Jednoduše řečeno, Higgsův boson je nejdražší částice všech dob. Pokud k objevení elektronu stačila například elektronka a pár brilantních myslí, hledání Higgsova bosonu si vyžádalo vytvoření experimentální energie, která se na Zemi vyskytuje jen zřídka. Velký hadronový urychlovač není třeba představovat, je jedním z nejznámějších a nejúspěšnějších vědeckých experimentů, ale jeho profilová částice je stejně jako dříve pro většinu populace zahalena tajemstvím. Byla nazývána Boží částicí, nicméně díky úsilí doslova tisíců vědců již nemusíme akceptovat její existenci na základě víry.
Poslední neznámé
Co je to Higgsův boson a jaký význam má jeho objev? Proč se stal předmětem tolika humbuku, financování a dezinformací? Ze dvou důvodů. Za prvé to byla poslední neobjevená částice potřebná k potvrzení standardního modelu fyziky. Její objev znamenal, že celá generace vědeckých publikací nebyla marná. Za druhé, tento boson dává ostatním částicím jejich hmotnost, což mu dává zvláštní význam a určité "kouzlo". Máme tendenci přemýšlethmotnost jako vnitřní vlastnost věcí, ale fyzici si myslí něco jiného. Jednoduše řečeno, Higgsův boson je částice, bez které hmota v zásadě neexistuje.
Ještě jedno pole
Důvod spočívá v takzvaném Higgsově poli. Byl popsán ještě před Higgsovým bosonem, protože jej fyzici spočítali pro potřeby vlastních teorií a pozorování, které vyžadovaly přítomnost nového pole, jehož působení by se rozšířilo na celý Vesmír. Posilování hypotéz vymýšlením nových součástí vesmíru je nebezpečné. V minulosti to vedlo například k vytvoření teorie éteru. Ale čím více matematických výpočtů bylo provedeno, tím více fyziků chápalo, že Higgsovo pole musí ve skutečnosti existovat. Jediným problémem byl nedostatek praktických prostředků k jeho pozorování.
Ve standardním modelu fyziky získávají elementární částice hmotnost prostřednictvím mechanismu založeného na existenci Higgsova pole, které prostupuje celým vesmírem. Vytváří Higgsovy bosony, které vyžadují hodně energie, a to je hlavní důvod, proč vědci potřebují moderní urychlovače částic k provádění vysokoenergetických experimentů.
Odkud pochází hmota?
Síla slabých jaderných interakcí rychle klesá s rostoucí vzdáleností. Podle kvantové teorie pole to znamená, že částice, které se podílejí na jeho vzniku – W- a Z-bosony – musí mít hmotnost, na rozdíl od gluonů a fotonů, které nemají žádnou hmotnost.
Problém je v tom, že teorie měřidel se zabývají pouze bezhmotnými prvky. Pokud mají kalibrační bosony hmotnost, nelze takovou hypotézu rozumně definovat. Higgsův mechanismus se tomuto problému vyhýbá zavedením nového pole zvaného Higgsovo pole. Při vysokých energiích nemají kalibrační bosony žádnou hmotnost a hypotéza funguje podle očekávání. Při nízkých energiích pole způsobí porušení symetrie, což umožňuje prvkům mít hmotnost.
Co je Higgsův boson?
Higgsovo pole produkuje částice zvané Higgsovy bosony. Jejich hmotnost není teorií specifikována, ale výsledkem experimentu bylo zjištěno, že se rovná 125 GeV. Jednoduše řečeno, Higgsův boson svou existencí definitivně potvrdil Standardní model.
Mechanismus, pole a boson nesou jméno skotského vědce Petera Higgse. Nebyl sice první, kdo tyto koncepty navrhl, ale jak už to ve fyzice bývá, byl to prostě náhodou ten, po kterém byly pojmenovány.
Zlomená symetrie
Higgsovo pole bylo považováno za zodpovědné za to, že částice, které by neměly mít hmotnost, ano. Jedná se o univerzální médium, které dává bezhmotným částicím různé hmotnosti. Takové porušení symetrie se vysvětluje analogií se světlem - všechny vlnové délky se pohybují ve vakuu stejnou rychlostí, zatímco v hranolu lze každou vlnovou délku rozlišit. Toto je samozřejmě nesprávná analogie, protože bílé světlo obsahuje všechny vlnové délky, ale příklad ukazuje jakvytvoření hmoty Higgsovým polem se zdá být způsobeno porušením symetrie. Hranol narušuje symetrii rychlosti různých vlnových délek světla jejich oddělením a předpokládá se, že Higgsovo pole narušuje symetrii hmotností některých částic, které jsou jinak symetricky bezhmotné.
Jak jednoduše vysvětlit Higgsův boson? Teprve nedávno si fyzici uvědomili, že pokud Higgsovo pole skutečně existuje, bude jeho provoz vyžadovat přítomnost vhodného nosiče s vlastnostmi, díky kterým jej lze pozorovat. Předpokládalo se, že tato částice patří k bosonům. Zjednodušeně lze říci, že Higgsův boson je tzv. nosná síla, stejně jako fotony, které jsou nositeli elektromagnetického pole Vesmíru. Fotony jsou v jistém smyslu jeho lokální excitace, stejně jako Higgsův boson je lokální excitace jeho pole. Prokázání existence částice s vlastnostmi očekávanými fyziky se ve skutečnosti rovnalo přímému prokázání existence pole.
