Neděle, 29 listopadu
Shadow

Nobelova cena 2013: historie Higgsova bosonu

François Englert a Peter W. Higgs vloni společně obdrželi Nobelovu cenu za fyziku za jejich teorii o mechanismu, kterým částice nabývají hmotnost. V roce 1964 nezávisle na sobě (Englert ve spolupráci se svým kolegou Robertem Broutem, který se udělení ceny nedožil) navrhli teoretické schéma, předpovídající existenci v té době neznámé částice, později nazvané Higgsovým bosonem. V roce 2012 byla jejich teorie potvrzena objevem částice na urychlovačích v ženevském CERNu.

François Englert a Peter W. Higgs se poprvé setkali 4. července 2012 při definitivním oznámení potvrzení existence Higgsovy částice. (Zdroj: Cern.ch)
François Englert a Peter W. Higgs se poprvé setkali 4. července 2012 při definitivním oznámení potvrzení existence Higgsovy částice. (Zdroj: Cern.ch)

Mechanismus nabývání hmotnosti je jednou z ústředních součástí Standardního modelu částicové fyziky, který popisuje, jakým způsobem funguje náš hmotný svět. Standardní model je dnes nejúplnější teorií, matematicky popisující fyzikální realitu našeho vesmíru.

Podle Standardního modelu vše v našem světě, počínaje květinami a lidským tělem a konče hvězdami a planetami, je sestaveno z malých stavebních bloků, částic hmoty. Počet jejich druhů je přitom relativně malý. Tyto částice interagují mezi sebou prostřednictvím takzvaných silových částic, které zajišťují, že vše funguje tak, jak má.

Konzistence Standardního modelu přitom stojí na předpokladu o existenci zvláštního druhu částice, Higgsovy částice. Ta je nerozlučně spojena s neviditelným polem, které vyplňuje celý prostor okolo nás, dokonce i tehdy, když v něm nepozorujeme nic jiného. Pokud by neexistovala, elektrony a kvarky by stejně jako fotony, částice světla, neměly žádnou hmotnost. A stejně jako fotony by podle Einsteinovy teorie létaly prostorem rychlostí světla, aniž by měly jakoukoliv možnost se shluknout do atomů a molekul. Nic ze světa, jak ho známe, včetně nás samých, by neexistovalo.

François Englert a Peter Higgs byli mladí vědci, když v roce 1964 nezávisle na sobě přišli s teorií, která vyvedla Standardní model ze slepé uličky, v níž se v té době nacházel. Téměř půlstoletí nato, ve středu 4. července 2012, stáli oba v posluchárně ženevského střediska CERN ve chvíli, kdy byl definitivně potvrzený objev Higgsovy částice oficiálně oznámen světu.

 

Model, který dává světu řád

Idea, že celý náš svět, plný rozmanitosti, může být ve skutečnosti postaven jen z malého počtu základních bloků, je stará. Už v roce 400 př. n. l. postuloval řecký filosof Démokritos, že celý svět je postaven z atomů (átomos je řecký výraz pro „nedělitelný“). Dnes víme, že atomy nedělitelné nejsou, sestávají se z elektronů pohybujících se okolo atomového jádra, které je složeno z protonů a neutronů. Protony a neutrony zase sestávají ze dvou druhů kvarků: „horního“ a „dolního“ (up quark, down quark). Podle Standardního modelu jsou kvarky a elektrony jediné stavební částice a tedy pro existenci veškeré známé hmoty jsou potřeba jen tři částice: elektrony a dva druhy kvarků.

V 50. a 60. letech však byly v kosmickém záření a na nově postavených velkých urychlovačích zcela nečekaně objeveny nové druhy částic, Standardní model musel tyto nové příbuzné elektronů a kvarků do sebe zahrnout.

Kromě hmotných částic existují také silové částice, které zprostředkovávají čtyři základní síly přírody: gravitaci, elektromagnetické síly, slabou interakci a silnou interakci. Gravitace a elektromagnetismus jsou neznámějším druhem sil, mohou být přitažlivé a odpudivé a jejich účinky můžeme pozorovat na vlastní oči. Silná interakce působí mezi kvarky a drží protony a neutrony dohromady v atomovém jádře, zatímco slabá síla odpovídá za radioaktivní rozpad, který je nezbytný například v procesech, probíhajících ve Slunci.

