Fizika v šoli 29 Strokovni prispevki Uvod Fiziki delcev leta 2022 praznujejo prav posebno obletni- co. Pred desetimi leti, 4. julija 2012, se je namreč konča- lo večdesetletno iskanje Higgsovega bozona, osnovnega delca, ki ga je Peter Higgs predvidel že v šestdesetih letih prejšnjega stoletja. Kar 48 let je trajalo, da so njegovo hipotezo lahko tudi eksperimentalno preverili. Eksperi- ment, ki so ga za to potrebovali, je namreč največji in najkompleksnejši eksperiment v fiziki – veliki hadron- ski trkalnik v Evropski organizaciji za jedrske raziskave (CERN) v Švici. Pri tem eksperimentu je sodelovalo več tisoč znanstvenikov, strojnikov, gradbenikov in mnogih drugih, ki so stremeli k istemu cilju – boljšemu razume- vanju sveta in vesolja. Higgsov bozon in škatle skrivnosti: Kako deluje znanost? Anja Kranjc Horvat Evropska organizacija za jedrske raziskave CERN, Ženeva, Švica Jakob Novak, Blaž Leban Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Izvleček Iskanje Higgsovega bozona danes velja za najdaljše raziskovanje v zgodovini fizike delcev. V ečdesetletno sodelovanje med teoretičnimi in eksperimentalnimi fiziki, inženirji, tehniki, diplomati in tudi učitelji, ki je vodilo do tega odkritja, je tako izvrsten primer znanosti v nastajanju. Zgodovina tega prelomnega odkritja lahko učencem in dijakom pomaga spoznati različne vidike narave znanosti in znanstvenih metod raziskovanja. V tem članku bomo predstavili kratek oris zgodovine raziskovanja Higgsovega bozona ter jo prek praktičnih aktivnosti s škatlami skrivnosti neposredno povezali z naravo znanosti. Predstavljene aktivnosti so primerne tako za osnovne kot tudi srednje šole, učitelji pa za izvedbo potrebujejo minimalno opremo. Ključne besede: Higgsov bozon, fizika delcev, narava znanosti, škatle skrivnosti Higgs Boson and Mystery Boxes: How Does Science Work? Abstract The search for the Higgs boson is now considered to be the lengthiest in the history of particle physics. The decades- -long collaboration between theoretical and experimental physicists, engineers, technicians, diplomats, and even tea- chers, which led to this discovery , is thus a remarkable example of science in the making. The history of the ground- -breaking discovery can help pupils and students learn about several aspects of the nature of science and the scientific method of research. This article briefly outlines the history of the research into the Higgs boson and relates it directly to the nature of science through hands-on mystery box activities. These are suitable for both primary and secondary schools and require minimal equipment. Keywords: Higgs boson, particle physics, nature of science, mystery boxes. Slika 1: Odkritje Higgsovega bozona je bilo razglašeno 4. juli- ja 2012 v CERN. Na sliki je trenutna direktorica CERN, takratna vodja kolaboracije eksperimenta ATLAS. [1] 30 Kaj sploh je Higgsov bozon in zakaj je zanimiv? V teoriji standardnega modela, ki trenutno najnatanč- neje opisuje pojave na lestvici osnovnih delcev, so polja ključnega pomena. Osnovni delci, kakršen je tudi Hi- ggsov bozon, so vzbujena stanja teh polj. Vsaka vrsta del- cev je vzbujeno stanje svojega polja. T ako je foton vzbu- jeno stanje elektromagnetnega polja, elektron vzbujeno stanje elektronskega polja, Higgsov bozon pa vzbujeno stanje Higgsovega polja. Polja si lahko predstavljamo kot vodo, ki zaseda vso pro- stornino morja. Če gladino morja vzbudimo s kamenč- kom, lahko nad gladino opazimo pljusk vode. T a pljusk si lahko predstavljamo kot delce. Higgsov bozon je tako kot nekakšen pljusk, ki nastane, ko vzbudimo Higgsovo polje. T ovrstna polja so prisotna povsod v vesolju in tako vpli- vajo tudi na svet okoli nas. Elektromagnetno polje tako povzroča elektromagnetno silo med nabitimi delci, po- sledica prisotnosti Higgsovega polja pa je masa delcev. Delci imajo tako različne mase zaradi različnega vpliva Higgsovega polja nanje. Elektroni so torej lahki, saj Hi- ggsovo polje nanje nima močnega vpliva. Po drugi strani pa na