So last year, on the Fourth of July, experiments at the Large Hadron Collider discovered the Higgs boson. It was a historical day. There's no doubt that from now on, the Fourth of July will be remembered not as the day of the Declaration of Independence, but as the day of the discovery of the Higgs boson. Well, at least, here at CERN.
Tavaly, 2012. július 4-én, a Nagy Hadronütköztetőben [LHC] végzett kísérletekkel kimutatták a Higgs-bozon létezését. Történelmi nap volt ez. Nem vitás, hogy mostantól fogva július negyedikéről nem az Amerikai Egyesült Államok függetlenségi nyilatkozata jut majd először az eszünkbe, hanem az, hogy ezen a napon felfedezték fel a Higgs-bozont. Vagy legalábbis itt, a CERN-ben, így lesz.
But for me, the biggest surprise of that day was that there was no big surprise. In the eye of a theoretical physicist, the Higgs boson is a clever explanation of how some elementary particles gain mass, but it seems a fairly unsatisfactory and incomplete solution. Too many questions are left unanswered. The Higgs boson does not share the beauty, the symmetry, the elegance, of the rest of the elementary particle world. For this reason, the majority of theoretical physicists believe that the Higgs boson could not be the full story. We were expecting new particles and new phenomena accompanying the Higgs boson. Instead, so far, the measurements coming from the LHC show no signs of new particles or unexpected phenomena.
Számomra azonban annak a napnak a legnagyobb meglepetése az volt, hogy nem volt semmilféle nagy meglepetés. Egy elméleti fizikus szemével a Higgs-bozon csak ügyes magyarázat arra, mitől van tömege bizonyos elemi részecskéknek, ám ez nem tűnik igazán kielégítő és teljes magyarázatnak. Túl sok kérdést hagy megválaszolatlanul. A Higgs-bozon nem rendelkezik azzal a szépséggel, szimmetriával és eleganciával, ami a többi elemi részecske sajátja. Ezért az elméleti fizikusok többsége úgy véli, hogy a Higgs-bozon nem jelentheti a történet végét. Arra számítottunk, hogy új részecskék és új jelenségek kísérik majd a Higgs-bozont. De az eddigi mérések az LHC-ben nyomát sem mutatják új részecskéknek vagy váratlan jelenségeknek.
Of course, the verdict is not definitive. In 2015, the LHC will almost double the energy of the colliding protons, and these more powerful collisions will allow us to explore further the particle world, and we will certainly learn much more.
Persze az ítélet nem végleges. 2015-re az LHC csaknem megduplázza az ütköző protonok energiáját, és az erőteljesebb ütközések segítségével mélyebbre hatolhatunk a részecskék világába, és bizonyára sokkal többet megtudunk.
But for the moment, since we have found no evidence for new phenomena, let us suppose that the particles that we know today, including the Higgs boson, are the only elementary particles in nature, even at energies much larger than what we have explored so far. Let's see where this hypothesis is going to lead us. We will find a surprising and intriguing result about our universe, and to explain my point, let me first tell you what the Higgs is about, and to do so, we have to go back to one tenth of a billionth of a second after the Big Bang. And according to the Higgs theory, at that instant, a dramatic event took place in the universe. Space-time underwent a phase transition. It was something very similar to the phase transition that occurs when water turns into ice below zero degrees. But in our case, the phase transition is not a change in the way the molecules are arranged inside the material, but is about a change of the very fabric of space-time.
De pillanatnyilag, mivel nem találtuk semmi jelét új jelenségeknek, feltételezhető, hogy a ma ismert részecskék, beleértve a Higgs-bozont, az egyedüli elemi részecskék a természetben, még sokkal nagyobb energiáknál is, mint amit eddig vizsgálni tudtunk. Nézzük meg, hogy ez a hipotézis hová fog vezetni bennünket. Meglepő és izgalmas következtetésre fogunk jutni az univerzummal kapcsolatban, és hogy ez érthető legyen, hadd beszéljek először arról, hogy mi is a Higgs, de ehhez vissza kell mennünk az időben az egytized milliárdod másodpercig az ősrobbanás után. Mert a Higgs-elmélet szerint ebben a pillanatban drámai esemény következett be az univerzumban. A téridő fázisátalakuláson ment keresztül. Ez a dolog hasonlított ahhoz a fázisátmenethez, ami a víz jéggé alakulását eredményezi nulla Celsius-fok alatt. De ebben az esetben a fázisátalakulás nem olyan változás, mely a molekulák [vagy atomok] átrendeződését jelenti az adott anyagban. A változás ezúttal magát a téridő szövetét érinti.
