Higgsov bozón je ako posledná kapitola v detektívke, vďaka ktorej do seba všetko zapadlo (anketa s fyzikmi)

Denník N oslovil sedem fyzikov s otázkou, ako hodnotia význam osobnosti Petra Higgsa a objavu Higgsovho bozónu pre fyziku.

Britský fyzik Peter Higgs zomrel 8. apríla v Edinburghu vo veku 94 rokov.

V roku 1964 publikoval prelomovú prácu, v ktorej predpovedal existenciu Higgsovho bozónu. To, že častica naozaj existuje, sa experimentálne potvrdilo v roku 2012 v CERN-e. Nasledujúci rok dostal Higgs – spolu s Françoisom Englertom – Nobelovu cenu za fyziku.

Čo je Higgsov bozón, Higgsovo pole alebo Broutov-Englertov-Higgsov mechanizmus? Čo znamenal objav Higgsovej častice pre tzv. štandardný model a akým človekom bol Peter Higgs?

„Na Petrovi Higgsovi nebolo zaujímavé iba to, čím k dnešného stavu poznania prispel, ale aj ako. Za celý život mal iba približne trinásť vedeckých publikácií, ak nerátame tie populárne. Dnes majú tri z nich viac ako tisíc citácií. Tie však prišli až neskôr. Ako sám kedysi povedal v rozhovore pre Guardian, pre dnešný akademický svet by nebol dosť produktívny. Našťastie, svoje objavy stihol urobiť dostatočne skoro,“ hovorí fyzik Peter Maták z UK v Bratislave.

Peter Chochula

časticový fyzik, CERN

V 20. storočí zažila fyzika svoju slávnu éru, keď sme začali odhaľovať stavebné bloky hmoty. Objavilo sa veľké množstvo častíc, ktoré sa výrazne líšili svojimi vlastnosťami. Niektoré mali elektrický náboj, iné nie. Líšili sa hmotnosťou, dĺžkou života aj spôsobom, ako vzájomne interagovali. Vzniklo množstvo teórií, ktoré sa snažili vniesť do pozorovaní istý poriadok tak, ako to spravila periodická sústava prvkov s atómami.

Systematiku medzi častice úspešne vniesol teoreticky model, ktorý dnes nazývame ako tzv. štandardný model. Tento model vysvetľuje tri zo štyroch základných interakcií – silnú, slabú a elektromagnetickú, no neopisuje gravitačnú interakciu. Štandardný model a jeho predikcie sa postupne darilo a stále darí úspešne overovať najmä na urýchľovačoch.

Otázkou zostávalo, ako získavajú hmotnosť základné stavebné kocky hmoty – leptóny a kvarky. Peter Higgs je autorom teórie, ktorá predpokladá, že svoju hmotnosť získavajú prostredníctvom interakcie s poľom generovaným inou časticou, ktorú dnes nazývame Higgsov bozón. Napriek tomu, že jeho práca bola publikovaná v roku 1964, existenciu predpovedaného bozónu sa podarilo potvrdiť až v roku 2012 na urýchľovači LHC v CERN-e. Dôvodom je, že Higgsov bozón je veľmi ťažký a takmer okamžite sa rozpadá na iné častice. Ak ho chceme nájsť, musíme si ho vyrobiť. V CERN-e sa to podarilo prostredníctvom zrážok protónov pri vysokých energiách.

Higgsov bozón je produkovaný približne v jednej z miliardy kolízií zväzkov častíc a vyžaduje preto analýzu veľkého množstva údajov, ktoré prvýkrát umožnila až infraštruktúra CERN-u. Veľkou výzvou bol aj fakt, že teória nepredpovedá hmotnosť Higgsovho bozónu, čo skomplikovalo výskum. V podstate sme hľadali ihlu v jednej z obrovského množstva kôp sena a nevedeli sme, v ktorej sa nachádza.

Zaujímavým faktom je, že prvý článok Petra Higgsa bol odmietnutý ako nerelevantný pre fyziku. S podobnou teóriou ako Peter Higgs prišli nezávisle od seba a v rovnakom čase viacerí fyzici. Všeobecne sa za autorov teórie označujú Higgs, Brout a Englert, ktorí sa vo svojich prvých článkoch aj navzájom citovali. Higgsov mechanizmus sa preto správne nazýva Higgsov-Englertov-Broutov mechanizmus.

