Student World

***pravidelné páteční „přetištění“ staršího článku

Před čtyřiceti lety, 27. července 1964, uveřejnil skotský fyzik Peter Higgs (*1929) v časopise Physics Letters krátký článek, z něhož postupně vykrystalizoval jeden z největších problémů moderní fyziky. Higgs v článku předestřel teoretický koncept mechanismu, jímž elementární částice nabývají hmotnosti. Zprostředkující částice, která ostatním částicím „přiděluje hmotnost“, byla později, když se ukázalo, že popis tohoto mechanismu není od věci, nazvána Higgsův boson. Tento příběh dosud nezná rozuzlení.

Tento příběh dosud nezná rozuzlení. Higgsův boson je částice, která narušuje elektroslabou symetrii a je zodpovědná za existenci hmotnosti, současně ale představuje jeden z nejzapeklitějších problémů moderní fyziky; rovných čtyřicet let si vědci kladou otázku, o jakou částici se vlastně jedná a jaké jsou její vlastnosti. Nejde možná o nic menšího než o poslední „chybějící článek“ standardního modelu elementárních částic. Podaří se v příštích letech experimentálně potvrdit jeho existenci? A pokud ano (jak většina fyziků doufá), co z toho bude vyplývat?

Před čtyřiceti lety, 27. července 1964, uveřejnil skotský fyzik Peter Higgs (*1929) v časopise Physics Letters krátký článek, z něhož postupně vykrystalizoval jeden z největších problémů moderní fyziky. Higgs v článku předestřel teoretický koncept mechanismu, jímž elementární částice nabývají hmotnosti. Zprostředkující částice, která ostatním částicím „přiděluje hmotnost“, byla později, když se ukázalo, že popis tohoto mechanismu není od věci, nazvána Higgsův boson.
Experimentální potvrzení této zatím stále ještě hypotetické částice si vyžádá jak neobyčejné úsilí vědců, tak i obrovské materiální prostředky. Pokud však bude Higgsův boson nalezen a pokud budou změřeny jeho vlastnosti, získá fyzika důležitá data pro porozumění tajemství hmoty a energie, stejně jako přírodních zákonů, které panovaly ve velmi raném vesmíru.

Když na konci 40. let minulého století formulovala skupina fyziků kvantovou elektrodynamiku (QED: spojuje do konzistentní teorie rovnice Maxwellova klasického elektromagnetismu s oběma velkými výdobytky fyziky 20. století – kvantovou mechanikou a speciální teorií relativity), byli fyzici nadšeni její elegancí a symetričností. Síla s dlouhým dosahem je v QED zprostředkována nehmotnými fotony, které „přeskakují“ mezi elektrickými náboji. Ale co je podstatné, nejde jen o skvostnou eleganci této teorie: experimentátoři potvrdili, že její předpovědi se velmi přesně shodují s měřením.

Fyzikové byli povzbuzeni tímto úspěchem a hledali další příklady, kde by jim symetrie pomohla. Již v roce 1956 vytvořil Julian Schwinger princip kalibrační symetrie na elektromagnetickou a slabou interakci současně. Předpokládal totiž, stejně jako nestor nukleární fyziky Enrico Fermi, že obě interakce v sobě skrývají nějaký hlubší vztah, který dosud nebyl objeven. Jeho úsilí završil Sheldon Glashow, jenž na prahu 60. let minulých formuloval teorii, která obě síly – elektromagnetickou a slabou interakci – kombinovala do konzistentního rámce.
Tato teorie ovšem počítala s třemi novými částicemi: s nosiči slabé interakce W+ a W- a jejich neutrálním partnerem, částicí Z. Glashow předpokládal, že půjde o těžké bosony, neboť slabá interakce má krátký dosah. Hodnotu jejich hmot ale teorie vyčíslit nedokázala. I když tedy Glashowova teorie naplňovala ideu symetričnosti, která souzní se standardním modelem částic, řada fyziků ji sice nezatracovala, ale přistupovala k ní se zdravou skepsí. Že šlo o správný krok, potvrdil přelomový experiment v laboratořích CERN (viz článek CERN slaví výročí významného objevu: identifikace částic W a Z – http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/635A90FAF5BB181DC1256E970048FDB1?OpenDocument&cast=1).

