Usměvavý kostlivec Petera Higgse

Jak to všechno začalo?

Fyzikům trvalo dlouhou dobu, než se jim podařilo správně pochopit a popsat elektrické a magnetické jevy. Na konci 19. století J. C. Maxwell (ale nejen on!) svázal elektrické a magnetické silokřivky dohromady a vytvořil tak rovnice popisující elektřinu i magnetismus dohromady - tzv. klasickou elektrodynamiku. Příslušné rovnice se dnes nazývají Maxwellovy rovnice. Elektromagnetická interakce je dnes dobře popsána tzv. elektrodynamikou (ať již z pohledu kvantové fyziky či teorie relativity). Většina sil v našem životě jsou právě projevem této interakce. Částice (tzv. výměnná částice), která tuto interakci zprostředkovává, se nazývá foton.

Další důležitou interakcí v našem vesmíru je interakce slabá. Pojmenování slabá je vskutku oprávněné, protože její dosah je skutečně velmi malý (cca 10^-18 m). Její síla je asi 10¹³ krát slabší, než síla silné interakce (např. drží pohromadě nukleony - konkrétně jejich kvarky z nichž se skládají - v jádrech atomů). Slabá interakce je známá tím, že je zodpovědná za některé radioaktivní rozpady jader. Poprvé byla pozorována při β rozpadu neutronu. Částice, které tuto interakci zprostředkovávají, se nazývají intermediální bosony W⁺, W^- a Z⁰.

Fyzikové se dlouhá léta snaží spojit všechny známé interakce (kromě dvou zmíněných mezi ně patří ještě silná jaderná interakce a gravitační interakce). Ale jak to tak bývá, vše se musí dělat postupně. V roce 1968 byla formulována teorie, která sjednocuje (dovoluje jednotný popis) elektromagnetickou a slabou interakci. Toto sjednocení nazýváme elektroslabou interakcí. Za tuto práci byla později v roce 1979 udělena Nobelova cena za fyziku.

Kde je hmotnost?

Kde je však ten kostlivec? Elektroslabé sjednocení velice dobře předpovídá existenci fotonu (zprostředkovává elmg. interakci) a třech dalších výměnných částic - intermediálních bosonů W⁺, W^- a Z⁰ (zprostředkovávají slabou interakci). Intermediální bosony byly posléze objeveny na urychlovači částic v CERNu.

A nyní kostlivec! Podle elektroslabé interakce vycházejí hmotnosti všech výše zmíněných výměnných částic jako nulové. Ale nulovou hmotnost může mít pouze foton (souvisí to např. s nekonečným dosahem elektromagnetické interakce). Bosony W⁺, W^- a Z⁰ hmotnost mít musejí (jejich dosah je konečný). Dochází zde tedy k narušení symetrie, fyzikové tento jev nazývají jako spontánní narušení. Ale kdo ji narušuje? No přeci náš usměvavý kostlivec: Higgsovo pole nebo příslušné částice - Higgsovy bosony. A toto je důvod k velkému hledání po všech skříních. Obraťme tedy oči do skříní v CERNu.

Prohledávání skříní

Obří urychlovač LHC (velký hadronový srážeč) ve středisku jaderného výzkumu v CERNu by měl fyzikům pomoci v hledání. Higgsův boson je částice elektricky neutrální a zároveň dosti nestabilní (rozpadá se za nepředstavitelně krátký čas cca 10^-21 sekundy). Je zřejmé, že jeho přímé pozorování nebude možné. Jeho existence se dá prokázat pouze studiem částic, na něž se rozpadá. Možností rozpadu je více. Higgsův boson se může rozpadat např. na dva γ fotony nebo na pár těžkých leptonů, atd. Očekává se, že hmotnost Higgsova bosonu je 126 GeV. Při hledání fyzikové vycházejí ze srážek dvou protonů, při níž vznikají dva fotony. Změří se jejich energie a vypočítá se tzv. invariantní hmotnost obou fotonů. Tato hodnota hmotnosti se poté hledá v grafickém vyjádření experimentálně naměřených dat.

Pokud Higgsův boson skutečně existuje, jsou fyzikové pravděpodobně u té správné skříně. Ovšem pouze za předpokladu, že usměvavý kostlivec skutečně existuje. Standardní model (teorie, která popisuje základní interakce) Higgsovu částici nutně potřebuje ke své celistvosti. To však neznamená, že po jeho objevu budou náhle objasněny všechny otazníky z této problematiky.

Určitá část fyzikální veřejnosti se domnívá, že tento směr není správný (Higgsovo pole se jim zdá moc jednoduchým vysvětlením) a zastávají představy supersymetrických teorií, kde ke každé částici existuje tzv. superpartner (k elektronu - selektron, k fotonu - fotíno, atd.). Jiní fyzikové vidí východisko v teorii strun a n-rozměrném vesmíru, kde jsou zbylé rozměry svinuty do mikroskopických variet.

Toto vše jsou možnosti pro fyzikální popis vesmíru, dokud nebude Higgsova částice nalezena, či nahrazena něčím průkazně jiným. Do té doby se před námi bude rozesmátý kostlivec skrývat. Nebo že by ta skříň byla odjakživa prázdná?