Otakar Horák
3. júla 2012 spali niektorí ľudia pred auditóriom v CERN-e, aby sa na druhý deň dostali dnu. Chceli byť pri tom, keď sa svetu oznámil objav Higgsovho bozónu, podľa niektorých „božskej častice“.
„Myslím si, že ho máme,“ povedal o objave Rolf-Dieter Heuer, vtedajší riaditeľ CERN-u.
Prítomný Peter Higgs – britský fyzik, po ktorom je elementárna častica pomenovaná – dojatím uronil slzu. „Je úžasné, že sa to udialo už počas môjho života,“ dodal neskôr.
Oznamujú objav Higgsovho bozónu. Zdroj – Link TV/YouTube
Teoretický predpoklad už v roku 1964
Od ohlásenia objavu Higgsovho bozónu uplynie 4. júla 10 rokov.
Jeho existenciu predpovedal Peter Higgs už v roku 1964 – prvú verziu článku zaslal časopisu Physical Letters, ale editori z CERN-u ho odmietli s tým, že „je bez zjavného významu pre fyziku“. Higgs doplnil článok o nový odsek a poslal ho inému časopisu Physical Review Letters, ktorý ho vydal na jeseň v roku 1964. Prelomový článok nemá ani dve strany.
Stále však išlo len o teoretický predpoklad a bolo potrebné potvrdiť ho experimentálnymi meraniami.
Tie mohol vykonať až Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) na predmestí Ženevy, ktorý zráža protóny (menej aj jadrá olova) pri vysokých energiách. K spusteniu zariadenia došlo v roku 2010.
Nájsť Higgsov bozón nebolo jednoduché, lebo na každých 100 miliónov častíc sa pri zrážke „narodí“ iba jeden a skoro vždy sa ihneď rozpadne.
„Overiť existenciu Higgsovho bozónu trvalo takmer 50 rokov, takže to bolo naozaj ťažké,“ vraví fyzik Tomáš Dado. „Pre mnohých mohlo ísť o celoživotnú prácu a objav museli prežívať veľmi intenzívne,“ dodáva.
Fyzik pôsobí na Technickej univerzite v Dortmunde a v CERN-e pracuje na jednom z experimentov zvanom ATLAS. Na ňom – a na experimente CMS – došlo k objavu Higgsovho bozónu.
Nobelova cena
Vedci v CERN-e robili zrážky dva roky a až s pribúdajúcimi dátami sa na rovnom pozadí hmotnostného spektra častíc začala prejavovať častica dnes známa ako Higgsov bozón.
Na grafe vyzeral ako vystupujúci oblúk, ktorý zodpovedal 130-násobku hmoty protónov zrážaných v detektore. K objavu Higgsovho bozónu teda nedošlo v „jednom momente“, ale sériou mnohých meraní. Je pikantné, že existenciu častice potvrdili v tej istej inštitúcii, ktorá jej teoretický predpoklad označila v roku 1964 ako bezvýznamný.
V roku 2013, rok po objavení Higgsovho bozónu, udelili Petrovi Higgsovi a Françoisovi Englertovi Nobelovu cenu za fyziku za „teoretický objav mechanizmu, ktorý prispieva k nášmu pochopeniu pôvodu hmoty subatomárnych častíc“.
Čo je Higgsov bozón, aký význam má pre štandardný model a rodí sa momentálne nová fyzika?
Z prekliatej častice božskou
Niekedy sa Higgsovmu bozónu hovorí „božská častica“. Takto ho označil fyzik a nobelista Leon Max Lederman, ktorý v roku 1993 vydal s Dickom Teresim knihu The God Particle (z angl. Božská častica).