During this phase transition, empty space became filled with a substance that we now call Higgs field. And this substance may seem invisible to us, but it has a physical reality. It surrounds us all the time, just like the air we breathe in this room. And some elementary particles interact with this substance, gaining energy in the process. And this intrinsic energy is what we call the mass of a particle, and by discovering the Higgs boson, the LHC has conclusively proved that this substance is real, because it is the stuff the Higgs bosons are made of. And this, in a nutshell, is the essence of the Higgs story.
Ebben a fázisátalakulásban az üres tér egy anyaggal telt meg, melyet ma Higgs-térnek hívunk. Ez az anyag láthatatlan ugyan számunkra, de fizikailag létezik. Mindig és mindenütt körülvesz minket, akárcsak a levegő, melyet ebben a teremben belélegzünk. Bizonyos elemi részecskék kölcsönhatnak ezzel az anyaggal, energiát nyerve ezáltal. És ez a belső energia az, melyet úgy hívunk, hogy a részecske tömege. A Higgs-bozon felfedezésével az LHC egyértelműen bebizonyította, hogy ez az anyag létezik, mert ez az, amelyből a Higgs-bozon felépül. Dióhéjban ennyi a Higgs-sztori lényege.
But this story is far more interesting than that. By studying the Higgs theory, theoretical physicists discovered, not through an experiment but with the power of mathematics, that the Higgs field does not necessarily exist only in the form that we observe today. Just like matter can exist as liquid or solid, so the Higgs field, the substance that fills all space-time, could exist in two states. Besides the known Higgs state, there could be a second state in which the Higgs field is billions and billions times denser than what we observe today, and the mere existence of another state of the Higgs field poses a potential problem. This is because, according to the laws of quantum mechanics, it is possible to have transitions between two states, even in the presence of an energy barrier separating the two states, and the phenomenon is called, quite appropriately, quantum tunneling. Because of quantum tunneling, I could disappear from this room and reappear in the next room, practically penetrating the wall. But don't expect me to actually perform the trick in front of your eyes, because the probability for me to penetrate the wall is ridiculously small. You would have to wait a really long time before it happens, but believe me, quantum tunneling is a real phenomenon, and it has been observed in many systems. For instance, the tunnel diode, a component used in electronics, works thanks to the wonders of quantum tunneling.
De azért a történet ennél sokkal izgalmasabb. A Higgs-elmélet tanulmányozása közben az elméleti fizikusok felfedezték -- nem kísérletileg, hanem a matematika erejével --, hogy a Higgs-tér nem feltétlenül csak abban a formában létezhet, amelyben ma megfigyelhető. Ahogy az anyag folyadékként és szilárd testként is létezhet, úgy a Higgs-tér, az egész téridőt kitöltő anyag is két állapotban létezhet. Az ismert Higgs-állapoton kívül létezhet egy másik állapot is, melyben a Higgs-tér milliárdszor és milliárdszor sűrűbb, mint amit ma látunk, és már a puszta lehetősége annak, hogy létezik egy másik Higgs-állapot, potenciális problémát vet fel. Azért van ez, mert a kvantummechanika törvényei megengedik az átmenetet két állapot között akkor is, ha egy nagy energiagát választja el azokat. Ezt a jelenséget hívják találó módon kvantummechanikai alagúteffektusnak. Ilyen alagúthatás folytán eltűnhetnék ebből a teremből, és előbukkanhatnék a szomszédosban, gyakorlatilag áthatolva a válaszfalon. De ne számítsanak arra, hogy bemutatom ezt a mutatványt önök előtt, mert a valószínűség, hogy áthatolok a falon, nevetségesen kicsi. Jó sokáig kéne várniuk arra, hogy ez megtörténjen, de elhihetik nekem, hogy az alagúthatás létező jelenség, melyet sok rendszerben megfigyeltek már. Például az alagútdióda működése -- egy elektronikai alkatrészről van szó -- azon a csodán alapszik, melyet alagúthatásnak hívnak.
