lnych častíc a síl. „Lov na Higgsa" stále pokračuje, no priestoru neznáma, kde by sa tento dlho hľadaný cieľ fyzikov mal nachádzať, potešiteľne ubúda.
Všetko sa krúti okolo tzv. štandardného modelu častíc a síl, ktorý sa zrodil v 70-tych rokoch minulého storočia. Má nejasné a slabé miesta a v odbornej literatúre sa objavili jeho teoretické extenzie či alternatívy, no stále pretrváva ako pohľad na náš materiálny svet, ktorý najlepšie ladí s experimentami.
Za jeho najväčšie nedostatky sa považuje fakt, že nedokáže vysvetliť pozorovania neutrín (konkrétne ich premeny z jedného typu na iný), ktoré naznačujú, že tieto častice majú nenulovú pokojovú hmotnosť, a najmä to, že nezahŕňa opis gravitácie, najlepšie vysvetľovanej všeobecnou teóriou relativity Alberta Einsteina.
Štandardný model sa týka zložiek bežne viditeľnej vesmírnej hmoty a troch interakcií, v ktorých tieto zložky vystupujú: elektrickej a slabej jadrovej sily (zjednotených do elektroslabej) a silnej jadrovej sily. V jednotnom rámci opisuje skladbu protónov a neutrónov - ktoré tvoria prakticky všetko „hmatateľné" okolo nás - z kvarkov a úlohy, ktoré v hmote zastáva druhý hlavný typ častíc, leptóny, kam patrí aj elektrón.
Základný kameň
Jedinou zložkou štandardného modelu, ktorú sa dosiaľ nepodarilo pozorovať pri pokusoch na urýchľovačoch, je tak trochu iróniou osudu, ale aj pre objektívny dôvod (pozri nižšie), tá najzákladnejšia: tzv. Higgsova častica. Meno má po britskom teoretickom fyzikovi Peterovi Higgsovi (1929, emeritný profesor Edinburghskej univerzity).
Peter Higgs ju predpovedal v 60-tych rokoch minulého storočia - zhruba v tom istom čase to ale nezávisle urobilo aj päť ďalších fyzikov, Rober Brout, François Englert, Gerald Kuralnik, Carl Hagen a Thomas Kibble. Všetci v kontexte mechanizmu, akým mohli iné časticové zložky štandardného modelu získať či nezískať pokojovú hmotnosť.
S ohľadom na túto kľúčovú, „všemocnú" úlohu niektorí fyzici, spisovatelia literatúry faktu a novinári volajú Higgsovu časticu Božia (The God Particle). Autor tohto článku sa však prikláňa k názoru poľského kozmológa a teológa Michaela Hellera, že používanie takých názvov - aj trebárs Stephenom Hawkingom - nie je z viacerých príčin, popri vedeckej metodológii ani z hľadiska filozofie a tolerancie, vhodné čo len v obraznom zmysle.
Higgsova častice má mať nulový spin (kvantovomechanická vlastnosť, čosi ako „rotácia"), čiže patrí k bozónom, časticiam, ktoré najmä sprostredkúvajú sily. K fermiónom, ktoré majú nenulový spin, zasa patria bežné zložky hmoty, ako protón a neutrón a elektrón v atómoch, ktoré vytvárajú objekty makrosveta i nás samotných.
Fyzici pre Higgsovu časticu odvodili veľmi veľkú pokojovú hmotnosť a práve pre to sa ju dosiaľ nepodarilo pozorovať: jednoducho na to nestačili energetické možnosti existujúcich urýchľovačov. V tomto ohľade mnohí vedci netrpezlivo čakali zvlášť na LHC, lenže plány im narušila lanská závažná porucha.
Hlavné zložky štandardného modelu. Vľavo hore (ružový blok) sa nachádzajú kvarky, z nich sú pre bežnú realitu najpodstatnejšie u (up) a d (down), z ktorých sa skladajú protóny a neutróny v jadrách atómov. Vľavo dolu (zelený blok) sú leptóny, z nich je pre nás najpodstatnejší elektrón (e). Vpravo (fialový blok) sú prenášače síl, v našom bežnom svete hrá najväčšiu úlohu fotón (gama), ale aj gluóny (g) ako stabilizátory atómových jadier. V pozadí vlastností všetkých, predovšetkým pokojovej hmotnosti, má byť podľa teoretikov Higgsova častica.
Ilustrácia: Fermilab
Šanca za oceánom
To poskytlo príležitosť medzinárodným spoluprácam CDF a DZero, využívajúcim urýchľovač Tevatron vo Fermiovom národnom urýchľovačovom laboratóriu v Batavii pri Chicagu (štát Illinois, USA), aktuálne najvýkonnejší na svete.
Je to kruhový urýchľovač, pričom dĺžka jeho prstenca dosahuje 6,28-kilometra. Meno dostal vďaka skutočnosti, že dokáže urýchliť protóny a antiprotóny až na energie 1 teraelektrónvoltu (predpona tera značí bilión; elektrónvolt je veľmi malá jednotka energie používaná v časticovej fyzike, zodpovedá 1,602 desaťmilióntiny bilióntiny joulu).
Pohľad na areál Tevatronu so schematickým vyznačením priebehu jednotlivých výskumných šácht vedených pod zemou. Tevatron urýchľuje protóny a antiprotóny takmer na rýchlosť svetla a fyzici pomocou viacerých detektorov sledujú výsledky zrážok zväzkov týchto častíc.
