François Englert i Peter W. Higgs zostali wyróżnieni za teorię wyjaśniającą mechanizm, dzięki któremu podstawowe składniki materii - cząstki elementarne - nabierają masy. Uczeni podzielą się nagrodą w wysokości 8 mln koron, czyli nieco ponad 900 tys. euro. Jak głosi oficjalny komunikat Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk, tegorocznego Nobla z fizyki przyznano za „teoretyczne odkrycie mechanizmu, który przyczynia się do lepszego rozumienia pochodzenia masy cząstek subatomowych. Istnienie tego mechanizmu zostało niedawno potwierdzone przez odkrycie nowej cząstki w eksperymentach ATLAS i CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN”.

Od dawna mówiło się, że to oni mają największe szanse na Nagrodę Nobla w tym roku. Byli jednymi z pierwszych fizyków, którzy w połowie lat 60. zeszłego wieku przewidzieli istnienie nieznanej cząstki elementarnej - nazywanej poetycko „boską cząstką” - niezbędnej do tego, by z podstawowych cegiełek materii można było sklecić taki świat, jaki widzimy.

W tamtych czasach, gdy trwała zimna wojna między ZSRR i USA i wyścig światowych mocarstw na Księżyc, fizycy w zaciszu gabinetów obmyślali wielki plan budowy Wszechświata. Mniej więcej wówczas ustalili pełną listę podstawowych cząstek, z których składa się wszystko to, co istnieje i kiedykolwiek istniało.

W tym planie Wszechświat można porównać do murowanego domu, zbudowanego z wielu rodzajów cegieł, które spaja wieloskładnikowa zaprawa. Cegiełkami są tu kwarki i leptony, składnikami zaprawy zaś - tzw. bozony cechowania, które sklejają materię w całość, dzięki czemu solidne rzeczy, takie jak jabłka, krzesła czy stoły, nie rozpadają się.

Do leptonów należą m.in. elektron i neutrina, a kwarki budują protony i neutrony w jądrach atomów, natomiast bozony to m.in. cząstka światła foton, czy gluony, które są lepiszczem kwarków.

Ten zestaw kilkudziesięciu w sumie cząstek wydaje się kompletny. Wspaniale wyjaśnia niemal każdy aspekt rzeczywistości, przynajmniej tej na Ziemi (pomińmy na razie kwestię tajemniczej ciemnej materii i ciemnej energii, które odkryto w kosmosie).

Po co jeszcze dodatkowa cząstka, „boska”?

Problem tkwił w masie. Elementarne cząstki są już dalej niepodzielne, mają rozmiar miliardy razy mniejszy niż atom. W praktyce wygląda na to, że są po prostu matematycznymi punktami - nie mają żadnej objętości, a w każdym razie nie da się jej zmierzyć. Ale mimo to - jak wynika z eksperymentów - różnią się masą i są to różnice niebagatelne. Masa elektronu jest na przykład milion razy mniejsza niż masa najcięższego z kwarków! Z kolei neutrino jest tysiące razy lżejsze niż elektron.

Skąd te różnice? Dlaczego i w jaki sposób natura nierówno obdzieliła te cząstki masą? Dlaczego foton jest nieważki, a bozon Z masywniejszy niż atom żelaza, choć te dwie cząstki są pod innymi względami jak bracia bliźniacy? Takie pytania gnębiły badaczy.

Jedyny sensowny mechanizm, który to wyjaśnia, wymyślił właśnie prof. Peter Higgs oraz - niezależnie - grupa kilku innych fizyków teoretyków w połowie lat 60. ubiegłego wieku. W tym mechanizmie główną rolę odgrywała pewna dodatkowa i nieznana wtedy cząstka elementarna. Dużo później jeden z fizyków - amerykański noblista Leon Lederman - ochrzcił ją „boską cząstką”, choć - jak się kiedyś przyznał - tak naprawdę chciał ją nazwać „piekielną”. Piekielnie długo bowiem wodziła fizyków za nos i wymykała się poszukiwaniom. Nie zostawiała śladów w eksperymentach, a z drugiej strony bez niej teoria nie była spójna.

Specjalnie po to, by ją w końcu dopaść, kosztem miliardów euro zaprojektowano i skonstruowano Wielki Zderzacz Hadronów w ośrodku CERN pod Genewą - najpotężniejsze narzędzie badawcze w dziejach. Wszyscy odetchnęli z ulgą, gdy CERN ogłosił w zeszłym roku, że krnąbrna cząstka wreszcie została odkryta. Pojawiła się jako nikły wzgórek na wykresie danych, gdzie żadnego wzniesienia nie powinno być.