„Tento bozón hrá ústrednú rolu v súčasnej fyzike a je taký kľúčový pre naše pochopenie štruktúry hmoty, no zároveň je taký nepolapiteľný, že som mu dal prezývku božská častica. Prečo božská častica? Dva dôvody. Po prvé, vydavateľ nám nedovolil nazvať ju prekliata častica, hoci by mohlo ísť o vhodnejší )názov vzhľadom na jej zlovestnú povahu a náklady, ktoré sú s ňou (s jej hľadaním – pozn. red.) spojené,“ povedal o pôvode názvu Lederman.
Vedec vychádzal zo slovnej hračky, ktorá v slovenčine zaniká. Anglický výraz pre „prekliatu časticu“ je „goddamn particle“. Škrtnutím časti „damn“ vznikol názov „božská častica“, God particle.
Čo je Higgsov bozón, štandardný model alebo tmavá hmota:
- Higgsov bozón: častica, ktorá hrá kľúčovú rolu pri vysvetlení hmotnosti ostatných elementárnych častíc. Existenciu Higgsovho bozónu vedci predpovedali už v 60. rokoch. Za opis častice dostali fyzici François Englert a Peter W. Higgs (po ktorom je pomenovaná) Nobelovu cenu za fyziku v roku 2013 po tom, čo ju v roku 2012 pozorovali v CERN-e.
- Štandardný model: model časticovej fyziky, ktorý hovorí, že existuje šesť kvarkov a šesť leptónov, akýchsi lego kociek, z ktorých je postavený celý náš svet. Tieto častice spolu komunikujú cez štyri základné mechanizmy – silnú, slabú, elektromagnetickú a gravitačnú silu. Štandardný model neopisuje tmavú hmotu ani tmavú energiu.
- Intermediálne častice: častice, ktoré sprostredkúvajú základné interakcie (elektromagnetickú, silnú, slabú a gravitačnú). Medzi intermediálne častice sa radí gluón, fotón, bozóny W+, W−, Z0 a gravitón.
- Tmavá hmota: nevyžaruje nijaké elektromagnetické žiarenie, a preto ju nemožno priamo pozorovať. O jej existencii sa vie len z gravitačných prejavov na žiarivú hmotu.
- Tmavá energia: sila, ktorá má vysvetliť zrýchľovanie rozpínania vesmíru. S viditeľnou hmotou nijako neinteraguje.
Tokár: Božská častica
Fyzik Stanislav Tokár sa neštíti označovať Higgsov bozón za „božskú časticu“. Inak by sme nechápali, „ako je možné, že štandardný model opisuje svet“.
Bez Higgsovho bozónu by sme „vôbec nevedeli, ako interpretovať tú skutočnosť, že častice majú hmotnosť“, dodal vedec, ktorý pôsobí na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave a v CERN-e, kde sa venuje výskumu top kvarku.
Podľa Tokára sa objav Higgsovho bozónu radí medzi objavy, ktoré možno „spočítať na prstoch jednej ruky“. „Prirovnal by som ho k objavu atómového jadra, teórie relativity či k objavom na poli kvantovej teórie.“
Význam Higgsovho bozónu spočíva v tom, že – laicky povedané – časticiam „dáva“ hmotnosť. Bez neho by svet vyzeral inak a nevznikli by samostatné štruktúry ako atómy.
„Bez hmoty by atómy spolu nedržali. Keďže sme všetci zložení z atómov, bez Higgsovho bozónu by sme neexistovali,“ povedala v roku 2019 pre Denník N riaditeľka CERN-u Fabiola Gianottiová. „Higgsov bozón je naozaj veľmi dôležitý.“
Jazyk zlyháva
Fyzik Tomáš Dado priznal, že „bez Higgsovho bozónu by štandardný model nefungoval“. Ak by sa častica nenašla, „znamenalo by to, že niečomu naozaj zle rozumieme“.
Vedec sa však bráni tomu označovať ju za božskú a význam objavu by nekládol na úroveň teórie relativity. „Teória relativity spôsobila vo fyzike revolúciu, lebo došlo k zmene paradigmy. Objav Higgsovho bozónu nebol revolúciou v zmysle niečoho nového. Jeho existenciu sme predpokladali a zaujímavé by skôr bolo, ak by sa nenašiel, lebo by to narúšalo našu predstavu o svete,“ vraví fyzik Dado.