But let's go back to the Higgs field. If the ultra-dense Higgs state existed, then, because of quantum tunneling, a bubble of this state could suddenly appear in a certain place of the universe at a certain time, and it is analogous to what happens when you boil water. Bubbles of vapor form inside the water, then they expand, turning liquid into gas. In the same way, a bubble of the ultra-dense Higgs state could come into existence because of quantum tunneling. The bubble would then expand at the speed of light, invading all space, and turning the Higgs field from the familiar state into a new state.
De térjünk most vissza a Higgs-térre. Ha az ultrasűrű Higgs-állapot létezne, akkor az alagúthatás miatt ennek az állapotnak egy buborékja hirtelen megjelenhetne az univerzum valamely helyén, valamely pillanatban, hasonlóan ahhoz, ami a víz forralásakor történik. A víz belsejében gőzbuborékok keletkeznek, majd tovább növekednek, és a víz gázzá alakul. Az ultrasűrű Higgs-állapot egy buboréka szintén létrejöhet alagúthatás révén. Ez a buborék aztán fénysebességgel tágulva, átbillentené az egész teret a megszokott állapotából az új állapotba.
Is this a problem? Yes, it's a big a problem. We may not realize it in ordinary life, but the intensity of the Higgs field is critical for the structure of matter. If the Higgs field were only a few times more intense, we would see atoms shrinking, neutrons decaying inside atomic nuclei, nuclei disintegrating, and hydrogen would be the only possible chemical element in the universe. And the Higgs field, in the ultra-dense Higgs state, is not just a few times more intense than today, but billions of times, and if space-time were filled by this Higgs state, all atomic matter would collapse. No molecular structures would be possible, no life.
Probléma ez? Az bizony, nagy probléma. A hétköznapi életben nem is gondolunk rá, de a Higgs-tér intenzitása kritikus az anyag szerkezete szempontjából. Ha a Higgs-tér néhányszor intenzívebb volna, az atomok összezsugorodnának, a neutronok elbomlanának az atommagban, a magok szétesnének, és a hidrogén lenne az egyetlen lehetséges elem az univerzumban. Márpedig a Higgs-tér az ultrasűrű Higgs-állapotban nem csupán néhányszor intenzívebb a mostaninál, hanem több milliárdszor, és ha a téridőt ez a Higgs-állapot töltené ki, akkor minden atomos anyag összeomlana. Nem léteznének molekulák, és nem volna élet.
So, I wonder, is it possible that in the future, the Higgs field will undergo a phase transition and, through quantum tunneling, will be transformed into this nasty, ultra-dense state? In other words, I ask myself, what is the fate of the Higgs field in our universe? And the crucial ingredient necessary to answer this question is the Higgs boson mass. And experiments at the LHC found that the mass of the Higgs boson is about 126 GeV. This is tiny when expressed in familiar units, because it's equal to something like 10 to the minus 22 grams, but it is large in particle physics units, because it is equal to the weight of an entire molecule of a DNA constituent.
Lehetséges volna, hogy egyszer csak a Higgs-tér fogja magát, fázisváltozáson megy át, és alagúthatás révén átalakul ebbe a kellemetlen, ultrasűrű állapotba? Vagy kérdezzük így: Mi lesz a sorsa a Higgs-térnek ebben az univerzumban? Nos, a kritikus támpont a kérdés megválaszolásához a Higgs-bozon tömege. Az LHC-s kísérletek szerint a Higgs-bozon tömege kb. 126 GeV. Ez hétköznapi egységben kifejezve parányi, hiszen nagyjából csak 10 a mínusz 22-iken grammról van szó, ám részecskefizikai értelemben óriási, hiszen ekkora a tömege egy egész timinmolekulának is, a DNS egyik összetevőjének.