Experimentálneho potvrdenia svojich teórií sa, žiaľ, dožili len dvaja z nich: Peter Higgs a Francois Englert, ktorí sa podelili aj o Nobelovu cenu za jeho predpoveď. Peter Higgs a Francois Englert sa údajne prvýkrát osobne stretli až v CERN-e, keď boli oznámené výsledky experimentov CMS a ATLAS.

Higgsov mechanizmus vysvetľuje kritické časti štandardného modelu. Bez neho by bol nekompletný. Vysvetľuje vznik a správanie sa hmoty, ktorú vidíme okolo nás. Dnes vieme, že tento model dokáže robiť presné predikcie a vysvetliť výsledky meraní.

Súčasne zisťujeme, že je pravdepodobne súčasťou širšieho modelu, ktorý zahŕňa aj gravitáciu a fenomény, ktoré nazývame ako čierna hmota a čierna energia. Na jeho odhalení pracujú vedci na celom svete, nielen v CERN-e a nielen v oblasti fyziky urýchľovačov.

Peter Maták

fyzik, Katedra teoretickej fyziky Fakulty matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave

Peter Higgs sa v 60. rokoch minulého storočia zásadným spôsobom zapojil do budovania jazyka, v ktorom je dnes formulovaný štandardný model elementárnych častíc. V ňom hrajú dôležitú úlohu symetrie, teda také operácie, ktoré nezmenia dôležité vlastnosti fyzikálnych systémov.

Predstavme si veľmi dobre zastrúhanú ceruzku, ktorú sa pokúsime postaviť na jej hrot. Na začiatku ceruzka stojí a situácia je symetrická voči otočeniam okolo jej osi. Tiažová sila na ceruzku pôsobí iba nadol, takže aj fyzika určujúca časový vývoj je takáto symetrická. Nech by sme sa akokoľvek snažili, ceruzka veľmi rýchlo spadne na niektorú stranu. Zo symetrického počiatočného stavu so symetrickou fyzikou tak dostaneme stav, ktorý symetrický nie je.

V rokoch 1960 a 1961 sa fyzici Y. Nambu a J. Goldstone pokúsili využiť niečo podobné na vysvetlenie hmotnosti niektorých častíc. No ukázalo sa, že tento mechanizmus – spontánne narušenie symetrie – predpovedá existenciu častíc s nulovou hmotnosťou a spinom, ktoré neboli pozorované.

Symetrie, ktoré používame na opis interakcií nabitých častíc, napríklad elektrónov, v skutočnosti potrebujú častice s nulovou hmotnosťou, fotóny. Tie však majú spin nenulový. Práve s týmto pomohol Peter Higgs, krátko pred ním aj R. Brout a F. Englert a krátko po ňom G. S. Guralnik, C. R. Hagen a T. W. B. Kibble.

Nezávisle od seba vymysleli spôsob, ako nežiaduce nehmotné častice s nulovým spinom skryť do častíc podobných fotónom, ktoré tým získajú nenulovú hmotnosť. Ich recept dnes voláme Higgsov, respektíve Broutov-Englertov-Higgsov, mechanizmus. Hmotné častice podobné fotónom sú W a Z bozóny a bezspinová častica, ktorej existenciu predpovedali, sa nazýva Higgsov bozón. Ten je konečným potvrdením obrazu mikrosveta, na ktorého načrtnutí sa podieľal Peter Higgs i ďalší.

Na Petrovi Higgsovi nebolo zaujímavé iba to, čím k dnešného stavu poznania prispel, ale aj ako. Za celý život mal iba približne trinásť vedeckých publikácií, ak nerátame tie populárne. Dnes majú tri z nich viac ako tisíc citácií. Tie však prišli až neskôr. Ako sám kedysi povedal v rozhovore pre Guardian, pre dnešný akademický svet by nebol dosť produktívny. Našťastie, svoje objavy stihol urobiť dostatočne skoro.

Samuel Kováčik

teoretický fyzik, Katedra teoretickej fyziky Fakulty matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave, autor popularizačného projektu Vedátor

Higgsov bozón je pre časticovú fyziku to, čo je pre detektívku posledná kapitola v knihe – vďaka nej to všetko krásne zapadlo do seba. Peter Higgs v kratučkom článku navrhol úpravu už známeho výsledku, pričom ho inšpiroval iný výskum z fyziky plazmy.

