanizmem Higgsa. Pole Higgsa ma istnieć wszędzie w próżni, a jego nośnikiem miałby być szczególny bozon skalarny, zwany właśnie bozonem Higgsa lub „boską cząstką”⁶.

Teorię sformułowano jeszcze w 1964 roku. Jednak cząstka ta została eksperymentalnie wykryta dopiero 4 lipca 2012 roku przez Wielki Zderzacz Hadronów w szwajcarskim CERN-ie⁷. W 2013 roku, za przewidzenie cząstki odpowiedzialnej za masę innych cząstek elementarnych, Peter Higgs i jego kolega François Englert otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Dlaczego jest to „boska” cząstka?

Masa jest tym, co spaja cały wszechświat, gdyż od niej zależy m.in. siła grawitacji. Dlatego cząstka, która kontroluje masę innych cząstek elementarnych, otrzymała miano „boskiej cząstki”. Autorem tego określenia jest fizyk Leon Lederman, który w 1993 roku razem z Dickiem Teresi wydał książkę pod tytułem Boska cząstka⁸. Jednak określenie to wzbudziło kontrowersje wśród fizyków, z których wielu jest ateistami, w tym sam Peter Higgs (sam Lederman dziś twierdzi, że to był żart z jego strony⁹). Mimo to określenie „boska cząstka” niejako przylgnęło do higgsonu.

Potwierdzenie Wielkiego Wybuchu?

Tymczasem sama ta cząstka jako taka nie ma wiele wspólnego z Bogiem. Ma ona jednak bardzo wiele wspólnego z Bożym stworzeniem. Oprócz wyjaśnienia pochodzenia masy naukowcy uznali, że bozon Higgsa potwierdza teorię inflacji, która miała mieć miejsce krótko po Wielkim Wybuchu 13,8 mld lat temu i tym samym potwierdza sam Wielki Wybuch¹⁰.

Jednak nie wszyscy naukowcy przyjmują teorię o Wielkim Wybuchu i teorię inflacji. Dr Danny R. Faulkner skomentował to następująco: „To przesada, ponieważ to [bozon Higgsa] nie mówi nic na temat samego Wielkiego Wybuchu. Prowadzone badania dotyczą tego, co jest tu i teraz, i czujemy się komfortowo badając to, w jaki sposób świat istnieje i działa.” Również Jason Lisle z Institute for Creation Research twierdzi, że: „Jest to pomieszanie dwóch problemów. Teoria Wielkiego Wybuchu to jedynie przypuszczenie dotyczące przeszłości, tego jak wszechświat mógł powstać z niczego. A bozon Higgsa nie ma z tym nic wspólnego”¹¹.

Czy „boska cząstka” potwierdza istnienie Boga?

Ateiści mogą twierdzić, że skoro ta tzw. „boska cząstka” wyjaśnia początki wszechświata bez potrzeby istnienia Stworzyciela, to Bóg nie musi istnieć¹². Tymczasem może być wręcz na odwrót. Jason Lisle uważa, że: „Bozon Higgsa wyjaśnia nam, jak wszechświat działa obecnie. Wygląda to na mechanizm, który Bóg wybrał, aby nadawać różnym cząstkom inną masę”¹³.

Krótko mówiąc, bez pola i bozonów Higgsa nie istniałaby żadna materia, a bez materii nie istniałby nasz świat ani my. Dlatego odkrycie uznawane przez niektórych za dowód na brak potrzeby istnienia Boga równie dobrze może stanowić wspaniały dowód na doskonale przemyślane zaprojektowanie wszechświata przez inteligentnego Stworzyciela.

Przypisy

1. Spin – własny, wewnętrzny moment pędu cząstki w układzie, gdzie nie wykonuje ona żadnego ruchu postępowego (np. do przodu). Można go sobie wyobrazić jako obrót cząstki (wyobrażanej jako kulka) wokół własnej osi, lecz w kontekście mechaniki kwantowej stanowi to ogromne uproszczenie.
2. Oznaczenia literowe kwarków biorą się z nazw w języku angielskim: up, down, charm, strange, top i bottom.
3. Model standardowy nie opisuje grawitacji, ponieważ gdy naukowcy próbują połączyć ogólną teorię względności Einsteina i współczesną teorię grawitacji z mechaniką kwantową, pojawiają się sprzeczności. Dlatego poszukują tzw. teorii wszystkiego, która jednoczyłaby wszystkie cztery oddziaływania.
4. Cząstka skalarna – cząstka, którą można opisać za pomocą tzw. skalaru, czyli jednej liczby rzeczywistej wyrażającej jakąś wielkość fizyczną charakterystyczną dla tej cząstki. W przypadku bozonu Higgsa taką wielkością fizyczną jest masa.
5. Mason J., Has the ‘God particle’ been found?, Creation Ministries International, 7 lipca 2012, https://creation.com/higgs-boson-god-particle
6. Bozon Higgsa – i co dalej?, Chip, 17 lipca 2021, https://www.chip.pl/2021/07/bozon-higgsa-i-co-dalej/
7. Ibid.
8. Lederman L., Teresi D., Boska cząstka: jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?, Prószyński i S-ka, 1993.
9. Peralta E., The Man Who Coined 'The God Particle’ Explains: It Was A Joke!, NPR, 15 marca 2013, https://www.npr.org/sections/thetwo-way/2013/03/15/174440162/the-man-who-coined-the-god-particle-explains-it-was-a-joke?t=1632414535879
10. Spencer W., The God Particle and the God of Particles, Answers in Genesis, 19 września 2012, https://answersingenesis.org/physics/higgs-boson-god-particle/the-god-particle-and-the-god-of-particles/
11. Mitchell E., Higgs Boson Not God Particle, Still Incredible, Answers in Genesis, 23 marca 2013, https://answersingenesis.org/physics/higgs-boson-god-particle/higgs-boson-not-god-particle-still-incredible/
12. The Matter of Mass—Making Sense of the “God Particle”, Answers in Genesis, 5 lipca 2012, https://answersingenesis.org/physics/higgs-boson-god-particle/the-matter-of-massmaking-sense-of-the-god-particle/
13. Mitchell E., op. cit.