Stručná historie Higgsova bosonu, svatého grálu fyziky

Tento měsíc si připomínáme 10. výročí objevu Higgsova bosonu, skutečného „svatého grálu“ vědy, který téměř 50 let unikal detekci. Ale co přesně tato částice je a proč je tak důležitá? Co nás naučil za deset let od svého objevení – a co je důležitější, co by nás mohl naučit v příštím desetiletí?

Standardní model částicové fyziky předpovídá, že vesmír se skládá z 12 částic elementární hmoty, čtyř nosičů síly a jedné finální částice, která to vše drží pohromadě – Higgsova bosonu. Po dlouhou dobu byl Higgs posledním chybějícím kouskem skládačky, což byl problém, protože bez něj nedával zbytek obrázku smysl.

Jeho existenci poprvé předpověděl v 60. letech jeho jmenovec Peter Higgs a nezávisle na něm tým Françoise Englerta a Roberta Brouta. Fyzici pracovali na zodpovězení otázky, jak elementární částice získávají svou hmotnost, a vypočítali, že k tomu dochází, když interagují s kvantovým polem, které prostupuje vesmír. Tento model předpověděl, že z takzvaného Higgsova pole také vznikne vlastní částice a zrodil se koncept Higgsova bosonu.

Předpovědět to byla jedna věc, ale ve skutečnosti to najít druhá. Model naznačoval, že Higgsův boson se téměř okamžitě rozpadne na další částice, což vědcům poskytuje velmi malé okno k jeho pozorování. Aby toho nebylo málo, hmotnost částice mohla být kdekoli od 10 do 1 000 gigaelektronvoltů (GeV). Hledání jako takové bylo po desetiletí považováno za nemožné.

CERN

Až v 80. letech 20. století technologie konečně dohnala. Fyzici si uvědomili, že Higgsovy bosony mohou být vytvořeny rozbíjením částic dohromady vysokou rychlostí, a přestože by rychle zmizely, jejich podpis by mohl být spatřen pohledem na výsledné částice, na které by se Higgs mohl rozpadnout.

I když řada srážečů částic běží na rostoucí výkon, Higgsův boson se v příštích několika desetiletích stále vyhýbal detekci. Nejednalo se však o úplné vymytí – každý nulový výsledek pomohl zúžit rozsah možných hmotností, takže během prvních let existence velkého hadronového urychlovače (LHC) v CERN se zmenšil na 115 až 130 GeV.

Pozornost se soustředila zejména kolem 125 GeV, kde týmy LHC zaznamenaly přemíru událostí konzistentních s Higgsovým bosonem. CERN očekával, že data „určitě dají odpověď“ do konce roku 2012 – jednou provždy potvrdí buď existenci, nebo neexistenci Higgsova bosonu.

A skutečně, 4. července 2012 částicoví fyzici oznámili historický objev Higgsova bosonu. Data dvou nezávislých týmů CERN, ATLAS a CMS, se sblížila ke stejnému závěru – našli novou částici s hmotností kolem 125,3 GeV a několika dalšími Higgsovými vlastnostmi.

Další experimenty potvrdily, že jde o dlouho hledaný Higgsův boson, díky čemuž Peter Higgs a François Englert získali Nobelovu cenu za fyziku v roce 2013 za původní teoretický objev.

Jakkoli bylo oznámení v té době vzrušující, často se uvádí, že Higgsův boson se od té doby stal poněkud „nudným“, protože neodhalil žádnou divokou novou fyziku. Čím se tedy za deset let od svého objevení zabýval?

ATLAS/CERN

Prvních několik let vědci zkoumali novou částici, aby ověřili, zda má všechny vlastnosti předpovídané standardním modelem. Jeho spin například musel být nulový a způsob, jakým se spojuje s částicemi, musel být přesným zrcadlem způsobu spojování s antičásticemi. Oba dopadly přesně tak, jak model očekával.

Experimenty na LHC také potvrdily jednu z hlavních předpovědí Higgsova bosonu – že ostatní částice ve standardním modelu získávají svou hmotnost interakcí s Higgsovým polem. To zase potvrzuje roli Higgse v některých základních silách – například pokud by Higgsův boson neexistoval, potřebovali bychom nové vysvětlení pro věci, jako je reakce jaderné fúze, která pohání Slunce.

Během běhu 2 LHC bylo vyrobeno asi osm milionů Higgsových bosonů a týmy ATLAS a CMS nedávno zveřejnily nové studie založené na těchto datech. To zahrnuje, jak často je produkován různými procesy, na které další částice se rozpadá a jak často a jak silné jsou jeho interakce s jinými částicemi. Téměř v každém experimentu, který na to vědci vrhli, se Higgs přizpůsobil předpovědím Standardního modelu.

CERN/Maximilien Brice

Přes jeho docela pozoruhodnou shodu se standardním modelem by podrobnější studium Higgsova bosonu mohlo být naší vstupenkou k odhalení fyziky, která leží mimo tento rámec.

Vezměte si například temnou hmotu. Důkazy naznačují, že tato tajemná látka prostupuje vesmír a drží struktury jako galaxie a kupy pohromadě se svým silným gravitačním vlivem. Zatím se vyhýbal přímé detekci prostřednictvím experimentů, většinou proto, že temná hmota zřídka interaguje s běžnou hmotou – ale existuje šance, že Higgsův boson interaguje s temnou hmotou způsobem, který by ji mohl nakonec vytáhnout do světla.

Další podivnou hádankou naznačenou novými měřeními Higgse je, že vesmír nemusí být tak stabilní, jak se zdá. Mohla by v současné době existovat v takzvaném stavu falešného vakua, ale každou chvíli by se vesmír – nebo jeho velké části – mohl náhle zhroutit do skutečného stavu vakua. To by mohlo úplně vymazat veškerou hmotu, nebo pokud budeme mít štěstí, mohlo by to místo toho přepsat přírodní zákony.

Skutečnost, že vesmír je stále kolem, naznačuje, že je stabilnější, než naznačují naše modely, díky dalším neznámým silám ve hře. Higgsův boson by nám mohl pomoci odhalit tyto síly.

Může také poskytnout nová vodítka k další dlouhotrvající záhadě o tom, proč se vesmír dávno nezničil. Naše současné modely naznačují, že hmota a antihmota měly být při velkém třesku vyprodukovány ve stejném množství, ale pokud by tomu tak bylo, vše by se srazilo a zničilo vše před miliardami let. To se zjevně nestalo, což naznačuje, že z nějakého neznámého důvodu bylo vytvořeno o zlomek více hmoty než antihmoty. Higgsovi by nám mohli pomoci zjistit, co naklonilo misky vah v náš prospěch.

Odpovědi na tyto hluboké otázky by mohly být hned za rohem. LHC se na začátku července odpálil potřetí, při vyšších energiích než kdykoli předtím. A v roce 2029 začne zařízení nový život jako vysoce svítivý LHC (HL-LHC), po významné technologické modernizaci, která pronikne hlouběji do fyziky než kdykoli předtím. Higgsův boson bude ústřední postavou těchto experimentů.

Zdroje: CERN [1],[2]Max Planck Institute, APS Physics, The Conversation