Vysvetliť, čo je Higgsov bozón a čo robí, nie je jednoduché, lebo sme limitovaní naším jazykom, ktorý nie je úplne vhodný na opis elementárnych častíc. „Náš jazyk tu do istej miery zlyháva,“ priznáva Dado.
Fyzik hovorí, že pri výklade sa bežne hovorí o Higgsovom poli, čo je pole, od ktorého si častice „požičiavajú“ svoju hmotnosť. A Higgsov bozón je tou časticou, ktorá Higgsovo pole prenáša. „Tento opis je podľa mňa neuveriteľne mätúci, až tak, že by som ho nepoužíval,“ hovorí kriticky Dado.
Rečiam o Higgsovom poli by sa Dado radšej vyhol. „Všetky častice, ktoré opisujeme, opisujeme poľom. Pole je matematický pojem, ktorý nie je špecifický len pre Higgsov bozón.“ Matematici síce zaviedli Higgsovo pole, aby vysvetlili existenciu Higgsovho bozónu, ale Dado nie je presvedčený, že z matematického opisu plynie aj reálna existencia Higgsovho poľa.
Za problematické vedec považuje aj vyjadrenie, že „Higgsov bozón požičiava časticiam hmotnosť“.
„Vzniká otázka, čo si pod tým ľudia predstavujú. Čo majú na mysli, keď hovoria, že vďaka Higgsovmu bozónu majú častice hmotnosť? Keď niečo také počujem ja, kladiem si otázku, či by častice mali hmotnosť, aj keby sme mali vesmír, kde Higgsov bozón nie je,“ vraví Dado. Vedec však dodáva, že na takú otázku nepozná odpoveď, lebo taký vesmír nemožno opísať štandardným modelom.
Vedľajší produkt matematického triku
Čo nám teda zostáva?
Fyzik Dado vysvetlil, že pred Higgsovým bozónom existovala vo fyzike teória, ktorej nevýhodou bolo, že predpokladala, že „W a Z bozóny majú nulovú, no zároveň aj veľmi veľkú hmotnosť“.
„To je očividne hlúposť. Častice nemôžu mať nulovú aj veľmi veľkú hmotnosť. No teória to vyžadovala, inak by sa celá rozpadla.“
Vedci tak vymysleli mechanizmus dnes nazývaný Broutov-Englertov-Higgsov mechanizmus. „Je to matematický trik, ako časticiam vygenerovať hmotnosť, pričom matematicky sa tvária, že majú nulovú hmotnosť,“ hovorí Dado.
Fyzik dodal, že do rovnice sa pridali nové parametre, odborne „stupne voľnosti“, a jeden z nich je Higgsov bozón.
Dado teda odmieta filozofické špekulácie o Higgsovom poli či o povahe „božskej častice“. Higgsov bozón považuje za dôsledok či vedľajší produkt uvedeného „matematického triku“.
Častica naozaj existuje, ale fyzik sa nepúšťa do diskusií o metafyzických dôsledkoch jej existencie. Tie sú síce zaujímavé, ale porozumenie javu skôr komplikujú.
Revolúcia v detailoch
Higgsov bozón objavili vedci vo Veľkom hadrónovom urýchľovači (LHC) v CERN-e za dva roky zrážania od roku 2010 do roku 2012.
V rámci ďalších 10 rokov žiadnu novú časticu nenašli. Magazín Science preto vydal minulý mesiac článok, že fyzici teraz „čelia nočnej more, že už nič nenájdu“.