Standardní model částicové fyziky sjednocuje popis základních stavebních bloků přírody a tři základní síly, které dnes známe (čtvrtá, gravitace, zatím do něj nebyla zahrnuta a její začlenění představuje jednu z největších výzev dnešní fyziky). Dlouhou dobu zůstávalo tajemstvím, jak vlastně tyto síly fungují. Například jak kus kovu, přitahovaný magnetem, ví, že tam magnet leží, i když se bezprostředně nedotýkají? Jak Měsíc „cítí“ zemskou gravitaci?

Časový průběh postupného oddělování jednotlivých typů sil těsně po Velkém třesku. (Zdroj: Ircamera.as.arizona.edu)
Časový průběh postupného oddělování jednotlivých typů sil těsně po Velkém třesku. (Zdroj: Ircamera.as.arizona.edu) 

Prostor plný polí

Vysvětlení, které nabízí fyzika, spočívá v tom, že prostor okolo nás je zaplněn mnoha poli, která přímo nepozorujeme. Gravitační, elektromagnetické, kvarkové a další pole zaplňují veškerý prostor, lépe řečeno čtyřrozměrný prostoročas, abstraktní kontinuum, v němž se odehrává veškeré dění. Standardní model je založen na kvantové teorii pole, podle které jsou pole a částice základními stavebními bloky celého vesmíru.

V kvantové fyzice je vše popisováno jako vibrace kvantových polí, přenášené polem v malých balíčcích zvaných kvanta, která pozorujeme jako částice. Existují dva druhy polí: látková pole s hmotnými částicemi a silová pole přenášející silové částice, jejichž prostřednictvím působí síly. Higgsova částice je rovněž vibrací jistého pole, takzvaného Higgsova pole. Bez něj by Standardní model zkolaboval jako domeček z karet, jelikož v kvantové teorii pole se objevují matematické divergence (veličiny dosahují nekonečných hodnot), s kterými je třeba se vypořádat, a symetrie, které nebyly pozorovány. Až François Englert s Robertem Broutem a nezávisle na nich Peter Higgs (později také řada dalších fyziků) vypracovali teorii Higgsova pole, které dokáže narušovat symetrie Standardního modelu a zároveň je s ním konzistentní. Tento problém byl tak zásadní, že stojí za to si o něm povědět více.

Standardní model „před Higgsem“ dokázal popsat pouze interakce sil, jejichž silové částice nemají hmotnost. Pro elektromagnetickou interakci, jejíž mediátory jsou nehmotné fotony, bylo tedy vše v pořádku. Slabou interakci však přenášejí tři velmi hmotné částice: dvě elektricky nabité W částice a jedna částice Z. Jejich popis s lehkými světelnými fotony nešel příliš dohromady. Vědci byli vedeni snahou vytvořit jednotnou teorii všech polí a sjednocení slabé a elektromagnetické interakce tak bylo ohroženo. V ten okamžik Englert, Brout a Higgs vstoupili na scénu a navrhli mechanismus, kterým částice získávají hmotnost a který Standardní model zachránil.

Tabulka elementárních částic podle Standardního modelu. (Zdroj: Aldebaran.cz)
Tabulka elementárních částic podle Standardního modelu. (Zdroj: Aldebaran.cz) 

Higgsův duch

Higgsovo pole se významně liší od ostatních polí, která ve fyzice nacházíme. Všechna ostatní mohou mít různé intenzity a na nejnižší energetické hladině nabývají nulových hodnot. Ne tak Higgsovo. I v případě, že bychom zcela vyprázdnili prostor, stále by v něm jako duch bylo přítomno pole, které nikdy nemizí: Higgsovo pole. Nejsme si jej vědomi, je to něco jako vzduch kolem nás nebo voda kolem ryb, něco zcela přirozeného. Bez něj bychom ovšem nemohli existovat, neboť právě kontakt s Higgsovým polem dává částicím hmotnost. Částice, které s ním interagují hodně, jsou těžké a ty, které interagují málo, jsou lehké. Například lehké elektrony hrají zcela základní úlohu ve vytváření atomů a molekul a jejich udržování pohromadě. Pokud by Higgsovo pole náhle zmizelo, veškerá hmota by zkolabovala, jelikož by náhle odlehčené elektrony okamžitě odlétly pryč rychlostí světla.