primer Higgsovo polje mnogo močneje vpliva na mione, kar povzroči, da imajo ti višjo maso. Higgsovo polje zapolnjuje prav vse kotičke vesolja: od središča Sonca do brezmejnega prostora med zvezdami. Noben delec snovi ne uide vplivu Higgsovega polja, zato v vesolju ne najdemo brezmasnih elektronov. V esolje, kot ga poznamo, brez Higgsovega polja ne bi moglo obstaja- ti. Brezmasni elektron ne bi bil vezan na atomsko jedro, torej vesolje ne bi bilo sestavljeno iz atomov. Poleg tega v odsotnosti Higgsovega polja ne bi bilo protonov, saj bi ti v trenutku razpadli v nevtrone. Nihče si ne zna zares predstavljati, kakšno bi bilo vesolje brez Higgsovega po- lja. Vsekakor pa galaksij, supernov, planetov in življenja ne bi bilo. Dolgoletno raziskovanje, ki je vodilo k odkritju Higgso- vega bozona, lahko pomaga učencem predstaviti tako fiziko delcev kot tudi naravo znanosti in znanstvenega raziskovanja. V tem članku bomo zato večje preskoke v raziskovanju Higgsovega bozona povezali z najpo- membnejšimi vidiki narave znanosti ter s praktičnim eksperimentiranjem s škatlami skrivnosti. Upamo, da bomo z dodanimi tremi aktivnostmi za učence čim več učiteljev spodbudili, da vpeljejo tovrstne aktivnosti tudi v svoj razred. Narava znanosti Poznavanje narave znanosti je osnova znanstvene pi- smenosti [2]. Ravno zato so vidiki narave znanosti vklju- čeni v učne načrte osnovnih in srednjih šol po vsem sve- tu kot del splošnih ciljev. Kljub temu pa učenci pogosto nimajo dobrega razumevanja narave znanosti [3]. Glede na to, da učni načrti in učbeniki principe narave znano- sti vključujejo pomanjkljivo in pretežno implicitno [4, 5], pomanjkanje razumevanja niti ni presenetljivo. Na- vsezadnje raziskave kažejo, da je eksplicitno poučevanje ključno za uspešno usvajanje narave znanosti [6, 7]. Različni viri poročajo o različnih vidikih narave znano- sti. V tem članku se osredotočamo zgolj na nekaj najpo- membnejših, povzetih po [8], ki so opisani v naslednjih nekaj odstavkih. Znanost je negotova. Znanost je zanesljiva in verodo- stojna, vendar nikoli gotova. Znanstvena dognanja se skozi čas spreminjajo na podlagi novih dognanj. Na- predki v tehnologiji nam namreč omogočajo boljše in natančnejše meritve, medtem ko lahko z napredkom v teoriji drugače interpretiramo že obstoječe podatke. Znanost je empirična. Znanstvena dognanja temeljijo na opazovanju naravnih pojavov. Pri tem za opazovanje štejemo tako opazovanje s človeškimi čutili (na primer s sluhom) kot tudi z merskimi instrumenti. Znanost je vpeta v teorijo. Sodobna znanost redko izvi- ra iz opazovanja naravnih pojavov. Pogosteje raziskave izvirajo iz teoretičnih predvidevanj. Pri tem znanstve- niki na podlagi določene teorije ustvarijo napoved izida testnega eksperimenta, ki ga nato primerjajo z rezultati eksperimenta. Če se napoved in rezultat ujemata, se za- upanje v teorijo, ki jo testirajo, poveča. Znanost je vpeta v družbo. Znanost odseva določeno družbeno in kulturno okolje. T o okolje določa, v kate- ro smer naj se znanost giblje, hkrati pa to povzroča do- ločeno mero subjektivnosti. En sam znanstvenik lahko tako rezultate eksperimenta interpretira subjektivno. S številom znanstvenikov, ki se z določeno interpretacijo strinjajo, pa zaupanje v interpretacijo raste. Znanstvena stroka ima zato dobro definirane postopke, ki pomagajo znanost narediti objektivnejšo (na primer strokovne re- cenzije in znanstvene konference). Znanstvena metoda ni samo ena. V znanosti ni samo enega recepta za uspeh. Včasih raziskave izvirajo iz teo- rije, včasih iz eksperimenta. Raziskava je lahko tudi sam napredek teorije. Kljub temu da so določeni principi raz- iskovanja vsem metodam skupni, tako ne moremo govo- riti o eni in edini pravi znanstveni metodi. Omenjene vidike narave znanosti lahko učencem in dijakom približamo na različne načine. Dva izmed teh načinov sta predstavljena v tem članku. Najprej si bomo pogledali dve aktivnosti s škatlami skrivnosti, nato pa še eno s pripovedovanjem zgodb (angl. storytelling). Škatle