Teoria z lat 60. znalazła więc potwierdzenie i jest dziś niezwykłym przykładem triumfu ludzkiej myśli, która potrafi zawczasu przewidzieć to, co kryje w swym arsenale dziwadeł natura.

Prof. Krzysztof Meissner, Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego:

– Tegoroczny werdykt to ukłon w stronę teorii i triumf myśli, która przewidziała istnienie cząstki 50 lat przed jej odkryciem, na podstawie samej prostoty i elegancji praw, które powinny rządzić kosmosem. W podobny sposób swoich odkryć dokonał Einstein. Też najpierw wymyślił, jaka zasada rządzi światem, potem sformułował ogólną teorię względności, a w końcu zrobiono doświadczenia. Ten sam schemat powtórzono tutaj. Najpierw była myśl teoretyczna, potem wbudowanie jej w teorię, a na końcu doświadczalne potwierdzenie. Zdaniem prof. Meissnera, odkrycia tegorocznych noblistów uzupełnia to, co nazywamy Modelem Standardowym, czyli całość obecnej wiedzy o cząstkach elementarnych. Jedynym brakującym elementem była właśnie przewidywana pół wieku temu tzw. cząstka Higgsa. Potwierdzenie jej istnienia wymagało nieprawdopodobnej technologii. – Nagroda Nobla przyznawana jest za prace potwierdzone eksperymentalnie, a nie tylko za pracę teoretyczną. Bardzo trudną decyzją było rozstrzygnięcie, czy można złamać zasady i przyznać nagrodę również ośrodkowi CERN. Jednak nie było w nim jednego człowieka, lidera, który odpowiadałby za odkrycie cząstki – podkreśla prof. Meissner.

Pół wieku czekania

Odkrycie tzw. boskiej cząstki – bozonu Higgsa – stało się naukową sensacją w 2012 roku. To właśnie z myślą o poszukiwaniach tej cząstki wybudowano gigantyczny Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) pod Genewą – największą i najbardziej skomplikowaną maszynę stworzoną przez ludzi. Przy dwóch eksperymentach – ATLAS i CMS – pracowało prawie 6 tys. naukowców, także z Polski.

Udało się: istnienie teoretycznie przewidywanej cząstki potwierdzono eksperymentalnie. Trzeba było na to jednak czekać prawie pół wieku.

Obaj tegoroczni laureaci w 1964 roku opublikowali niezależnie od siebie prace naukowe, w których przewidzieli istnienie cząstki, która została nazwana – może nie w pełni zasłużenie – na cześć Petera Higgsa.

Komisja Noblowska, przyznając tegoroczną nagrodę, przywraca „sprawiedliwość”. Ale cząstka ma jeszcze jednego odkrywcę – zmarłego w 2011 roku Roberta Brouta, który współpracował z François Englertem. Gdyby żył, byłby prawdopodobnie trzecim laureatem tegorocznej nagrody w dziedzinie fizyki.

Brout, Englert i Higgs teoretycznie wyjaśniali, w jaki sposób cząstki obdarzane są masą. Jak wskazał Higgs, jedną z kluczowych konsekwencji tego mechanizmu jest istnienie masywnego bozonu nieznanego wówczas typu. Te nowe w latach 60. idee rozwinęli amerykańscy badacze Carl Hagen i Gerald Guralnik oraz Tom Kibble z Wielkiej Brytanii.

Nieznana cząstka została odkryta w 2012 roku przez eksperymenty ATLAS i CMS w CERN. Fizycy praktycy dowiedli, że teoretycy mieli rację.

Obaj tegoroczni nobliści spotkali się po raz pierwszy dopiero 4 lipca 2012 roku, kiedy specjaliści z CERN z dumą ogłaszali wyniki potwierdzające istnienie nieznanej wcześniej cząstki. – Jestem rozpromieniony wiadomością, że tegoroczna Nagroda Nobla z fizyki przypadła w udziale badaczom pracującym w dziedzinie fizyki cząstek – powiedział prof. Rolf Heuer, dyrektor naczelny CERN. – Odkrycie cząstki eksperymentalnie weryfikującej mechanizm Brouta-Englerta-Higgs’a to owoc dziesięcioleci intelektualnego wysiłku wielu ludzi pracujących na całym świecie.