Experiment
Mnoho let plánování umožnilo, aby se Velký hadronový urychlovač (LHC) stal důkazem potenciálního vyvrácení teorie Higgsových bosonů. 27 km dlouhý prstenec supervýkonných elektromagnetů může urychlit nabité částice na významné zlomky rychlosti světla, což způsobí srážky dostatečně silné na to, aby je rozdělily na jejich součásti, a také deformuje prostor kolem místa dopadu. Podle výpočtů je při srážkové energii dostatečně vysoké úrovně možné nabít boson tak, že se rozpadne, a to může býtbude sledovat. Tato energie byla tak velká, že někteří dokonce zpanikařili a předpovídali konec světa a fantazie jiných zašla tak daleko, že objev Higgsova bosonu byl popsán jako příležitost nahlédnout do alternativní dimenze.
Konečné potvrzení
Počáteční pozorování vypadalo, že ve skutečnosti vyvrací předpovědi a nebylo možné nalézt žádné známky částice. Někteří z výzkumníků zapojených do kampaně za miliardy dolarů dokonce vystoupili v televizi a pokorně prohlásili, že vyvrácení vědecké teorie je stejně důležité jako její potvrzení. Po nějaké době se však měření začala sčítat a 14. března 2013 CERN oficiálně oznámil potvrzení existence částice. Existují důkazy, které naznačují existenci více bosonů, ale tato myšlenka vyžaduje další studium.
Dva roky poté, co CERN oznámil objev částice, to vědci pracující na Velkém hadronovém urychlovači dokázali potvrdit. Na jednu stranu to bylo obrovské vítězství vědy a na druhou stranu mnozí vědci byli zklamáni. Pokud někdo doufal, že Higgsův boson bude tou částicí, která povede do podivných a nádherných oblastí za Standardním modelem – supersymetrie, temná hmota, temná energie – pak se bohužel ukázalo, že tomu tak není.
Studie publikovaná v Nature Physics potvrdila rozpad na fermiony. Standardní model předpovídá, že, zjednodušeně řečeno, bosonHiggs je částice, která dává fermionům jejich hmotnost. Detektor urychlovače CMS konečně potvrdil jejich rozpad na fermiony - down kvarky a tau leptony.
Higgsův boson jednoduše: co to je?
Tato studie konečně potvrdila, že se jedná o Higgsův boson předpovězený Standardním modelem částicové fyziky. Nachází se v hmotnostně-energetické oblasti 125 GeV, nemá žádný spin a může se rozpadat na mnoho lehčích prvků - páry fotonů, fermiony atd. Díky tomu můžeme s jistotou říci, že Higgsův boson, zjednodušeně řečeno, je částice, která dává hmotu všemu.
Zklamán výchozím chováním nově otevřeného prvku. Pokud by byl jeho rozpad byť jen trochu jiný, souvisel by s fermiony jinak a objevily by se nové cesty výzkumu. Na druhou stranu to znamená, že jsme se neposunuli ani o krok za Standardní model, který nebere v úvahu gravitaci, temnou energii, temnou hmotu a další bizarní jevy reality.
Nyní lze jen hádat, co je způsobilo. Nejoblíbenější teorií je supersymetrie, která tvrdí, že každá částice ve Standardním modelu má neuvěřitelně těžkého superpartnera (tvoří tedy 23 % vesmíru – temnou hmotu). Modernizace urychlovače, zdvojnásobení jeho srážkové energie na 13 TeV, pravděpodobně umožní detekovat tyto superčástice. Jinak si supersymetrie bude muset počkat na stavbu výkonnějšího nástupce LHC.
Další vyhlídky
Jaká tedy bude fyzika po Higgsově bosonu? LHC nedávno obnovil svou práci s výraznými vylepšeními a je schopen vidět vše od antihmoty po temnou energii. Předpokládá se, že temná hmota interaguje s běžnou hmotou výhradně prostřednictvím gravitace a vytvářením hmoty, a význam Higgsova bosonu je klíčem k tomu, abychom přesně pochopili, jak k tomu dochází. Hlavní nevýhodou Standardního modelu je, že nedokáže vysvětlit účinky gravitace – takový model by se dal nazvat Velká sjednocená teorie – a někteří věří, že částice a Higgsovo pole by mohly být mostem, který fyzici tak zoufale hledají.
Existence Higgsova bosonu byla potvrzena, ale jeho plné pochopení je stále velmi daleko. Vyvrátí budoucí experimenty supersymetrii a myšlenku jejího rozkladu na samotnou temnou hmotu? Nebo potvrdí každý poslední detail předpovědí Standardního modelu o vlastnostech Higgsova bosonu a navždy ukončí tuto oblast výzkumu?