skrivnosti Škatle skrivnosti ali črne škatle so zaprte škatle z no- tranjo organizacijo, strukturo in obnašanjem, o katerih opazovalec nima informacij. Opazovalec ima le možnost vplivanja na sistem skozi vhodne kanale ter možnost za- Strokovni prispevki Fizika v šoli 31 znavanja odzivov skoznje [9]. Ravno zato so škatle skriv- nosti zelo dobro orodje za poučevanje konceptov narave znanosti [10–13]. Še bolje, uporabne so za zelo širok spekter starosti – vse od vrtca pa do srednje šole [14], marsikdo pa se iz njih kaj nauči tudi pozneje. Aktivnosti, opisane v tem članku, uporabljajo škatle skrivnosti s skrito notranjo strukturo in jekleno krogli- co, kot je prikazano na sliki 2. Ko škatlo premikamo, se kroglica kotali po notranjosti in zaletava v stene notra- nje strukture škatle. S pazljivim poslušanjem lahko na podlagi trkov s stenami določimo obliko te notranjosti. Material same žogice nam hkrati omogoča tudi zelo enostavno nadgradnjo eksperimenta, saj si lahko pri raz- iskovanju notranje strukture pomagamo tudi z magne- tom. V elja pa omeniti, da lahko predstavljene aktivnosti izvajamo tudi s katero koli drugo obliko škatel skrivno- sti, na primer s škatlo s skritim predmetom [15], s cevjo s poljubno prepletenimi vrvicami na sredini [16] ali celo s škatlo s skritim sistemom posod za vodo [17]. Vsem vrstam škatel skrivnosti je skupno to, da lahko učenci njihovo notranjo zgradbo opazujejo zgolj posredno, kar jih spodbudi, da se s serijo poskusov poskušajo čim bolj približati odgovoru. Slika 2: Škatla skrivnosti s skrito notranjo strukturo in jekleno kroglico. Škatla je natisnjena s 3D-tiskalnikom. Navodila za to 3D-natisnjeno škatlo lahko najdete na https://scoollab.web. cern.ch/3d-printable-mystery-box. [18] Aktivnost 1: Opazovanje škatel skrivnosti Prva aktivnost je opazovalni eksperiment, ki je primeren tako za osnovnošolce kot tudi za srednješolce. S pomoč- jo te aktivnosti se učenci in učenke spoznajo s škatlami skrivnosti ter z načinom dela pri tovrstnih aktivnostih. Cilj te aktivnosti je učencem predstaviti, kako razviti znanstveni model. Učenci so razdeljeni v manjše skupine (3–4 učenci na skupino). Vsaka skupina prejme velik bel list papirja in floma- stre (še bolje je, če je list papirja plastificiran, da lahko skupina svoje delo enostavno popravlja). Učitelj za demonstra- cijo potrebuje eno večjo škatlo skrivnosti katerega koli tipa. 1. Demonstracija škatle skrivnosti Učitelj predstavi škatlo skrivnosti tako, da lahko učenci z opazovanjem sklepajo o notranjosti škatle. V primeru zgoraj opisane škatle z notranjo strukturo učitelj škatlo obrača, da lahko učenci slišijo premikanje kroglice. Pri tem učitelj izpostavi, da ta del aktivnosti predstavlja empirično naravo znanosti. Znanstvene hipoteze najpogosteje izhajajo iz naših opazovanj, bodisi neposrednih (npr. zunanjost škatle je okrogla) bodisi posrednih (npr. notranjost škatle je v obliki trikotnika). T ako je tudi potreba po iskanju Higgsovega bozona delno prišla iz opazovanja. Čeprav je teorija narekovala brezmasne delce, so opazovanja pokazala, da delci maso vendarle imajo. 2. Ustvarjanje hipotez V naslednjem koraku učenci individualno razmislijo, kaj bi lahko bilo v škatlah. Sploh pri mlajših učencih naj učitelj spodbuja čim bolj ustvarjalne ideje. Naj torej ne bo narobe, če učenci predlagajo skritega palčka v škatli ali zvočnik, ki predvaja zvok. Ustvarjalnost je namreč izjemno pomembna tudi v znanosti in tehnologiji. Ustvarjalno razmišljanje je namreč tudi Tima Berner-Leeja privedlo do iznajdbe svetovnega spleta. Njegova naloga v CERN je namreč bila znanstvenikom z vsega sveta zagotoviti lažji dostop do informacij. V erjetno pa si takrat nihče ni niti predstavljal, kako lahko takšna naloga popolnoma spremeni svet. 32 3. Iskanje znanstvenega soglasja Učenci svoje ideje najprej predstavijo v svoji skupini, kjer se skupaj odločijo za model, ki se jim zdi najverjetnejši. Skupine nato svoje modele predstavijo še drugim skupinam. Pri tem je treba spodbujati kritično diskusijo o omejitvah predstavljenih modelov in mogočih izboljšavah. Brout, Englert in Higgs so svoje teoretične modele o delovanju Higgsovega polja predstavili v več člankih, objavljenih v zelo pomembnih fizikalnih revijah. S temi objavami so svoje delo poslali več tisoč znanstvenikom, ki so njihovo delo ovrednotili na podlagi lastnih izkušenj in znanja. Soglasje znanstvenikov po vsem svetu je bilo osnova za nadaljevanje raziskovanja in gradnjo novih eksperimentov. 