„Higgsov bozón mal výhodu, lebo sme vedeli, čo hľadať. Síce sme nepoznali jeho hmotnosť, ale poznali sme mnoho iných vlastností. Keď sa v LHC stavali detektory, hardvérovo sa optimalizovali na Higgsov bozón. Bolo jednoduchšie nájsť ho ako nájsť niečo, o čom nevieme, čo to vlastne je,“ podotkol Dado a dodal: „Ťažko sa teraz hľadá niečo, keď neviete, čo hľadáte.“
Znamená to, že časticová fyzika rezignovala na nové veľké objavy a odteraz sa štandardný model bude len „oprašovať“? Zďaleka nie, odpovedá Dado.
Podľa neho sa fyzika už v podobnej situácii ocitla na začiatku 20. storočia, keď si veľa vedcov myslelo, že „všetkému dôležitému už rozumieme“.
K revolúcii vo fyzike však viedol drobný rozdiel precesie (predstihu) perihélia Merkúra medzi predpoveďou a pozorovaním. „Rozdiel za 100 rokov bol len niekoľko uhlových sekúnd. Niekto by povedal, že taký drobný detail nikoho nezaujíma, ale viedol až k všeobecnej teórii relativity.“
Podľa Dada tak možno aj „v úplných detailoch nájsť vo fyzike revolúciu“.
„Nehovorím, že to tak bude aj tentoraz, ale už máme historickú skúsenosť s tým, aké veľmi dôležité sú presné merania, ktoré sa rozchádzajú s predpoveďou.“
Čo je CERN alebo LHC:
- CERN: Európska organizácia pre jadrový výskum (z fr. Conseil européen pour la recherche nucléaire, CERN), je to najväčšia výskumná organizácia sveta. Venuje sa základnému a aplikovanému výskumu najmä v oblasti časticovej fyziky. Nachádza sa na švajčiarsko-francúzskej hranici pri Ženeve. Slovensko je členským štátom od roku 1993, spolu je členských štátov 23.
- LHC: Veľký hadrónový urýchľovač (z angl. Large Hadron Collider, LHC) bol spustený v roku 2010. Určený je na výskum zrážok zväzkov protónov alebo jadier olova. Na urýchľovači prebiehajú viaceré experimenty, z nich sa Slovensko priamo zúčastňuje experimentu ALICE, zameraného na výskum udalostí po veľkom tresku, a experimentu ATLAS, určeného na výskum časticovej fyziky. V detektoroch LHC pátrajú aj po temnej hmote a novej fyzike.
- ATLAS, ALICE, CMS a LHCb: štyri hlavné experimenty v LHC. Higgsov bozón pozorovali až dva detektory na Veľkom hadrónovom urýchľovači, ATLAS a CMS.
Odchýlky
Štandardný model hovorí, že existuje šesť kvarkov a šesť leptónov. Akýchsi lego kociek, z ktorých je postavený celý náš svet. Tieto častice spolu komunikujú cez štyri základné mechanizmy – silnú, slabú, elektromagnetickú a gravitačnú silu.
V ostatnom období sa objavilo viacero predpovedí, ktoré boli viac či menej v rozpore so štandardným modelom. Denník N písal o niekoľkých z nich, naposledy sme písali, že podľa zistení Fermilabu nezodpovedá hmotnosť W bozónu predpovediam.
Ak je uvedené meranie správne a výsledky sa potvrdia ďalšími experimentmi, možno existujú nové elementárne častice, ktoré zatiaľ nepoznáme. Ďalšia možnosť je, že Higgsov bozón nie je elementárnou časticou, ale zloženou, alebo má viacero verzií, ktoré navyšujú hmotnosť W bozónu.
V tejto chvíli však ide len o špekulácie. „Máme nejaké merania s odchýlkami od štandardného modelu na úrovni 3 sigma. To je už silný náznak, ale stále sme ďaleko od toho, aby sme povedali, že to nesedí s predpoveďou,“ vraví Dado. Podľa fyzika je takýchto odchýlok rádovo do desať.
Vedec je presvedčený, že štandardný model zatiaľ platí, lebo „dosiaľ nemáme meranie, ktoré by bolo v úplnom rozpore s predpoveďou“.
