Vyhodnocuje aj dáta z obrovských fyzikálnych urýchľovačov častíc.
Načo nám vlastne sú tie obrovské urýchľovače častíc?
„Napodobňujeme v nich akoby zrážky pri veľmi vysokých teplotách. Teraz sa napríklad končí éra urýchľovača Tevatron, ktorý je pri Chicagu. Urýchľoval protóny a antiprotóny na zhruba 2 TeV. TeV to je energia, ktorú získa častica s jedným elementárnym nábojom, keď je urýchlená potenciálovým rozdielom 10 na 12 voltov.
To sa dosť dobre nedá predstaviť, ale povedzme, že to je ako systém zahriaty na istú teplotu, ktorá je zhruba 100 miliónkrát väčšia ako teplota vnútri Slnka.“
To sú dosť vysoké teploty.
„My si môžeme detektor predstaviť ako mikroskop. Lenže jedná sa o mikroskop, ktorý má miliard-krát lepšie rozlíšenie ako najlepší elektrónový mikroskop. Tie majú rozlíšenie zhruba 10 na -10 metra a v našom prípade – napríklad v prípade detektora ATLAS – ideme na 10 na -19 metra.“
Teda skúmame maličké veci?
„Supermaličké.“
Prečo musíme v týchto urýchľovačoch častice zrážať?
„Pri zrážkach skúmame vlastne štruktúru protónu. Snažíme sa klasifikovať svet okolo nás a vysvetliť ho pomocou elementárnych častíc a elementárnych síl, ktoré medzi týmito časticami pôsobia.
V časticovej fyzike momentálne vládne tzv. štandardný model, ktorý je založený na troch sektoroch častíc. Prvý tvoria fundamentálne fermióny – kvarky a leptóny. Sú zodpovedné za štruktúry, vytvárajú napr. protón či neutrón. Druhý sektor sú kvanta silových polí.
Tretí sektor je veľmi špeciálny a v štandardnom modeli je tvorený jedinou časticou, Higgsovým bozónom.
Ten je veľmi zvláštna častica, niektorí hovoria božská a možno majú pravdu. Tento bozón je kvantum Higgsovho poľa a to pole má tú vlastnosť, že jeho stredná vákuová hodnota je rôzna od nuly.
Prakticky to znamená, že vákuum nie je ničota, je to minimálne Higgsov kondenzát – podobne ako vodná para ak skondenzuje, vytvorí vodu, tak isto Higgsov bozón v istý moment, keď sa teplota vesmíru dostala zhruba na 10 na 15 Kelvinov, skondenzoval a častice, teda leptóny, kvarky, W a Z bozóny, nadobudli hmotnosť. Dovtedy boli bez hmotnosti.“
Toto vieme, či to je iba hypotéza?
„Samozrejme je to hypotéza. Ale máme ju z mnohých vecí preverenú a niet významnej odchýlky, ktorá by naznačovala, že to neplatí. Navyše, ak túto hypotézu prijmeme, vieme množstvo vecí vysvetliť.“
Ono ale dosť významnou odchýlkou môže byť to najbanálnejšie: nemáme stále samotný Higgsov bozón.
„Nemáme, to je pravda. Ale treba si uvedomiť, že nájsť ho je veľmi zložitá vec. Produkuje sa veľmi zriedkavo. Navyše ho môžeme dostať síce z rozpadu na iné častice, no tento proces má strašne veľké pozadie. Odlíšiť Higgsov bozón, aj keď sa už zrodil, nie je jednoduché.
V Tevatrone sa ale podarilo ukázať, že tento bozón s veľkou pravdepodobnosťou nejestvuje v oblasti od zhruba od 160 GeV do 170 GeV. Predtým, v experimentoch na LEP, sme vylúčili jeho existenciu pod 114 GeV.
Takže vieme, kde ho zhruba hľadať a máme nepriame náznaky, že podľa štandardného modelu by mal existovať kdesi v oblasti od 90 do 160 GeV.“
Vy veríte v jeho existenciu?