So armed with this information from the LHC, together with some colleagues here at CERN, we computed the probability that our universe could quantum tunnel into the ultra-dense Higgs state, and we found a very intriguing result. Our calculations showed that the measured value of the Higgs boson mass is very special. It has just the right value to keep the universe hanging in an unstable situation. The Higgs field is in a wobbly configuration that has lasted so far but that will eventually collapse. So according to these calculations, we are like campers who accidentally set their tent at the edge of a cliff. And eventually, the Higgs field will undergo a phase transition and matter will collapse into itself.
Az LHC-tól kapott információ birtokában, néhány kollégával itt a CERN-ben, kiszámítottuk annak a valószínűségét, hogy univerzumunk átalagutazzon az ultrasűrű Higgs-állapotba, és izgalmas eredmény jött ki. Számításaink azt mutatták, hogy a Higgs-bozon tömegére kapott érték nagyon különleges. Éppen akkora ez az érték, hogy az univerzumot függőben tartsa egy instabil helyzetben. A Higgs-térnek ez a labilis konfigurációja kitartott eddig, de végül össze fog omlani egyszer. Tehát a számításaink szerint úgy vagyunk, mint a turista, aki a sátrát véletlenül egy szakadék szélén verte fel. A végén tehát a Higgs-tér fázisátalakulást szenved, és az anyag magába omlik.
So is this how humanity is going to disappear? I don't think so. Our calculation shows that quantum tunneling of the Higgs field is not likely to occur in the next 10 to the 100 years, and this is a very long time. It's even longer than the time it takes for Italy to form a stable government.
Így végzi tehát az emberiség? Nem hiszem. Számításaink szerint az alagúthatás bekövetkezése a Higgs-tér esetében nemigen várható 10 a 100-adikon éven belül, ami nagyon hosszú idő. Még annál is hosszabb, amennyi Olaszországnak kéne ahhoz, hogy stabil kormánya legyen.
(Laughter)
(Nevetés)
Even so, we will be long gone by then. In about five billion years, our sun will become a red giant, as large as the Earth's orbit, and our Earth will be kaput, and in a thousand billion years, if dark energy keeps on fueling space expansion at the present rate, you will not even be able to see as far as your toes, because everything around you expands at a rate faster than the speed of light. So it is really unlikely that we will be around to see the Higgs field collapse.
Akkorra már régen eltűntünk a színről. Úgy 5 milliárd éven belül a Nap vörös óriássá válik, akkora lesz, mint a Föld pályája, és a Földnek annyi. És 1000 milliárd éven belül, ha a sötét energia továbbra is azzal az elánnal tágítja a teret, mint most, a lábujjunkig sem fogunk ellátni, mert körülöttünk minden a fénynél sebesebben tágul majd. Tehát igazán nem valószínű, hogy tanúi leszünk a Higgs-tér összeomlásának.
But the reason why I am interested in the transition of the Higgs field is because I want to address the question, why is the Higgs boson mass so special? Why is it just right to keep the universe at the edge of a phase transition? Theoretical physicists always ask "why" questions. More than how a phenomenon works, theoretical physicists are always interested in why a phenomenon works in the way it works. We think that this these "why" questions can give us clues about the fundamental principles of nature. And indeed, a possible answer to my question opens up new universes, literally. It has been speculated that our universe is only a bubble in a soapy multiverse made out of a multitude of bubbles, and each bubble is a different universe with different fundamental constants and different physical laws. And in this context, you can only talk about the probability of finding a certain value of the Higgs mass. Then the key to the mystery could lie in the statistical properties of the multiverse. It would be something like what happens with sand dunes on a beach. In principle, you could imagine to find sand dunes of any slope angle in a beach, and yet, the slope angles of sand dunes are typically around 30, 35 degrees. And the reason is simple: because wind builds up the sand, gravity makes it fall. As a result, the vast majority of sand dunes have slope angles around the critical value, near to collapse. And something similar could happen for the Higgs boson mass in the multiverse. In the majority of bubble universes, the Higgs mass could be around the critical value, near to a cosmic collapse of the Higgs field, because of two competing effects, just as in the case of sand.