Čím přesně je Higgsovo pole tak zvláštní? Narušuje přirozenou symetrii světa. V přírodě se vyskytuje celá řada symetrií: naše obličeje mají rovinu souměrnosti, květiny a sněhové vločky mají celou řadu geometrických symetrií. Fyzika odhalila větší množství symetrií, které popisují zákony našeho světa na hlubší úrovni. Jedna z nich, relativně jednoduchá, je symetrie v prostoru a čase: je jedno, zda fyzikální experiment provedeme ve Stockholmu nebo v Paříži, dnes nebo za deset let, přírodní zákony nejsou místem a časem vykonání experimentu ovlivněné. Tento fakt se zdá být samozřejmý, protože jej známe důvěrně, nicméně není žádný důvod, proč by to tak muselo být – je to prostě vlastnost našeho světa. Einsteinova speciální teorie relativity stanovuje řadu dalších symetrií v prostoru a čase a stala se podkladem pro řadu dalších teorií, například Standardního modelu. Rovnice tohoto modelu jsou symetrické: stejně jako kulatý míč vypadá stejně, ať už se na něj podíváme z jakéhokoliv úhlu, rovnice Standardního modelu se nezmění při prostoročasových změnách.

Zákony symetrie někdy vedou k velmi neočekávaným výsledkům. V roce 1918 německá matematička Emmy Noetherová ukázala, že známé fyzikální zákony, například zákon zachování hybnosti, energie a elektrického náboje, mají svůj původ v různých druzích symetrie. Má-li ovšem svět být nějakým způsobem symetrický, klade to na něj určité požadavky, například zmíněný míč musí být naprosto dokonale kulatý, i ta nejmenší prohlubeň ji poruší. To platí i pro rovnice. A jedna ze symetrií Standardního modelu si vynucovala požadavek, aby částice neměly hmotnost. Jen takové částice dokázala původní teorie Standardního modelu popsat. Je však zcela zřejmé, že náš svět takový není, hmotnost je jeho nedělitelnou součástí, takže částice ji musejí odněkud čerpat. Právě v tomto místě přišlo na řadu Higgsovo pole, mechanismus, který umožňuje existenci symetrie a zároveň ji nechává „schovanou“.

Utajená symetrie

V době svého zrození byl náš svět pravděpodobně zcela symetrický. Během Velkého třesku byly částice všechny nehmotné a všechny síly byly sjednocené v jedné. Tento řád však byl porušen, takovou symetrii v dnešním vesmíru nepozorujeme. Něco se stalo 10-11 sekund po Velkém třesku a Higgsovo pole bylo vychýleno ze své rovnováhy. Jak k tomu mohlo dojít?

Vše začalo symetricky. Tento stav lze přirovnat k pozici kuličky na dně půlkulové misky, ve stavu o nejnižší energii. Dáme-li kuličce impuls, začne vyjíždět po stěně vzhůru a vzápětí opět klesat dolů. Pokud ale například dojde k tomu, že uprostřed misky náhle vznikne vyvýšenina (přísně vzato už to nebude miska, ale cosi jako mexické sombrero), bude poloha uprostřed stále symetrická, ale tentokrát nestabilní, při sebemenším posunutí se kulička skutálí jinam. „Sombrero“ není o nic méně symetrické, než původní miska, ale jakmile se kulička skutálí dolů, její nová pozice už nic nevypovídá o symetrii misky, ta je „schovaná“. Stejně tak došlo k porušení symetrie vakua Higgsovým polem, které našlo stabilní pozici jinde, než v symetrické „nule“ (míněny energetické stavy). Toto spontánní porušení symetrie je rovněž popisováno jako „fázový přechod Higgsova pole“: změna je podobná zmrznutí vody, přechodu z kapalného do pevného stavu. Takhle to tedy asi bylo.