4. Znanstvena negotovost Aktivnost sklenemo z vodeno diskusijo o znanstveni negotovosti. Pri tem učitelj spodbuja učence k razmišljanju o delih notranje strukture, ki jih ne moremo zaznati z opazovanjem tega tipa, na primer o barvi, okusu ali teksturi. V resnici brez odpiranja škatle ne moremo vedeti niti, ali je naše znanstveno soglasje res točno. Znanstvena negotovost je eden izmed težje razumljivih vidikov znanosti. V znanosti se tako vedno pogovarjamo o verjetnostih. Odkritje Higgsovega bozona je, na primer, zaznamovala besedna zveza »5 sigma«. T a besedna zveza je povezana z verjetnostjo, da je odkritje Higgsovega bozona zgolj naključje. Pri tej vrednosti je tako verjetnost, da je to odkritje zgolj naključje, le še 1 : 3,5 milijona. Z več meritvami se to razmerje še veča, vendar nikoli ne bomo dosegli popolne gotovosti. T a princip je skupen vsem področjem znanosti, zato v znanosti ne govorimo o neoporečnih dej- stvih. Aktivnost 2: Testiranje modelov Druga aktivnost je testni eksperiment, ki še dodatno izzove učence, da se spopadejo z ustvarjanjem hipotez in mode- lov. T a aktivnost je primernejša za malce starejše učence, posebej tiste, ki že imajo izkušnje s prvo aktivnostjo, pred- stavljeno v tem članku. Učenci so znova razdeljeni v manjše skupine, vsaka skupina pa dobi svojo škatlo skrivnosti. Poleg tega znova dobijo pripomočke za zapisovanje svojih idej. 1. Teoretični modeli Vsaka skupina skupaj s škatlo skrivnosti prejme tudi tri mogoče predloge, ki so ustvarjene na podlagi »teorije«. V primeru škatel z notranjo strukturo priporočamo, da ima poleg geometrijske zunanje oblike tudi skrito oviro, ki ni vnesena v nobeno izmed teoretičnih predlog (glej sliko 3). Učenci v skupinah škatle skrivnosti testirajo, da bi ugoto- vili, katera izmed teoretičnih predlog je pravilna. Slika 3: (Levo) Tri oblike v modrem prikazujejo mogoče teoretične napovedi, ki jih prejmejo učenci. (Desno) Črno-bela oblika prikazuje mogočo notranjost škatle skrivnosti, ki se ne ujema z nobenim od levih predlogov. Predvsem moderna znanost zelo pogosto izhaja iz teoretičnih napovedi. T udi Higgsov bozon je bil teoretično napo- vedan kar 48 let, preden je bil prvič empirično zaznan. Fizika v šoli 33 Strokovni prispevki 2. Predlog za financiranje Razlika med teoretičnimi napovedmi in opazovanjem kliče po novi raziskovalni opremi. Učencem je tako ponujena možnost, da zaprosijo za dodatno eksperimentalno opremo, na primer za magnet. V predlogu za financiranje morajo biti dobro opredeljeni problem, trenutna opazovanja ter načrt eksperimenta, ki bi ga izvedli s pomočjo nove eksperi- mentalne opreme. Ob tem naj učenci zapišejo tudi svoja predvidevanja o tem, kaj bodo našli z uporabo novega orodja. Pisanje predlogov za financiranje je eden izmed osnovnih početij v znanosti. Strokovne komisije predloge proučijo in nato dodelijo financiranja raziskovalnim skupinam, katerih predlog je dovolj dodelan. V eliki eksperimenti, kot je veliki hadronski trkalnik, so popolnoma odvisni od dobre zasnove, saj le tako lahko pridobijo financiranje od držav članic in drugih institucij. 