„Viac-menej verím, že jestvuje. Ak by som mal vsadiť, vsadil by som, že je.“
Keď idem po ulici, vidím stromy. Alebo tu v miestnosti sú stôl a stoličky. To sú všetko hmotné veci poskladané z hmotných častíc. Človek by predpokladal, že Higgsových bozónov musí byť vo svete strašne veľa. Ako to, že ho nevieme nájsť?
„On je kdesi v pozadí. Prejavuje sa v tom, že častice majú hmotnosť. Ale teraz, keď sa spustilo LHC, tak je veľká šanca – ak Higgs existuje – že ho objavíme.“
Prečo v Tevatrone zrážame protón s antiprotónom a v LHC protóny s protónmi?
„Veľa veci je spoločných, no niečo je odlišné. Možno by bolo ideálnejšie zrážať protón a antiprotón. Problémom však je, že musíte antiprotón kdesi vytvoriť, potom ho uskladniť a až následne zrážať, čo je ďaleko náročnejšie.
Je jednoduchšie postaviť próton-protónový urýchľovač. V tomto prípade môžete dosiahnuť väčší počet zrážok a preskúmať väčší počet zrážok.“
Dosiaľ hovoríme o tom, ako Higgsov bozón objavíme. Čo sa však stane, ak ho neobjavíme?
„Existujú koncepcie - napríklad technicolor - ktorá umožňuje vysvetliť svet bez Higgsovho bozónu. A niektorí hovoria, že by bolo zaujímavejšie, ak by nebol.
Niektorí fyzici by sa tešili, lebo by to bola nová výzva. A pravdepodobne by sa začal väčší dôraz klásť na koncepciu takzvaného dynamického narušenia symetrie. Začali by sa hľadať nejaké prejavy novej koncepcie.
Ale väčšina ľudí si myslí, že ten bozón predsa len existuje. Je až zarážajúce, ako veľa je dôkazov, že všetko sedí.“
Špekulujme ďalej. Čo ak by sme Higgsov bozón našli. Ale nebol by jeden, ale bolo by ich viac?
„Aj samotný štandardný model pripúšťa možnosť, že Higgsov sektor je bohatší než ho má minimálny model. Aj supersymetria má viacero takýchto bozónov – päť.
Hľadanie takýchto Higgsových bozónov je jedným z cieľov na Tevatrone aj LHC. Treba si uvedomiť, že so štandardným modelom, napriek tomu, že je vo výbornej zhode s experimentmi, nie sme spokojní.“
Prečo?
„Štandardný model napríklad nevysvetľuje hierarchiu hmotností základných častíc. Celý svet dokážeme vysvetliť cez up kvark, down kvark, elektrón a jeho neutríno.
Jediná častica druhého pokolenia, s ktorou prichádzame do styku, je mión. Vzniká tak, že protóny kozmického žiarenia interagujú s jadrami v atmosfére, vznikajú pióny a pri ich rozpade mióny. Ale svet bez miónu by sme si vedeli predstaviť.
Druhé pokolenie je ťažšie a tretie je ešte ťažšie. Štandardný model nevysvetľuje, prečo je tomu tak.“
Čiže my z pozorovania vieme, že takto to je, ale netušíme, prečo?
„Presne. Síce štandardný model nám hovorí, že tieto častice musia mať hmotnosť, no nehovorí, akú. A toto by sme chceli pochopiť.
Štandardný model tiež neuspokojivo vysvetľuje narušenie C-P symetrie. To je zodpovedné za to, že máme baryónovú asymetriu.
Domnievame sa, že na počiatku sveta sme mali v jeho horúcej fáze rovnaký počet častíc a antičastíc. No v jednom momente došlo k maličkému narušeniu tejto symetrie. Ale vďaka nemu vznikol materiálny svet, inak by všetko preanihilovalo.
Neuspokojuje nás ani to, že baryónová hmota predstavuje len 4 percentá hmoty vo vesmíre. 23 percent je tmavá hmota a zvyšok niečo úplne podivné, tmavá energia. Štandardný model nemá časticu, ktorá by vedela vysvetliť tmavú hmotu a my pritom bezpečne vieme, že existuje. Vidíme to z jej gravitačných účinkov.“
Keďže dokážeme pozorovať veci, ktoré štandardný model nevie vysvetliť, prečo sa ho stále držíme. Prečo prevláda?