V půlkulové misce se kulička po vychýlení nakonec ustálí v rovnovážné poloze, která odráží symetrii systému. V případě "sombrera" si kulička opět najde rovnovážnou polohu, ale symetrie systému zůstává "skrytá". (Zdroj: Atominfo.cz)
V půlkulové misce se kulička po vychýlení nakonec ustálí v rovnovážné poloze, která odráží symetrii systému. V případě „sombrera“ si kulička opět najde rovnovážnou polohu, ale symetrie systému zůstává „skrytá“. (Zdroj: Atominfo.cz)

Čas 10-11

Aby mohl proběhnout fázový přechod, jsou zapotřebí čtyři částice. Jen jedna z nich, Higgsova „božská“ částice, však přežila. Další tři byly zkonzumovány přenašeči slabých sil: dvěma elektricky nabitými částicemi W a jednou částicí Z, které tak získaly svou hmotnost. Symetrie elektroslabé interakce ve Standardním modelu tak zůstala zachována, relace mezi třemi těžkými silovými částicemi slabé interakce a nehmotným fotonem, zprostředkujícím elektromagnetickou sílu, zůstávají v platnosti, jen jsou „skryté“.

Vesmír byl patrně vytvořen symetrický a neviditelné Higgsovo pole mělo symetrii přirovnatelnou ke kuličce uvnitř půlkulové misky. V čase 10^-11 sekund po Velkém třesku ale přišlo narušení symetrie, při jehož přirovnávání si opět můžeme pomoci kuličkou, která tentokrát má nejnižší energetickou polohu mimo střed symetrie. (Zdroj: Nobelprize.org)
Vesmír byl patrně vytvořen symetrický a neviditelné Higgsovo pole mělo symetrii přirovnatelnou ke kuličce uvnitř půlkulové misky. V čase 10^-11 sekund po Velkém třesku ale přišlo narušení symetrie, při jehož přirovnávání si opět můžeme pomoci kuličkou, která tentokrát má nejnižší energetickou polohu mimo střed symetrie. (Zdroj: Nobelprize.org)

Ultrastroje pro ultrafyziku

Loňští nositelé Nobelových cen nejspíš ani nedoufali, že ještě za svého života spatří potvrzení své teorie. Cesta k němu vedla přes obrovské úsilí fyziků z celého světa. Dlouhou dobu dvě laboratoře, americký Fermilab v Chicagu a CERN v Ženevě soutěžily o to, která z nich objeví „božskou částici“ jako první. Urychlovač Tevatron ve Fermilabu však byl před několika lety uzavřen a evropské středisko na švýcarsko-francouzské hranici se tak stalo jediným místem na světě, kde hon na Higgsovu částici mohl pokračovat.

Evropské středisko jaderného výzkumu CERN bylo zřízeno v roce 1954 a bylo součástí poválečného úsilí o znovuoživení evropské vědy a mezinárodních vztahů. Dvacet zemí je přímými členy této organizace a přibližně sto dalších se v té či oné míře podílí na jednotlivých projektech. Největší chloubou CERNu je urychlovač částic LHC (Large Hadron Collider), který je pravděpodobně největším a nejkomplikovanějším strojem, který lidské ruce a mysl kdy postavily. Dvě výzkumné skupiny o celkovém počtu vědců okolo tří tisíc hledají částice v rámci dvou experimentů, ATLAS a CMS. Detektory jsou umístěny 100 metrů pod zemí a mohou pozorovat až 40 milionů srážek za sekundu. Zhruba tolikrát se mohou částice srazit, když jsou proti sobě vypuštěny v protisměru v kruhovém tunelu LHC, který je dlouhý 27 kilometrů.