Foto: Fermilab
Tevatron funguje od roku 1983. Budúci rok sa má začať odstavovať, aj vplyvom LHC už zastaráva. Po nekvalifikovanom zrušení projektu SSC politikmi bez adekvátnej náhrady v USA, čo stále vyvoláva búrlivé polemiky amerických vedcov a spoločenských predstaviteľov. Niektoré jeho časti poslúžia pri iných experimentoch.
Na CDF (Collider Detector at Fermilab, Detektor zrážok častíc vo Fermiovom laboratóriu) sa podieľa 602 fyzikov zo 63 inštitúcií v 15 krajinách. Spolupráca DZero (pomenovaná podľa D0, jedného z miest, kde sa v prstenci Tevatronu pretínajú zväzky protónov a antiprotónov) zahŕňa 550 fyzikov z 90 inštitúcií v 18 krajinách. Financované sú z USA i medzinárodne.
Detektor CDF. Vysoký je ako trojposchodový dom a má hmotnosť približne 6-tisíc ton.
Foto: Fermilab
Detektor DZero.
Foto: Fermilab
Zúženie „loviska"
Z výsledkov pokusov na urýchľovači LEP (Large Electron Positron collider, Veľký urýchľovač využívajúci zrážky elektrónov a pozitrónov) v CERN už predtým vyplynulo, že pokojová hmotnosť Higgsovej častice musí prevyšovať 114 GeV/c2 (G je giga čiže miliarda, fyzici využívajú tento tvar, odvodený zo známeho Einsteinovho vzťahu E = mc2).
Na druhej strane z výpočtov miery kvantových účinkov, zahŕňajúcich Higgsovu časticu, vyplynul záver, že jej pokojová hmotnosť nemôže prevyšovať 185 GeV/c2. Pre hodnotu pokojovej hmotnosti Higgsovej častice tak platilo rozpätie 114-185 GeV/c2.
Nové výsledky z Tevatronu teraz ďalej výrazne zúžili takpovediac lovecké územie, v ktorom treba Higgsovu časticu hľadať. A to pri hornej hranici spomenutého rozpätia. Z úvah definitívne vyradili hodnoty 160 až 170 GeV/c2. Síce s menšou pravdepodobnosťou, ale vyzerá to, že už si vedci nebudú musieť zvlášť všímať ani zvyšok hornej polovice doterajšieho higgsovského rozpätia, od 170 po 185 GeV/c2.
Takto vyzerá aktuálna situácia pri pátraní po Higgsovej častici. Zo strany nižších hodnôt obmedzujú jej hmotnosť dpterajšie experimenty na LEP - až po 114 GeV/c2. Zo strany vyšších nepriame údaje z kvantovomechanických výpočtov - od pásma nad 200 po 185 GeV/c2. V strede hornej polovice rozpätia medzi týmito hodnotami sú nové výsledky z Tevatronu. Tmavooranžová farba - tak ako zelená doterajších vymedzení - zodpovedá 95-percentnej pravdepodobnosti, svetlooranžová 90-percentnej. Hoci nemožno vylúčiť zvyšujúce „okno" medzi 180 až 185 GeV/c2, zdá sa, že Higgsova častica, ak existuje, sa skrýva skôr v rozpätí od 114 po necelých 160 GeV/c2.
Ilustrácia: Fermilab
Kto bude prvý?
To zvyšuje šancu na skoré dosiahnutie dlho očakávaného objavu Higgsovej častice. Tevatron má výhodu, že je v plnej permanencii, LHC obnoví v septembri 2009 (krátko po zahájení) závažnou hoci triviálnou poruchou prerušenú činnosť až niekedy koncom tohto roku.
Objav si vyžiada zložité analýzy - sotva pôjde o „heuréku" pri pohľade na kontrolný monitor. Napríklad Tevatron zvyčajne produkuje asi desať miliónov zrážok častíc za sekundu. Higgsova častica pri nich môže vzniknúť mnohými rozličnými spôsobmi a následne sa rozpadnúť na rôzne druhotné častice. To všetko treba zohľadniť.
Štandardný model síce predpovedá frekvenciu, s akou by sa mala v tom či onom detektore vyskytnúť Higgsova častica, no ide o trpezlivé preosievanie záplavy údajov. Spolupráce CDF a DZero sa spojili, čím zdvojnásobili objem údajov, v ktorom teraz hľadajú podľa všetkého celkom nenápadný higgsovský signál.
Z hľadiska ľudského poznania je viac-menej jedno, kto uspeje (napokon spolupráce vo Fermilabe i v CERN sú tak či onak medzinárodné), tímová súťaživosť je však vlastná aj fyzikom. Nuž a stále je možné i také vyústenie, že Higgsova častica vlastne neexistuje a štandardný model bude treba výrazne rozšíriť či dokonca nahradiť.
Na rozdiel od kozmológie či „ezoterických" oblastí fyziky, ako je kvantová gravitácia, sa vedci v tejto oblasti nepohybujú mnoho rádov od overiteľnosti experimentami, ale na hranici priamej uplatiteľnosti zásad vedeckej metódy. A od hraničného fyzikálneho experimentu, overujúceho teóriu, často býva len krôčik k civilizačne nesmierne cenným praktickým využitiam. Hoci, samozrejme, nemožno znižovať význam ani čisto poznávacieho výskumu.
Hlavný zdroj: Komuniké U.S. Department of Energy/Fermi National Accelerator Laboratory z 13. marca 2009.