„Lebo tento model je vo veľmi dobrej zhode s experimentom, teda s tým, čo vidíme na urýchľovačoch. Samozrejme nie sme však spokojní s tým, že nevieme vysvetliť napr. tmavú hmotu alebo hierarchiu hmotností častíc. Ani baryónovú asymetriu, čo je fundamentálny problém.
Teda nie sme spokojní so štandardným modelom, nové hypotézy máme a musíme ich potvrdiť. Preto sme vlastne postavili urýchľovač LHC.“
Kedysi sa učilo, že svet je poskladaný z atómov. Neskôr sme sa už učili, že atómy majú protóny, neutróny a elektróny. Nedávno sme zistili, že ešte hlbšie sú kvarky. Už sme objavili základné stavebné kamene kozmu?
„Podľa teórie by mal byť kvark bodový útvar. Čosi finálne. Ale jednou z úloh nových experimentov je hľadať, či to skutočne sú fundamentálne objekty, alebo či majú nejakú štruktúru.
Zatiaľ to vyzerá, že z experimentálneho hľadiska to sú objekty, ktorých priestorová štruktúra je menšia ako 10 na -18 metra. Teda ak si predstavíme protón ako metrovú sféru, tak kvark musí mať menej ako jeden milimeter. Protón je vlastne prázdna guľa.
Tým viac atóm, ktorý je desaťtisíckrát väčší než atómové jadro. Atóm by v našom porovnaní mal rozmer asi sto kilometrov.“
Prečo sa učí, že atóm vyzerá ako slnečné sústava, kde všetko krúži relatívne blízko stredu?
„Jedna vec je, ako sa to kreslí. Druhá vec je, že ak si vezmete slnečnú sústavu, tak Slnko a planéty sú tak vzdialené, že to v istom zmysle pripomína slnečnú sústavu.
Ale už storočie vieme, že pre atóm slnečná sústava nie je dobrá analógia. Keby mali elektróny krúžiť okolo jadra tak ako planéty, museli by vyžarovať a veľmi rýchlo by museli spadnúť na to atómové jadro. A to sa nedeje.“
A ako je to s elektrónmi, to je taký čudesný svet sám osebe.
„Začiatok 20. storočia bol veľmi zaujímavý v tom, že prišla kríza fyziky. Dovtedy existoval model, ktorý predpokladal, že atóm je kladne nabitá guľa kvapaliny, v ktorej plávajú elektróny ako hrozienka v pudingu.
Ale Rutherford navrhol experiment a ten jednoznačne ukázal, že to tak nie je. Že atóm má jadro, v ktorom je prakticky všetka jeho hmotnosť a pritom predstavuje zhruba desaťtisícinu celého atómu. Tak prišiel s planetárnym modelom: že máme kladne nabité jadro, okolo ktorého krúžia elektróny.
Teoretici sa chytali za hlavu, že takýto atóm bude nestabilný a nemôže fungovať. A vznikla kríza fyziky. Skončila tým, že bola vytvorená kvantová teória, ktorá ukázala jednu vec – že častica, ten elektrón nemá dráhu okolo jadra, ale môžeme mu priradiť len vlnovú funkciu, ktorá dáva amplitúdu pravdepodobnosti jeho výskytu.
Len keď spriemerujete jeho polohy, vyjde vám akási stredná dráha. Elektrón nemá však v klasickom zmysle slova trajektóriu.“
Celý tento kvantový svet príde laikovi veľmi zložitý. Neštve vás trochu, že je taký neintuitívny, bez jedného univerzálneho pravidla? Ktoré by navyše fungovalo aj v makrosvete?
„Treba si uvedomiť, že keď my prejdeme do mikrosveta, berieme si so sebou pojmy, ktoré sme si vytvorili v našom makrosvete. A keď ich chceme uplatniť, tak sa ukáže, že sa nedajú bezprostredne použiť. Alebo sa aj dajú, ale musia pre ne platiť akési neurčitosti.
Napríklad pojem polohového vektora (dráhy) a hybnosti. Pre ne platí Heisenbergova neurčitosť. Teda keď určíme presne polohu častice, máme veľkú neurčitosť v určení jej hybnosti. Ale taký je kvantový svet.
