Objav Higgsovej častice nás motivuje k hlbšiemu poznávaniu sveta. Pred nami je vzrušujúce obdobie hľadania novej dynamiky sveta.
BRATISLAVA. V stredu 4.júla 2012 to prišlo nečakane skoro. Médiá však stihli byť pri tom: v medzinárodnom laboratóriu časticovej fyziky CERN v Ženeve zverejnili objav novej častice v zrážkach protónov na Veľkom hadrónovom urýchľovači (Large Hadron Collider, LHC). Všetky pozorované vlastnosti tejto častice sú v zhode s dlho hľadaným Higgsovým bozónom.
V čase písania tohto článku – polovica augusta - je dôveryhodnosť objavu spomínanej častice štatisticky ešte významnejšia, ako bola pred mesiacom.
Šanca, že Higgsov bozón neexistuje a v skutočnosti vidíme vo výsledkoch meraní detektora ATLAS iba náhodný prejav šumu je dnes 1 ku 550 miliónom, pričom začiatkom júla to bolo zhruba 1 ku 4 miliónom. Veľmi podobné výsledky vidíme aj na detektore CMS.
Čo sme dosiahli týmto objavom a čo Higgsov bozón znamená pre časticovú fyziku?
Dlhé pátranie
Signál, ktorý by pochádzal z Higgsovho bozónu, sme hľadali dobrých štyridsať rokov. Dlhé tápanie spôsobilo najmä to, že rokmi overená teória elementárnych častíc, takzvaný štandardný model, nevie predpovedať jeho hmotnosť, a teda ani energiu (E=mc2) potrebnú na objav.
Až v experimente sa ukázalo, že táto hmotnosť nie je malá a na predchádzajúcich urýchľovačoch nebola k dispozícii dostatočná energia.
Higgsov bozón bol tak poslednou tehličkou štandardného modelu, ktorá čakala na experimentálne potvrdenie. A bola to tehlička mimoriadnej dôležitosti - vďaka nej vieme vysvetliť, odkiaľ v štandardnom modeli pochádza hmotnosť ostatných častíc.
Štandardný model je pokusom čo najúspornejšie vysvetliť náš svet tak, ako ho pozorujeme bežnými zmyslami, v laboratóriu, v zrážkach na urýchľovačoch či vo hviezdach. Je až nečakane úspešný a vo výbornej zhode s presnými meraniami, predovšetkým z urýchľovačov.
Na druhej strane z pozorovania vesmíru vieme, že je len neúplným popisom sveta, nakoľko nedokáže vysvetliť vesmírnu tmavú hmotu ani vesmírnu tmavú energiu.
Jedna zo zrážok, v ktorej pravdepodobne vznikla Higgsova častica. Žiadna zo stôp na obrázku neodpovedá tejto častici. Higgsova častica sa rozpadá tak rýchlo, že máme šancu pozorovať iba častice - v tomto prípade dva fotóny - na ktoré sa rozpadla. Nakoľko Higgsov bozón je veľmi ťažký a celá jeho energia mc2 rozpadom prejde na energiu dvoch výsledných fotónov, majú tieto fotóny výnimočne veľkú energiu prevyšujúcu energiu ostatných častíc vznikajúcich v zrážke (histogram vpravo dolu). V detektore ATLAS (vľavo, pohľad je v smere zrážajúcich sa protónov) v centrálnej časti fotóny nevidíme, nakoľko tu sa zviditeľnia len stopy elektricky nabitých častíc (modré čiary). Svoju prítomnosť fotóny prezradia až v elektromagnetickom kalorimetri (zelené medzikružie). Tu vytvoria spŕšku nabitých častíc (dve zreteľné krátke hrubé žlté čiary), ktorej odovzdajú všetku svoju energiu a do vonkajšej časti detektora (červená oblasť, tzv. hadrónový kalorimeter) z nich už neprejde žiaden signál. FOTO - ATLAS-CONF-2012-091
Kvarky, leptóny a bozóny
Podľa štandardného modelu sú základnými stavebnými prvkami nášho sveta kvarky a leptóny, a potom bozóny sprostredkujúce sily medzi nimi.
Tri kvarky typu „u“ a „d“ sa spájajú dokopy a tvoria protóny a neutróny, z ktorých sú zložené atómové jadrá. Kvarky ostatných typov tiež tvoria silne viazané stavy.
Trvajú však len kratučký čas, lebo tieto kvarky bývajú nestabilné a rozpadajú sa. Na rozdiel od kvarkov, leptóny nie sú citlivé na silné jadrové sily.
Leptónom je napríklad záporne nabitý elektrón, prvá známa elementárna častica. Viaže sa elektricky s atómovými jadrami, s ktorými tvorí neutrálne atómy chemických prvkov.