Na objavení Higgsovho bozónu pracovali tisíce ľudí, vedkyne, inžinieri, programátori. Pre mňa je celý štandardný model časticovej fyziky, ktorý bol zavŕšený práve objavom v CERN-e, jedným z najveľkolepejších výsledkov ľudského intelektu, taký moderný div sveta. Jeho základom bola rozsiahla spolupráca.

Tomáš Dado

časticový fyzik, Technická univerzita v Dortmunde, experiment ATLAS v CERN-e

V 60. rokoch minulého storočia, keď sa budoval teoretický model časticovej fyziky, ktorý dnes nazývame štandardný model, bolo treba vyriešiť viacero konceptuálnych problémov. Jeden z nich spočíval v zdanlivo nekompatibilných požiadavkách týkajúcich sa hmotnosti niektorých častíc (W a Z bozónov), kde matematický model predpokladal presne nulovú hmotnosť (takú, ako má napríklad fotón) a zároveň obrovskú hmotnosť. Inšpiráciou z fyziky tuhých látok sa podarilo nájsť riešenie, ktoré sa dnes označuje aj ako Broutov-Englertov-Higgsov (BEH) mechanizmus.

Tento mechanizmus je nevyhnutným prvkom štandardného modelu, bez ktorého by bol model neúplný a matematicky nekonzistentný. Higgsov bozón doslova vzniká ako „vedľajší produkt“ Broutovho-Englertovho-Higgsovho mechanizmu. K nemu sa dopracovalo viacero ľudí, ale Peter Higgs a jeho skupina zohrali kľúčovú úlohu. Peter Higgs bol asi prvý, kto explicitne povedal, že výsledok tohto mechanizmu bude aj nová častica (hoci veľa fyzikom to bolo jasné).

Okamžite sa podarilo zrátať viaceré vlastnosti Higgsovho bozónu, ale jedna z kľúčových vlastností, čo bola hmotnosť, sa nedala spočítať z teórie. To významne skomplikovalo experimentálne potvrdenie Higgsovho bozónu. Potvrdenie nastalo až v roku 2012, keď spolupráce ATLAS a CMS zverejnili výsledky meraní potvrdzujúce objav častice (respektíve sa vyvrátila hypotéza, že štandardný model opisuje dáta bez Higgsovho bozónu), ktorej vlastnosti sa zhodujú s predpokladanými vlastnosťami Higgsovho bozónu.

Pri ohlásení objavu Higgsovho bozónu bol v hlavnej sále v CERN-e prítomný aj Peter Higgs a nevedel sa ubrániť emóciám, ktoré uňho tento oznam vyvolal.

Stanislav Tokár

časticový fyzik, Katedra jadrovej fyziky a biofyziky Fakulty matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave

Britský fyzik Peter Higgs sa významným spôsobom zapísal do dejín fyziky. Je po ňom pomenovaná jedna z fundamentálnych častíc štandardného modelu – Higgsov bozón. Štandardný model je koncepcia, ktorá dominuje vo fyzike elementárnych častíc, a Higgsov bozón v nej hrá kľúčovú úlohu.

Higgsovo pole – jeho kvantom je Higgsov bozón – má zvláštnosť, že má nenulovú strednú vákuovú hodnotu. Prakticky to znamená, že vákuum nie je ničota, ale Higgsov kondenzát. Predstavujeme si to tak, že keď sa rozpínajúci raný vesmír ochladil na asi 10¹⁵ kelvinov (teplota stomiliónkrát väčšia ako v strede Slnka), Higgsove bozóny skondenzovali a zaplnili vákuum. A je to práve interakcia časticových polí s týmto kondenzátom, vďaka ktorej častice nadobúdajú hmotnosť.

Tento mechanizmus sa nazýva Higgsov mechanizmus alebo aj Broutov-Englertov-Higgsov mechanizmus, lebo Francois Brout a Robert Englert ho objavili nezávisle od Higgsa (na tomto objave sa podieľali aj Tom Kibble, Carl Hagen a Gerald Guralnik). Nenulová hmotnosť častíc je základným predpokladom, aby sa vytvoril materiálny svet, ktorý nás obklopuje. To je zároveň dôvod, prečo mnohí nazývajú Higgsov bozón božskou časticou.