Protony jsou do tunelu LHC vstřikovány každých deset hodin, jeden paprsek v každém směru. Statisíce miliard protonů jsou stlačeny dohromady do velice úzkého paprsku. To samo o sobě je dost náročný úkol, neboť díky pozitivnímu elektrickému náboji protonů se navzájem velmi silně odpozují. Pohybují se rychlostí činící 0,99999999 rychlosti světla a srážejí se s energií přibližně 4 TeV (8 TeV dohromady). Jeden teraelektronvolt není nijak závratná energie, asi takovou má letící komár, ale pokud je toto množství energie koncentrováno do jednoho protonu a takových protonů se v urychlovači sráží 500 trilionů, je to obdobné jako kdyby se plnou rychlostí srazily vlaky. V roce 2015 bude energie srážek na LHC zvýšena téměř dvojnásobně.

Obrázek vzniklý analýzou dat z detektoru ATLAS, který zachycuje čtyři miony (červené dráhy) pocházející z ropadlé Higgsovy částice. (Zdroj: Cern.ch)
Obrázek vzniklý analýzou dat z detektoru ATLAS, který zachycuje čtyři miony (červené dráhy) pocházející z ropadlé Higgsovy částice. (Zdroj: Cern.ch)

Dvojitý hlavolam

Srážkové experimenty jsou velmi hrubým nástrojem pro zkoumání vesmíru, někteří vědci je přirovnávají ke snaze zjistit konstrukci švýcarských hodinek tím, že dvoje hodinky praštíme o sebe a sledujeme, co to udělá. Ve skutečnosti jsou srážkové experimenty ještě daleko komplikovanější, protože vědci v nich hledají částice, jež dosud nebyly popsány: vznikají z energie uvolněné ve srážkách. Podle známé Einsteinovy formule E = mcje hmota pouze jinou formou energie. A právě kouzelná moc této rovnice umožňuje, že dokonce při srážce nehmotných částic mohou vzniknout takové, které hmotnost mají. Příkladem jsou dva fotony, při jejichž srážce vzniká elektron a jeho antičástice pozitron, nebo uvolnění Higgsovy částice při srážce dvou gluonů, které nastává při dostatečně vysoké energii. Většina z nich se sráží bez velkého povyku: průměrně při každém setkání svazků dojde jen ke dvaceti úplným frontálním kolizím, což znamená méně než jednu kolizi na miliardu srážek. To nezní jako moc, ale při každé takové srážce dojde k obrovské explozi a vznikají tisíce nových částic. Hmotnost Higgsovy částice činí okolo 125 GeV, stokrát více, než je hmotnost protonu, a to je jedna z příčin, proč bylo tak těžké ji vyprodukovat.

Experiment však není ani zdaleka u konce. Vědci v CERNu doufají, že nejbližší léta přinesou další ohromující a zásadní objevy. Přestože nález Higgsova bosonu, chybějící součásti ve skládačce Standardního modelu, sám Standardní model není ani zdaleka posledním dílem ve skládačce vesmíru. Jedním z jeho zásadních rozporů je, že považuje určitou třídu částic, neutrina, za nehmotné, ale nedávné výzkumy ukázaly, že hmotnost ve skutečnosti mají, i když velmi malou. Dalším důvodem je, že model dokáže popsat pouze pozorovatelnou hmotu, která tvoří podle současných odhadů pouhou pětinu veškeré látky.

Zbytek je temná hmota neznámého původu. Není pro nás přímo pozorovatelná a neinteraguje s námi (aspoň podle dosavadních výzkumů), její existenci však potvrzuje přítomnost zvláštního „tahu“, který udržuje galaxie pohromadě a zabraňuje tomu, aby se „rozutekly“ od sebe. Higgsova částice by vzhledem ke zvláštnostem svého chování mohla posloužit jako dobrý prostředník pro spojení s tajemnými temnými energiemi. Vědci doufají, že se jim podaří zachytit alespoň stopy temné hmoty na urychlovačích při experimentálním pátrání po nových částicích v nadcházejících letech.

I když Higgsův boson je dosud chybějícím dílkem ve skládačce Standardního modelu, skládačka vesmíru není ani zdaleka kompletní a vědci musí ještě najít velké množství dílků. (Zdroj: Nobelprize.org)
I když Higgsův boson je dosud chybějícím dílkem ve skládačce Standardního modelu, skládačka vesmíru není ani zdaleka kompletní a vědci musí ještě najít velké množství dílků. (Zdroj: Nobelprize.org)

Zdroj: Nobelprize.org

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..