3. Prelomno odkritje S pomočjo magneta učenci odkrijejo razliko med teorijo in eksperimentom. Učitelj ob tem spodbuja razmišljanje o tem, kaj to pomeni za predlagane teoretične modele. Pomembno je, da skozi diskusijo učenci ugotovijo, da novo odkritje nujno ne pomeni, da teoretični predlogi niso bili dobri. Nova znanstvena odkritja v resnici večinoma zgolj nadgrajujejo teorijo. Le redko nova odkritja teorijo popolnoma spremenijo. Znanost je negotova. Do odkritja Brout-Englert-Higgsove mehanike ter Higgsovega polja v 60-ih letih prejšnjega stoletja je bila masa osnovna lastnost delcev. Odkritje Higgsovega bozona pa je dodatno potrdilo, da je masa delcev v resnici zgolj interakcija med delci in Higgsovim poljem. Jakost te interakcije določa, kako masiven je delec. Inte- rakcija med delcem in Higgsovim poljem pa je še vedno povezana s samim delcem. T ako je masa še vedno osnovna lastnost, le njen izvor je z novim odkritjem bolj poznan. 4. Znanstvena konferenca Vsaka skupina ustvari plakat na temo svojega raziskovanja. Plakat naj vsebuje vse potrebne elemente, vključno s teoretičnimi napovedmi, opisom eksperimenta, rezultati in predlogi za nadaljnje raziskovanje. Skupine imajo nato kratke, triminutne predstavitve plakatov, kjer lahko druge skupine njihova odkritja še dodatno kritično ovrednotijo. Komuniciranje in skupinsko delo sta v znanosti ključnega pomena. Znanstveniki svoja odkritja redno objavljajo v okviru konferenc in znanstvenih revij. Pri tem jih drugi znanstveniki kritično ovrednotijo s strokovnimi recenzijami (angl. peer review) in predlagajo mogoče izboljšave. T ako je bilo odkritje Higgsovega bozona javno predstavljeno znanstveni skupnosti 4. julija 2012 v CERN, kjer sta dve skupini eksperimentalnih fizikov objavili svoje ugotovitve. Ker so njihove ugotovitve prepričale več tisoč znanstvenikov, zdaj temu pravimo znanstveno soglasje. Na koncu naj učenci skupaj z učiteljem povzamejo vse vidike narave znanosti, ki so jih spoznali ob teh aktivnostih. Učitelj lahko na tem mestu poudari razliko med prvo in drugo aktivnostjo. Ravno razlika med tema aktivnostma je dober prikaz različnih znanstvenih metod, ki kljub razlikam vključujejo najpomembnejše vidike narave znanosti. Ek- splicitna diskusija na to temo lahko učencem olajša prepoznavanja kakovostnih znanstvenih metod in lažjo kritično presojo znanstvenih dosežkov. Pripovedovanje zgodb Pripovedovanje zgodb učinkovito prenaša informacije, že odkar ljudje govorimo. Zato ni presenetljivo, da je eden izmed načinov poučevanja narave znanosti ravno pripovedovanje zgodb. Navsezadnje ravno z zgodovinskimi pre- gledi velikih odkritij na primeru iz dejanske znanosti podamo vse različne vidike narave znanosti. V tem članku si za zgodbo izbiramo odkritje Higgsovega bozona, seveda pa lahko učitelji za zgodbo izberejo tudi katero koli drugo odkritje na fizikalnem ali katerem koli drugem področju. V zgodbi, ki jo opisujemo spodaj, vidiki narave znanosti niso eksplicitno podani, saj je besedilo v obliki, ki jo učitelji pri tretji aktivnosti brez prilagajanja dajo analizirati učencem. Aktivnost 3: Zgodba o odkritju Higgsovega bozona Zadnja aktivnost je primerna predvsem za srednješolce, ki so že opravili prvi aktivnosti s škatlami skrivnosti. Pri tej aktivnosti učenci pregledajo zgodovinski oris odkritja Higgsovega bozona (spodaj) ter označijo primere različnih vidikov narave znanosti v besedilu. S to aktivnostjo učenci dodatno utrdijo svoje poznavanje narave znanosti ter se, upajmo, naučijo tudi česa iz fizike delcev, ki je učni načrt sicer ne vsebuje. 34 Odkrivanje Higgsovega bozona Spodaj opisana zgodba je kratek povzetek zgodovinske- ga dogajanja, ki je pripeljalo do odkritja Higgsovega bo- zona [19]. Vprašanje, ki se verjetno poraja marsikomu, je, zakaj so znanstveniki potrebovali toliko časa, da so odkrili Hi- ggsov bozon, če pa je njegovo polje povsod in je njegova vloga tako pomembna? Na to vprašanje ni enostavnega odgovora. Vlogo Higgsovega polja bi lahko primerjali z vlogo bakterij v ekosistemu. Nahajajo se povsod in njiho- va vloga je zelo pomembna, vendar smo šele z izumom mikroskopa dejansko prišli do razumevanja in kategori- zacije bakterij. Podobno je bilo Higgsovo polje dolga leta prezrto, ker ni bilo na voljo eksperimenta, ki bi razkril obnašanje osnovnih delcev v njegovi odsotnosti. V endar so fiziki delcev brez Higgsovega polja naleteli na veliko oviro. Vsi so si želeli opisati sile, ki delujejo med delci, a jim tega