Pavol Bartoš

fyzik, Katedra jadrovej fyziky a biofyziky Fakulty matematiky, fyziky a informatiky UK

Profesor Peter Higgs bol nepochybne veľmi významnou osobnosťou fyziky. Za svoju prácu získal veľmi veľa významných ocenení i to pre vedca najvýznamnejšie – Nobelovu cenu za fyziku. V roku 2013 ju získal spolu s profesorom Englertom za teoretický objav takzvaného Higgsovho mechanizmu, ktorý objasňuje, ako subatomárne častice nadobúdajú hmotnosť. Napriek svojim úspechom bol veľmi skromný. Po ohlásení víťazov Nobelovej ceny sa pre novinárov vyjadril: „Je príjemné mať niekedy pravdu.“

Teóriou Higgsovho mechanizmu výrazne ovplyvnil vývoj v časticovej fyzike, najmä čo sa týka zamerania sa výskumných aktivít vo fyzike vysokých energií v urýchľovačových centrách Tevatron pri Chicagu v Spojených štátoch a LEP a LHC v CERN-e vo Švajčiarsku.

Do roku 2012 bol práve Higgsov bozón poslednou neobjavenou časticou štandardného modelu. Aj napriek tomu, že by sa na prvý pohľad mohlo zdať, že už sme všetko objavili, nie je to tak. Pre lepší opis fungovania sveta okolo nás musíme podrobne preskúmať vlastnosti Higgsovho bozónu a hľadať odpovede na dosiaľ nezodpovedané problémy v časticovej fyzike.

Ivan Melo

fyzik, Katedra fyziky Fakulty elektrotechniky a informačných technológií Žilinskej univerzity v Žiline

Peter Higgs predpovedal Higgsov bozón v roku 1964, keď mal 35 rokov. Následné hľadanie tejto častice trvalo 49 rokov, keď bola objavená v experimentoch ATLAS (slovenská účasť) a CMS na urýchľovači LHC v CERN-e v roku 2012.

Stále ma fascinuje, že rozhodujúci článok má len 1,5 strany. Znamená to, že veľké myšlienky sa dajú formulovať stručne a jednoducho.

Zaujímavé je aj to, že prvá – ešte kratšia verzia článku – bola zamietnutá. Peter Higgs sa našťastie nedal odradiť, pridal pár dôležitých viet a článok prešiel v inom časopise. Neskôr sa vyjadril, že skutočný význam svojej predpovede pochopil až neskôr, podobne ako celá komunita fyzikov.

Peter Higgs pomohol vyriešiť problém s teóriou elektromagnetických a slabých interakcií (dve zo štyroch základných interakcií, patria sem ešte silné a gravitačné interakcie). Táto teória bola založená na takzvanej elektroslabej symetrii a fungovala výborne až na dôležitý detail: symetria nedokázala vysvetliť hmotnosti W a Z bozónov.

Peter Higgs predpovedal existenciu takzvaného Higgsovho poľa, ktoré vypĺňa celý vesmír a ktorého priemerná hodnota je rôzna od nuly. W a Z bozóny, ako ukázali Weinberg a Salam, interakciou s týmto poľom narušia elektroslabú symetriu a získajú svoje hmotnosti. Teraz predpokladáme, že takto získajú svoje hmotnosti aj ostatné elementárne častice.

Takže Peter Higgs pomohol vysvetliť zásadnú vec, pretože bez Higgsovho mechanizmu by častice nemali hmotnosti a nemohli by vytvárať atómy a ďalšie štruktúry. Kľúčovú úlohu tu hrá Higgsovo pole. Higgsov bozón je dôsledkom tohto poľa: ak sa nám Higgsovo pole podarí rozvlniť dodaním vysokej energie, tak Higgsov bozón je práve táto vlna v Higgsovom poli. No a potrebnú vysokú energiu dodali protóny urýchlené v LHC.

Na Petrovi Higgsovi je pozoruhodná aj jeho otvorenosť a skromnosť. V článku pre Guardian povedal, že v rokoch po Higgsovom bozóne už nedokázal publikovať takmer nič a že keby začínal teraz, pravdepodobne by v súčasnom tlaku na publikácie nedokázal prísť na nič významné.