Nevýhodou štandardného modelu je, že vôbec neopisuje tmavú hmotu ani tmavú energiu, ktoré tvoria až 95 percent vesmíru. Mnohí si od toho sľubujú celkom novú fyziku.
Vylepšený LHC
Veľký hadrónový urýchľovač v CERN-e sa pravidelne odstavuje, aby sa vylepšil. V čase odstávky sa analyzujú dáta získané v období zrážania.
Počas ostatnej odstávky navštívil CERN koncom roka 2019 aj Denník N. Vzali nás do podzemia, ktoré je počas zrážania nedostupné. Odstávka trvala od konca roku 2018 do roku 2022 a predĺžila ju pandémia.
Vďaka vylepšeniam budú v LHC zbierať viac kvalitnejších dát. „Napríklad na experimente ATLAS sa vymenila časť detektora zvaná New Small Wheel, čo je 10-metrové zariadenie. Vďaka tomu budeme merať presnejšie a častejšie, takže naberieme lepšie údaje,“ povedal Dado a dodal, že zmeny sa týkali aj softvéru, elektroniky a mnohých iných častí LHC.
Fyzik Peter Chochula z CERN-u v rozhovore pre Denník N tento rok povedal, že napríklad v experimente ALICE (zameranom na výskum udalostí po veľkom tresku) stúpne po vylepšení počet zrážok až 50-násobne.
„Inštalovali sme nové supravodivé magnety, lepšie detektory, menili sme chladiace systémy. Celý urýchľovač je teraz pripravený bežať do roku 2026. Potom budeme experimenty opäť modernizovať a samotný urýchľovač dostane svojho nástupcu, High luminosity LHC. Na porovnanie, teraz produkujeme asi tri milióny Higgsových bozónov za rok, no v budúcnosti ich bude cca 15 miliónov. A čím viac zrážok máte, tým je väčšia šanca, že nájdete niečo prevratné,“ dodal Chochula.
5. júla začnú zbierať údaje
V súčasnosti už v rúrach LHC opäť obiehajú častice. Ak sa zrážajú, niektoré z častí detektorov sú vypnuté.
Deň po 10. výročí objavu Higgsovho bozónu, teda 5. júla, dosiahnu v LHC „stable beam“, teda stabilný lúč (výber termínu nie je symbolický, ale náhodný, a nesúvisí s výročím Higgsovho bozónu). „Vtedy začneme prvý raz zbierať dáta, ktoré budú dosť kvalitné na to, aby sme ich neskôr mohli analyzovať,“ dodal Dado. Údaje budú prvý raz zbierať pri energii 13,6 TeV, predtým LHC bežal na 13 TeV.
Veľký hadrónový urýchľovač tvorí 27-kilometrová trubica pod zemou. Zväzky častíc v nej púšťajú proti sebe a zrážajú sa v mieste detektorov (ATLAS, ALICE, CMS a LHCb). Keďže častice letia takmer rýchlosťou svetla, urýchľovač prekonajú každú sekundu 11-tisíckrát. Za uvedený čas sa zrazí 20 až 80 častíc. Pri zrážke sa lokálne vytvorí teplota, ktorá je 200-tisíckrát vyššia ako teplota v strede Slnka.
Od zrážok pri vysokých energiách si vedci sľubujú nové objavy na poli časticovej fyziky. Vo svojom bádaní by však chceli ísť ešte ďalej. Momentálne sa už pracuje (prebieha geologický výskum a robia sa simulácie, čo by zariadenie dokázalo) na vzniku nového urýchľovača, ktorý ma pracovný názov FCC (z angl. Future Circular Collider).
Mal by mať obvod až 100 kilometrov a terajší LHC by mal byť jeho súčasťou. Podľa našich informácií zatiaľ existuje politická zhoda na jeho vzniku. Postaviť by ho mali zhruba v polovici tohto storočia.
Máte pripomienku alebo ste našli chybu? Prosíme, napíšte na [email protected].