Glashowova teorie byla sice v zásadě správná, ale problémem zůstávala hmotnost částic. Sám vědec se vyjádřil, že co se týče hmoty částic, jež zprostředkovávají slabou interakci, je úplně vedle. Jeho model v důsledku toho obsahoval „neodstranitelná nekonečna“. Později jeden z fyziků poznamenal, že si Glashow zkrátka neuvědomil, že symetrická teorie může leckdy vést i k nesymetrickým řešením. Částicoví fyzikové, inspirováni termodynamikou a moderními teoriemi chaosu, si totiž začali uvědomovat princip později označovaný jako tzv. „spontánní narušení symetrie“. Vyplývalo z něj např. to, že těžké částice mohou způsobovat, že se prázdný prostor stane nesymetrickým. Peter Higgs, jenž se původně zabýval teorií silné interakce, v článku z roku 1964 navrhl prazvláštní řešení: nosiče interakce zřejmě umí tyto těžké částice pohltit, čímž sami získávají hmotu, zatímco foton zůstává vždy nehmotný. Tato myšlenka sehrála svou roli, když dvojice fyziků, Steven Weinberg a Abduse Salam, formulovali konečnou podobu teorie elektroslabé síly.

V této konzistentní teorii slabé interakce, za niž byli její autoři (Glashow, Weinberg, Salam) odměněni v roce 1979 Nobelovou cenou, hraje jednu z hlavních rolí částice, pro níž se vžilo označení Higgsův boson. Problémem je, že její existenci dosud žádný vědecký ústav nepotvrdil. Tajemný Higgsův boson se stal jedním z největších mystérii fyziky přelomu 20. a 21. století. O jakou částici se vlastně jedná? Jaké má místo ve Standardním modelu? Na tyhle otázky fyzika zatím nedokáže odpovědět. Z teorie ovšem vyplývá, že Higgsovy bosony jsou částice, které spontánně narušují symetrii prázdného prostoru.
Dnes už nikoho nepřekvapí skutečnost, že v kvantové fyzice není ani vakuum zcela prázdné. Naopak. Kvůli principu neurčitosti se hemží přechodně existujícími částicemi, jež se neustále objevují a mizí. Higgsovy bosony mají schopnost „vtisknout“ prázdnému prostoru určitou strukturu, tzv. Higgsovo pole. Lze si ho představit jako vlny na vnitřní vrstvě desky z tuhé lepenky. Zatímco nehmotné částice se pohybují podélně, jakoby v drážkách tohoto vrstvení, nosiče slabé interakce (výše zmíněné částice W a Z) se „drncají“ přes hrboly, které vrásnění způsobuje. K jejich překonání potřebují energii, kterou získávají od Higgsova pole a stávají se tak těžšími. (Srozumitelnějšího, ilustrovaného průvodce Higgsovým mechanismem najdete na http://www.coimbra.lip.pt/atlas/higgsmec.htm).