Jeho dvaja ťažší bratia mión a tau leptón sú rovnako nabití ako elektrón, len ťažší a nestabilní.
Elektricky neutrálnymi leptónmi sú tri ľahučké neutrína prenikajúce hmotou ako svetlo cez sklo a citlivé iba na slabé sily známe z pomalých rádioaktívnych rozpadov alebo ako zdroj slnečnej energie.
Sily medzi kvarkami a leptónmi majú pôvod vo výmene bozónov. To znamená, že sila je na kvantovej úrovni vyžiarenie bozónu jedným kvarkom a pohltenie tohto bozónu druhým kvarkom - a naopak, od druhého kvarku k prvému. Ako keby hádzanú hrali iba dvaja hráči.
Kvantovosť je však na tom to, že musíme sčítať všetky možnosti výmeny, lebo lopta (bozón) aj hádzanári (kvarky) sú kvantovo rozmazaní. A tak kvarky v atómových jadrách držia pokope vďaka výmene gluónov, elektrické a magnetické sily sú výsledkom výmeny fotónov a slabé deje pochádzajú od výmeny W a Z bozónov.
Štandardný model. FOTO - WIKIMEDIA
Higgsov bozón
Higgsov bozón a jemu zodpovedajúce Higgsovo pole dopĺňajú uvedenú teóriu tým najúspornejším možným spôsobom.
Úlohou Higgsovho poľa je vyplniť vákuum (čo je stav s najnižšou energiou) spojitým prostredím prispievajúcim nenulovou energiou. Vákuum tým pádom nie je úplná „ničota - prázdnota“ a nemá ani nulovú energiu.
Takúto úlohu nemôžu zohrať žiadne iné častice štandardného modelu, lebo ak by tým istým spôsobom „zamrzli“ v priestore ako Higgsov bozón, im zodpovedajúce polia by dali priestoru aj spin častice (jej vlastné vrtenie).
Prázdny priestor by tak mal výnimočný smer. Nič také však nepozorujeme, takže Higgsov bozón je jedinou časticou štandardného modelu, ktorá sa nevrtí - má nulový spin (študenti si iste spomenú, že napr. elektrón má spin ½ a fotón má spin 1).
Je prirodzené pýtať sa, ako to, že Higgsov bozón je tak ťažko pripraviť, keď jeho pole vypĺňa celý priestor.
Odpoveď vysvetľujeme presnými pojmami a pomocou matematiky (napríklad v treťom semestri magisterského programu Teoretická fyzika na FMFI UK. V dvoch predchádzajúcich semestroch k tomu učíme teóriu poľa, bez nej nejde dať presnú odpoveď).
Stvorené z „ničoho“
Pokúsme sa však predsa len o skratku a prijmime, že prítomnosť nenulového poľa vo vákuu neznamená automaticky prítomnosť častice.
Časticou je až excitácia poľa, stav s energiou väčšou ako je tá vákuová práve o mc2, kde m je v tomto prípade hmotnosť Higgsovej častice.
Preto treba urýchľovač LHC, aby sme pri zrážke protónov získali energiu potrebnú na stvorenie Higgsovho bozónu z vákua. Z nášho laboratórneho ľudského pohľadu ich pri zrážke tvoríme z ničoho.
Fyzikálne je však to „nič“ vyplnené Higgsovým poľom, rovnako ako „nič“ okolo nás v bežnom živote vypĺňa vzduch a pre ryby v mori je „nič“ vyplnené vodou.
Stvorenie častíc tu nie je ničím novým, takto v zrážkach na urýchľovačoch tvoríme akoby z ničoho aj páry elektrón-pozitrón alebo páry kvarkov - pokiaľ k tomu máme dosť energie.
Voči Higgsovej častici je však ten rozdiel, že do energie vákua elektrónové alebo kvarkové polia neprispievajú a ich hodnoty (nie hocijaké hodnoty ale ustrednené hodnoty) sú vo vákuu nulové.
Mimochodom rovnaké stvorenie častíc pozorujeme aj pri každom rozpade: zánik nestabilnej elementárnej častice o hmotnosti M znamená mať odrazu k dispozícii energiu Mc2 na excitáciu vákua, ktorá sa prejaví tvorbou nových ľahších častíc.
FOTO - cdf.fnal.gov
Tri poznámky
V zrýchlenom výklade si dovolíme povedať ešte tri poznámky, ako pozvanie na štúdium teoretickej fyziky.
Prvou je konštatovanie, že hoci Higgsov bozón dáva hmotnosť ostatným elementárnym časticiam, nie je pravda, že od neho pochádza hmotnosť atómov a teda aj predmetov okolo nás.
Táto hmotnosť pochádza prakticky všetka od atómových jadier, ktorých hmotnosť je v dobrom priblížení súčtom hmotností protónov a neutrónov. Hmotnosť protónu a neutrónu však nie je súčtom hmotností troch kvarkov, ale pochádza na 97% zo silnej väzbovej energie medzi nimi.