Keď túto bariéru prekonáme, dostávame krásne výsledky. Naše hľadanie je možno komplikované, no hľadáme akúsi symetriu, ktorá bola na počiatku a ktorá sa potom narušila a v dôsledku toho vznikol aj svet, ako ho poznáme.“
Vieme povedať, prečo z toho pekného poriadku vznikol tento – ak to zveličíme – bordel?
„Kedysi, zhruba pred 13,75 miliardami rokov sme mali singularitu. Nekonečne horúci a nekonečne hustý počiatočný vesmír. Ten sa z nejakých dôvodov začínal rozpínať, bola nejaká fluktuácia, ktorá nezhasla.“
Vieme z akých dôvodov?
„Nevieme. Tevatron sa dostal do okamihu zhruba 10 na -11 sekundy po veľkom tresku, keď rozmer vesmíru bol zhruba pár milimetrov.
LHC postúpi do zhruba 10 na -12 sekundy. V tom čase došlo k významnej udalosti, k fázovému prechodu, pri ktorom vznikol Higgsov kondenzát. Vesmír ochladol natoľko, že Higgsove bozóny skvapalneli, vďaka čomu častice nadobudli hmotnosť. Keby k tomu nedošlo, tento svet by sa nemohol vytvoriť. Aspoň nie v dnešnej forme.
A niektorí si myslia, že v tomto okamihu došlo k maličkému prebytku látky nad antilátkou. Aj keď väčšina vedcov si myslí, že táto vec nastala o čosi skôr.“
Na toto máme stroje. A ešte o kúsok hlbšie do minulosti sa vieme dostať?
„Vo fyzike máte skeptických ľudí, potom triezvych aj optimistov či superoptimistov. Skeptici hovoria, že jediné, čomu môžeme veriť, je doba do 10 na -5 sekundy, kedy sa začali vytvárať z kvarkov hadróny. Teda protóny a podobne.
Optimisti hovoria, že môžeme ísť až po 10 na -43 sekundy, kedy podľa všetkého vznikol svet z gravitačnej kvantovej fluktuácie. To je Planckov čas. Niektorí hovoria, že práve potiaľ je fyzika a ďalej je už náboženstvo.
A niektorí superoptimisti hovoria, že môžeme ísť aj ďalej a že pri popise počiatku vesmíru v čase, v skutočnosti robíme projekciu len na jeho reálnu zložku a v fáze vesmíru sa objaví imaginárny čas, ktorý si ale nevieme predstaviť. A vtedy aj singularita prestáva byť dôležitou, lebo je len dôsledkom našej projekcie do reálnej komponenty času.“
Vy ste čo?
„Ja som optimista. Je reálne robiť predpoklady a skúmať veci do 10 na -43 sekundy po veľkom tresku.“
Pre fyzikov čas a priestor vznikli veľkým treskom?
„V tom je základný problém, keď sa ľudia pýtajú, čo môže povedať fyzika o existencii Boha. Fyzika kategorizuje veci napríklad v priestore a čase. Ten môže sebou predstavovať aj komplikovanejší útvar – môže obsahovať aj doplnkové dimenzie.
Ale podstatné je to, že vo fyzike pojem existencie je viazaný na určitý bázový časo-priestor a podľa fyziky priestor aj čas vznikli práve v momente veľkého tresku.
Hovoriť o čase pred veľkým treskom nemá z hľadiska fyziky žiaden význam. Fyzika pre stavy pred veľkým treskom nemá výrazové prostriedky.
Ja ako človek si môžem intuitívne rozšíriť pojem času a ísť ďalej, ale to je moja vnútorná projekcia odrážajúca môj emocionálny náboj, no z fyzikálneho hľadiska hovoriť o čase pred veľkým treskom nemá význam. Na druhej strane pojem existencie z hľadiska fyziky nemusí byť všeobsahujúci...“
Čiže pýtať sa fyzika, čo bolo pred veľkým treskom, je nezmysel?
„Ako človek vám síce môžeme povedať, či v čosi verím, ale ako fyzik musím odpovedať, že čas a priestor sa začali tu (pri veľkom tresku) a hovoriť o existencii čohosi pred časom nemá význam. Vo fyzike existovať znamená byť v priestore a čase.“