ni in ni uspelo zapisati v eni, bolj ali manj ele- gantni enačbi, čeprav so se temu zelo močno približali s kombinacijo različnih teoretičnih predpostavk. T ako se je rodil tako imenovani standardni model fizike delcev. A ta na videz popolni opis fizike delcev vendarle ni bil popoln. Enačba, ki je nastala iz dolgoletnega sodelova- nja, namreč ni veljala za delce z maso. T o seveda ne bi bil problem, če delci v resnici ne bi imeli mase. T ako pa še predobro vemo, da delci maso imajo. T a problem je leta 1964 vzporedno rešila množica fizikov (dva izmed njih sta na sliki 4): Peter Higgs z Univerze v Edinburgu, Rober Brout in François Englert s Svobodne Univerze v Bruslju ter Gerald Guralnik, Carl R. Hagen in T om Ki- bble z univerze Imperial College v Londonu. Omenjene skupine raziskovalcev takrat niso vedele druga za drugo, vendar so vsi prišli na podobno zamisel – kaj, če je vesolje zapolnjeno s posebnim poljem, ki na delce vpliva tako, da dobijo maso? Če polje vpliva na delce bolj, dobijo več mase, če pa nanje vpliva manj, je njihova masa manjša. Slika 4: Peter Higgs in François Englert po razglasitvi odkritja Higgsovega bozona v CERN. [20] Ideja se je prej omenjenim znanstvenikom porodila po- polnoma naključno. Fiziki, ki proučujejo trdno snov, so za razlago superprevodnosti vključili pojav tako imeno- vanega spontanega zloma simetrije. T a zlom simetrije je spodbudil val idej in nastal je mehanizem, ki ga danes poznamo kot Brout-Englert-Higgsov (BEH) mehani- zem, ter s tem razlaga za Brout-Englert-Higgsovo (ozi- roma na kratko Higgsovo) polje. Čeprav je ideja o BEH-mehanizmu požela veliko nav- dušenja med fiziki, pa je bila vseeno zgolj še ideja – ne- preverjena hipoteza, ki je v tistem času ni bilo mogoče niti eksperimentalno testirati. Polje je namreč izjemno težko zaznati. Na srečo je imel Peter Higgs dobro idejo. Kadar pravilno vzbudimo katero drugo polje, lahko za- znamo polju lasten delec. Pri vzbujanju elektromagne- tnega polja tako dobimo foton. Če torej Higgsovo polje dovolj močno vzbudimo, bomo morda zaznali delec, ki mu danes rečemo Higgsov bozon. A žal to še ni rešilo vseh težav. Še vedno namreč nihče ni vedel, kako močno je to polje treba vzbuditi. Edino, kar so vedeli, je, da bo za testiranje te teorije potreben ogromen, izjemno kompleksen ter neverjetno drag eks- periment – vsekakor prevelik zalogaj za eno samo razi- skovalno institucijo ali celo za eno samo državo. T ukaj v igro stopi CERN, mednarodna organizacija za raziskave na področju fizike delcev, ki združuje več deset držav, več sto ustanov in več tisoč strokovnjakov iz mnogih različnih področij. Po dolgih pogajanjih in pridobivanju financiranja so v CERN tako zgradili danes še vedno največji in najkompleksnejši eksperiment na svetu, ve- liki hadronski trkalnik (LHC, slika 5). T a 27 kilometrov dolgi obroč, ki leži v povprečju sto metrov pod zemljo, pospešuje protone na skoraj svetlobno hitrost. Izjemno hitri protoni nato trčijo v izjemno velikih detektorjih del- cev, kar včasih ravno dovolj vzbudi Higgsovo polje, da nastane Higgsov bozon. Slika 5: Veliki hadronski trkalnik v CERN. Na sliki so tunel, ki leži sto metrov pod zemljo, in veliki superprevodni magneti, ki usmerjajo žarke protonov. [21] Fizika v šoli 35 Strokovni prispevki Higgsovega bozona pa žal ne moremo zaznati s prostimi očmi niti ga ne moremo slišati. Pravzaprav je tako nesta- bilen, da ga niti ne bi imeli časa zaznati, saj se izjemno hitro transformira v druge, stabilnejše delce. V detektor- jih v CERN tako zaznavajo zgolj te dalj časa živeče del- ce, na podlagi katerih potem sklepamo o obstoju samega Higgsovega bozona. Žal pa ti delci nastajajo tudi zaradi drugih razlogov. Hi- ggsov bozon namreč ni edini delec, ki se še pred detek- torjem transformira v druge delce. Pri identifikaciji del- cev, ki so se transformirali še pred samo detekcijo, si tako fiziki pomagajo s teorijo. Ena izmed teoretičnih napove- di tako pravi, da se Higgsov bozon sorazmerno pogosto transformira v dva fotona, kot