Ak teda dnes vážite sto kíl, keby nebolo Higgsovho bozónu (presnejšie: keby vákuová hodnota jeho poľa bola nulová), vážili by ste ešte stále 97 kilogramov vďaka silnej väzbe kvarkov (zjednodušujeme možno až príliš, nakoľko bez Higgsovho bozónu by svet vyzeral odlišne. Keďže elektrón by nemal hmotnosť, atómy by neexistovali ako viazané stavy. Tým pádom by neexistovali ani molekuly a vlastne nič, čo je dnes okolo nás.).
Keď sa teda postavíte na váhu, nenadávajte na Higgsov bozón, ten za polohu ručičky nemôže - zvaľte to na kvarky.
Druhá poznámka je o symetriách. Príroda je fantasticky symetrická, niekto môže povedať dokonca harmonická.
Higgsov bozón tento vysoký stupeň symetrie redukuje práve svojim netriviálnym vákuovým stavom, o ktorom sme hovorili vyššie.
Predstaviť si možno napríklad guľu, ktorá vyzerá rovnako pri ľubovolných otáčaniach. Pekná červená reďkovka zhruba guľového tvaru sa tiež nemení pri otáčaniach okolo zvislej osi, ale keď ju otočíme o 180 stupňov okolo vodorovnej osi, tak jasne vidíme, že korienok a vňať si vymenili polohu a reďkovka je hore nohami.
Pod redukciou symetrie Higgsovým bozónom tak máme na mysli to isté, čo na symetrii reďkovky robí jej vňať a koreň: redukujú guľovú symetriu reďkovky.
Posledná poznámka je o predpovedi hmotnosti Higgsovho bozónu. Na začiatku tohto článku sme povedali, že žiadna takáto predpoveď nie je - v štandardnom modeli.
Štandardný model je však iba neúplným efektívnym popisom prírody. Dnes už máme aj teórie, ktoré vychádzajú za jeho rámec.
Najpresvedčivejšími kandidátmi na úplnejšiu teóriu sú modely založené na takzvanej supersymetrii.
Supersymetria
Supersymetria prichádza s ešte vyšším stupňom symetrie či harmónie, ako máme v prírode podľa štandardného modelu, a vďaka tomu nachádzame fyzikálne súvislosti aj medzi vecami, ktoré v štandardnom modeli nijako spolu nesúvisia.
Dôsledkom je predpoveď pre hmotnosť mc2 Higgsovho bozónu v minimálnom supersymetrickom rozšírení štandardného modelu: má byť menšia ako 140 GeV.
Pri experimentálnom pátraní sa hľadala uvedená hmotnosť až do hodnoty 1000 GeV. Je veľmi povzbudivé (aj keď to zatiaľ nie je dôkaz supersymetrie v prírode), že nájdený Higgsov bozón má hmotnosť 125 GeV, teda v súhlase so supersymetrickou predpoveďou.
Ak si dnes v stávkovej kancelárii stavíte na supersymetriu, vaša potenciálna výhra bude značne nižšia, ako u nadšencov, ktorí na supersymetriu stavili pred 4. júlom 2012.
Ohlasovanie objavu novej častice. FOTO - SITA/AP
Veľký úspech
Urýchľovač LHC má teda za sebou prvý veľký úspech. Z pohľadu teoretickej časticovej fyziky ide o úspech povinný.
Bolo by prekvapením, keby sa nekonal. Skutočný výskum z pohľadu teoretikov začína až teraz: hľadá sa úplnejšia teória ako tá, ktorú máme.
Nová teória by mala vysvetliť, prečo je hmotnosť Higgsovej častice pozorovaných 126 GeV a prečo je vákuum vyplnené nenulovým Higgsovým poľom. Odpovede budú zašifrované v novej, nám zatiaľ neznámej dynamike sveta.
Je možné, že sa nám ju na LHC nepodarí nájsť alebo že ňou bude niečo celkom nečakané, čo zatiaľ nikoho nenapadlo. Je však aj čoraz viac možné, že táto dynamika bude odvodená od supersymetrie, presne určenej vyššej symetrie priestoru a času, ktorá bude zároveň aj symetriou medzi kvarkami a leptónmi (časticami s poločíselným spinom) na jednej strane a bozónmi (časticami s celočíselným spinom) na druhej strane.
Aj objavený Higgsov bozón by tak mohol mať svojho super-partnera so spinom ½ : higgsino. Aj to úporne hľadáme na LHC.
Autor je fyzik, Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky FMFI UK a člen Kolaborácie ATLAS na urýchľovači LHC v laboratóriu CERN.
Autor: Tomáš Blažek