Že je to poněkud krkolomná představa? Co naplat, jinou nemáme. A fyzici jsou si takřka jisti, že je správná. Bez Higgsova pole by totiž byly nehmotnými nejen fotony, ale i částice W a Z. To, zda Higgsovo pole vskutku existuje, můžeme testovat tak, že najdeme jeho nositele, Higgsovy bosony. Z výpočtů vychází tato částice velmi těžká (má mít klidovou energii nejméně 115 GeV), takže jejich experimentální zachycení vyžaduje obrovské energie. Další věc: podle složitějších teorií může roli Higgsova bosonu hrát částice složená (teorie technibarvy), nebo může být Higgsů několik – což je případ supersymetrických teorií, které překonávají úzký pohled daný standardním modelem částic. Fyzici označili „hon na Higgsův boson“ za prvořadý úkol prvního desetiletí 21. století. Aby byl tento úkol splněn, je zapotřebí obří urychlovač částic se supravodivými magnety, který dokáže produkovat srážky částic s takovou energií, aby dokázaly „vyjmout“ Higgsovy bosony z vakua. Takovým urychlovačem by měl být právě konstruovaný LHC (Large Hadron Collider) v CERNu. (V této souvislosti došlo k mírné mediální přestřelce mezi dvěma vědci, Hawkingem a Higgsem; nakonec se Stephen Hawking nechal slyšet, že se vsadí, že LHC Higgsův boson neidentifikuje, Peter Higgs pouze oznámil, že tak hloupé sázky přijímat nebude.)
Na celou problematiku Higgsova pole a Higgsova bosonu se můžeme podívat i z jiného úhlu. Objev elektroslabé interakce totiž ovlivnil i kosmologii. Astrofyzikové si uvědomili, že ve velmi raném vesmíru byla doba, kdy symetrie ještě nebyla narušena a všechny interakce byly stejné. Tento stav dokonalé symetrie narušilo zřejmě právě Higgsovo pole. To sice může existovat v symetrickém stavu (bez výše popsaného obrazného vrásnění), ale jeho stav s nejnižší energií – což je stav přirozený – symetrii narušuje. V okamžiku, kdy došlo k tomuto narušení, se síly, elektromagnetická a slabá interakce, rozdělily. Higgsovo pole zároveň „propůjčuje“ jiným částicím jejich různé hmotnosti.
Tato představa, je-li správná, může mít dalekosáhlé důsledky. Pokud je totiž historie vesmíru pádem ze stavu dokonalé symetrie, lze se domnívat, že mnohé z toho, co dnes kolem sebe pozorujeme, je výsledkem náhody, nikoli nutnosti. To za prvé. A za druhé: Sjednocená teorie, která popíše vztahy mezi touto (ne)symetrií a dalšími silami, by zároveň identifikovala přírodní zákon nebo zákony, které vládly na počátku vzniku vesmíru. Porozumění hmotě a energii by se dostalo na novou úroveň.

Po Higgsovu krátkém článku, zmíněném v úvodu, následovaly ještě v létě roku 1964 další dva, které byly podrobnější. V srpnu navíc publikovali v témže periodiku François Englert a Robert Brout z Univerzity v Bruselu své výpočty na základě Feynmanových diagramů, které vedly v zásadě ke stejným závěrům, k jakým dospěl Higgs. Ačkoli dnes hovoříme o Higgsově poli a Higgsově částici, Peter Higgs v rozhovoru pro časopis Physics World na začátku tohoto měsíce řekl, že si tento teoretický koncept nemůže přisvojit. „Měli na něm podíl i další fyzikové, zejména Phil Anderson, François Englert a Robert Brout, Gerald Guralnik, Dick Hagen a Tom Kibble, Martinus Veltman a také fenomenální Gerard ‚t Hooft.“

Více informací:

LEP Higgs Working Group
http://lephiggs.web.cern.ch/LEPHIGGS/www/Welcome.html

My Life as a Boson (audio přednáška P. Higgse)
http://wlap.physics.lsa.umich.edu/umich/mctp/conf/2001/sto2001/higgs

Jiří Svršek: Mikroskopický obraz vesmíru – Standardní model částic (pdf v češtině)
http://www.gymtc.cz/natura/tex/20040302.pdf

The Higgs Boson
http://www.jlab.org/~cecire/higgs.html

CERN Ideas: The Higgs Boson
http://www.exploratorium.edu/origins/cern/ideas/higgs.html

What exactly is the Higgs boson? (diskuse)
http://www.sciam.com/print_version.cfm?articleID=00043456-7089-1C71-9EB7809EC588F2D7

autor Jan Kapoun