vidimo na sliki 6. Vse, kar torej potrebujemo za identifikacijo Higgsovega bozona, je identifikacija takšnega para fotonov. Seveda pa znova ne gre vse tako gladko. T udi mnogi drugi delci iz ozadja se namreč transformirajo v fotone. Slika 6: Vizualizacija trka dveh protonov v detektorju CMS, pri katerem nastaneta dva visokoenergijska fotona, prikazana z zeleno barvo. Slika bi lahko prikazovala delce, ki so nastali po transformaciji Higgsovega bozona, vendar tega ne moremo ve- deti brez statistične analize. [22] Postavlja pa se vprašanje – kdaj lahko fiziki rečejo, da je nek signal res posledica transformacije Higgsovega bo- zona in ne zgolj drugih transformacij iz ozadja? T ukaj si pomagamo s statističnimi orodji. Če izmerjeni podat- ki močno odstopajo od tega, kar bi sicer pričakovali od ozadja samega, lahko z določeno verjetnostjo trdimo, da ti podatki nakazujejo obstoj nekega (novega) delca. V znanosti je pogosto meja, nad katero lahko kaj takšne- ga trdimo, postavljena na tako imenovan »5 sigma«. T a meja nam pove, kdaj je verjetnost, da smo nekaj izme- rili popolnoma naključno, manjša od 1 : 3,5 milijona. T o magično mejo sta eksperimenta ATLAS in CMS v CERN presegla 4. julija 2012 (oziroma nekaj dni prej), ko so v glavnem avditoriju v CERN razglasili odkritje Higgsovega bozona. Pod znanstvena članka, ki sta v svet ponesla vse podrob- nosti o odkritju Higgsovega bozona, se je podpisalo več tisoč znanstvenikov, znanstvenic, inženirjev, inženirk in preostalih strokovnjakov, ki so aktivno pripomogli k temu odkritju. Le leto pozneje pa je to odkritje prine- slo Nobelovo nagrado tudi prvotnima avtorjema teorije Higgsovega polja, Petru Higgsu in Françoisu Englertu. Zgodbe pa še ni konec. Kot pravi Giacinto Piacqua- dio, eden od vodij Higgsove skupine pri eksperimentu ATLAS, »ko odkriješ nekaj novega, moraš natančno razumeti, kaj je to, kar si odkril«. Čeprav je od odkritja delca minilo že deset let, nam lahko nadaljnje raziskova- nje posredno daje namige za odkrivanje tako imenovane »nove fizike«, torej fizikalnih procesov ali delcev, ki jih do zdaj še ne poznamo. Kolaboraciji ATLAS in CMS tako iščeta »nevidne razpade« Higgsovega delca, pri ka- terih se ta transformira v delce, ki jih detektorji ne more- jo zaznati. Ti nevidni delci bi lahko bili gradniki temne snovi. Prav tako bi lahko natančne meritve interakcij Higgsovega bozona s samim sabo in z drugimi delci, ki bi odstopale od teoretičnih napovedi, lahko namigovale na obstoj dodatnih Higgsovih bozonov. S tem bi morda celo podale odgovor na eno izmed temeljnih vprašanj fi- zike osnovnih delcev: zakaj so osnovni delci razporejeni v točno tri generacije s tako različnimi masami? Pri ome- njenih raziskavah v okviru kolaboracije ATLAS sodeluje tudi skupina slovenskih znanstvenikov z odseka za eks- perimentalno fiziko osnovnih delcev Instituta Jožef Ste- fan in morda, čez nekaj let, tudi kdo izmed vas. Zaključek Razumevanje narave znanosti je ključnega pomena za razumevanje znanosti, vendar tega večina učnih načrtov ne vključuje na primeren način. V tem članku smo pred- stavili tri aktivnosti, s pomočjo katerih lahko učitelji bo- lje vključijo naravo znanosti v svoje učne ure. Aktivnosti, ki smo jih predstavili, so lahko prilagojene učencem v osnovnih in srednjih šolah z različnim predznanjem. Pri prvih dveh aktivnostih smo uporabili škatle skrivnosti s skrito notranjo strukturo, ki jih učitelji brez težav za- menjajo za katero koli drugo vrsto škatel skrivnosti. Ti aktivnosti prav tako nista omejeni na pouk fizike, brez težav ju lahko uporabimo tudi pri drugih predmetih (na primer naravoslovje ali kemija). Zadnja aktivnost je mal- ce kompleksnejša in potrebuje določeno predznanje o različnih vidikih narave znanosti. Ravno tako je kontekst fizike delcev kompleksnejši in zato primernejši za sta- rejše dijake. Seveda pa lahko kontekst in primere v vseh treh aktivnostih enostavno zamenjamo za kateri koli drug sodobni raziskovalni projekt, vse od gravitacijskih valov, razvoja cepiv do globalnega segrevanja. Učitelji, ki bi si želeli dodatne popestritve aktivnosti, pa lahko k so- delovanju povabijo tudi kakšnega znanstvenika, ki lahko iz prve roke razpravlja o znanstvenih metodah in naravi znanosti. V vsakem primeru pa naj se diskusija konča na pozitivno noto: znanost ni gotova. Prihodnost se bo go- tovo še marsikako spremenila – in morda bo kdo izmed tistih, ki jo spremeni, ravno eden izmed vaših učencev. 