Azért érdekel engem mégis a Higgs-tér átmenete, mert izgat a kérdés, hogy mért ennyire speciális a Higgs-bozon tömege. Mért éppen akkora, hogy az univerzumot a fázisátmenet peremén tartsa? Az elméleti fizikusok kérdései mindig "miért"-tel kezdődnek. A "Hogy működik ez a jelenség?"-nél jobban érdekli az elméleti fizikust a "Mért működik ez a jelenség úgy, ahogy működik?" típusú kérdés. Úgy véljük, hogy ezek a "miért" kérdések adják a kulcsot a természetet vezérlő alapelvekhez. Márpedig az egyik lehetséges válasz új univerzumokat tár fel, mégpedig szó szerint. Spekulációk tárgya, hogy ez a mi univerzumunk itt talán csak egy buborék a multiverzum habjában, melyet buborékok sokasága alkot, ahol mindegyik buborék egy másik univerzum -- más fizikai állandókkal és más fizikai törvényekkel. Ebben a kontextusban csak arról van értelme beszélni, hogy mi a valószínűsége annak, hogy a Higgs-tömeg egy bizonyos értékű legyen. Így a rejtély kulcsát a multiverzum statisztikus tulajdonságai szolgáltatják. Olyasmi ez, mint amit a parti homokdűnék esetében látunk. Elvileg mindenféle lejtésszögű homokdűne előfordulhat a parton, ám a homokdűnék lejtésszöge tipikusan 30-35 fokos. A magyarázat egyszerű: a szél felhordja a homokot, a gravitáció pedig leviszi. Ezért a dűnék túlnyomó részén a lejtésszög a kritikus érték körül van, közel a leomláshoz. Hasonló lehet a helyzet a Higgs-bozon tömegével is a multiverzumban. Az univerzumbuborékok többségében a Higgs-tömeg a kritikus érték körüli lehet, közel a Higgs-tér kozmikus összeomlásához, melyet két ellenkező hatás okoz, akárcsak a homok esetében.
My story does not have an end, because we still don't know the end of the story. This is science in progress, and to solve the mystery, we need more data, and hopefully, the LHC will soon add new clues to this story. Just one number, the Higgs boson mass, and yet, out of this number we learn so much. I started from a hypothesis, that the known particles are all there is in the universe, even beyond the domain explored so far. From this, we discovered that the Higgs field that permeates space-time may be standing on a knife edge, ready for cosmic collapse, and we discovered that this may be a hint that our universe is only a grain of sand in a giant beach, the multiverse.
De a történetnek nincs vége ezzel, mert a történet vége még nem ismeretes előttünk. A tudomány fejlődése már csak ilyen. Ahhoz, hogy a rejtélyt megfejtsük, több adat kell, és remélem, az LHC hamarosan új támpontokkal szolgál a történet folytatásához. Csak egy szám -- a Higgs-bozon tömege --, és lám, ebből az egy számból mennyi mindent megtudhatunk. Kiindultam egy hipotézisből, miszerint az ismerteken kívül nincs más elemi részecske az univerzumban az eddig feltárt részeken túl sem. Ebből rájöttünk, hogy a Higgs-tér, mely az egész téridőt áthatja, talán pengeélen táncol, készen a kozmikus összeomlásra, és rájöttünk, hogy ez arra utalhat, hogy univerzumunk talán csak egy homokszem egy hatalmas parton, melyet multiverzumnak hívnak.
But I don't know if my hypothesis is right. That's how physics works: A single measurement can put us on the road to a new understanding of the universe or it can send us down a blind alley. But whichever it turns out to be, there is one thing I'm sure of: The journey will be full of surprises.
Azt persze nem tudom, hogy igaz-e a hipotézisem. Mert a fizika így működik: Egyetlen mérés a megértés új útjára vezethet bennünket az univerzumot illetően, ám ugyanúgy zsákutcába is vihet. De akárhogy dől el a végén, egyben biztos vagyok: Az utazás tele lesz meglepetéssel.
Thank you.
Köszönöm.
(Applause)
(Taps)