36 Viri in literatura [1] http://cds.cern.ch/record/1459503 (April, 2022) [2] Holbrook, J., in Rannikmae, M. (2007). The nature of science education for enhancing scientific literacy. International Journal of science education, 29(11), 1347–1362. [3] Lederman, N. G. (2007). Nature of science: Past, present, and future. In S.K. Abell & N. G. Lederman (ur.), Handbook of research on science education (831–880). Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum As- sociates. [4] Abd-El-Khalick, F. (2012). „Examining the sources for our understandings about science: Enduring conflations and critical issues in research on nature of science in science education. “ International journal of science education 34(3): 353–374. [5] Park, W., Yang, S., in Song, J. (2019). When modern physics meets nature of science. Science & Edu- cation, 28(9), 1055–1083. [6] Abd-El-Khalick, F., in Lederman, N. G. (2000). The influence of history of science courses on stu- dents’ views of nature of science. Journal of Research in Science Teaching, 37(10), 1057–1095. [7] Lederman, N. G. (2006). Syntax of nature of science within inquiry and science instruction. V L. B. Flick in N. G. Lederman (ur.), Scientific inquiry and nature of science (301–317). Dordrecht: Springer. [8] Abd-El-Khalick, F. (2012). „Examining the sources for our understandings about science: Enduring conflations and critical issues in research on nature of science in science education. “ International journal of science education 34(3): 353–374. [9] Cápay, M., in Magdin, M. (2013). Tasks for Teaching Scientific Approach Using the Black Box Me- thod. Proceedings of the European Conference on e-Learning, ECEL. [10] Lederman, N., in Abd-El-Khalick, F. (2002). Avoiding De-Natured Science: Activities that Promote Understandings of the Nature of Science, The Nature of Science in Science Education. [11] Passmore, C. M., in Svoboda, J. (2012). Exploring Opportunities for Argumentation in Modelling Classrooms, International Journal of Science Education, 34(10), 1535–1554. [12] Pralavorio, C., Saison-Marsollier, S., Petit, S., Dubois, L., Gaumer, O. (2018). Dans la peau des scien- tifiques, 8th edition, http://voisins.cern/sites/default/files/Livret_Dans%20la%20peau%20de%20 scientifiques_VERSION%20FINALE%202018-2019.pdf [13] Science Museum Group (2012). Mystery Boxes, https://learning.sciencemuseumgroup.org.uk/ wp-content/uploads/2020/04/SMG-Academy-Mystery-Boxes.pdf, https://www.youtube.com/ watch?v=hud8SPCcfu0. [14] Lederman, J., Bartels, S., Lederman, N. in Gnanakkan, D. (2014). Demystifying Nature of Science. Science & Children, 52, 40–45. [15] Douglas, L. (2014). Inquire Within: Implementing Inquiry- and Argument-Based Science Stan- dards in Grades 3-8. Third Edition. Corwin Press. ISBN: 1452299285. [16] Miller, S. (2014). Modeling the Nature of Science with the Mystery Tube. The Physics Teacher, 52, 548. [17] Krell M., in Hergert S. (2019). The Black Box Approach: Analyzing Modeling Strategies. V: Upmeier zu Belzen A., Krüger D., van Driel J. (ur.) Towards a Competence-Based View on Models and Mode- ling in Science Education. Models and Modeling in Science Education, 12. Springer, Cham. [18] https://scoollab.web.cern.ch/3d-printable-mystery-box (April, 2022) [19] Castillo, L. (2014). The Search and Discovery of the Higgs Boson. Institute of Physics. https://iop- science-iop-org.ezproxy.cern.ch/book/978-1-6817-4078-2 [20] https://cds.cern.ch/record/1459634/ (April, 2022) [21] https://cds.cern.ch/record/2673004 (April, 2022) [22] https://cds.cern.ch/record/2736135 (April, 2022)