Jednoducho povedané, Higgsov bozón je najdrahšia častica všetkých čias. Ak na objavenie elektrónu stačila napríklad vákuová trubica a pár brilantných myslí, hľadanie Higgsovho bozónu si vyžiadalo vytvorenie experimentálnej energie, ktorá sa na Zemi vyskytuje len zriedka. Veľký hadrónový urýchľovač nie je potrebné predstavovať, je jedným z najznámejších a najúspešnejších vedeckých experimentov, no jeho profilová častica je, rovnako ako predtým, pre väčšinu populácie zahalená rúškom tajomstva. Nazvali ju Božou časticou, no vďaka úsiliu doslova tisícov vedcov už nemusíme akceptovať jej existenciu na základe viery.
Posledný neznámy
Čo je to Higgsov bozón a aký význam má jeho objav? Prečo sa stal predmetom takého humbuku, financovania a dezinformácií? Z dvoch dôvodov. Po prvé, bola to posledná neobjavená častica potrebná na potvrdenie štandardného modelu fyziky. Jej objav znamenal, že celá generácia vedeckých publikácií nebola márna. Po druhé, tento bozón dáva ostatným časticiam ich hmotnosť, čo mu dáva zvláštny význam a určitú „kúzelnosť“. Máme tendenciu premýšľaťhmotnosť ako vnútorná vlastnosť vecí, ale fyzici si myslia niečo iné. Zjednodušene povedané, Higgsov bozón je častica, bez ktorej hmotnosť v princípe neexistuje.
Ešte jedno pole
Dôvod spočíva v takzvanom Higgsovom poli. Bol popísaný ešte pred Higgsovým bozónom, pretože ho fyzici vypočítali pre potreby vlastných teórií a pozorovaní, ktoré si vyžadovali prítomnosť nového poľa, ktorého pôsobenie by sa rozšírilo na celý Vesmír. Posilňovanie hypotéz vymýšľaním nových komponentov vesmíru je nebezpečné. V minulosti to viedlo napríklad k vytvoreniu teórie éteru. Ale čím viac matematických výpočtov bolo urobených, tým viac fyzici chápali, že Higgsovo pole musí v skutočnosti existovať. Jediným problémom bol nedostatok praktických prostriedkov na jeho pozorovanie.
V štandardnom modeli fyziky získavajú elementárne častice hmotnosť prostredníctvom mechanizmu založeného na existencii Higgsovho poľa, ktoré preniká celým priestorom. Vytvára Higgsove bozóny, ktoré vyžadujú veľa energie, a to je hlavný dôvod, prečo vedci potrebujú moderné urýchľovače častíc na uskutočňovanie vysokoenergetických experimentov.
Odkiaľ pochádza hmota?
Sila slabých jadrových interakcií rýchlo klesá s rastúcou vzdialenosťou. Podľa kvantovej teórie poľa to znamená, že častice, ktoré sa podieľajú na jeho tvorbe - W- a Z-bozóny - musia mať hmotnosť, na rozdiel od gluónov a fotónov, ktoré nemajú žiadnu hmotnosť.
Problém je v tom, že teórie mierok sa zaoberajú iba bezhmotnými prvkami. Ak majú kalibračné bozóny hmotnosť, tak takúto hypotézu nemožno rozumne definovať. Higgsov mechanizmus sa tomuto problému vyhýba zavedením nového poľa nazývaného Higgsovo pole. Pri vysokých energiách nemajú kalibračné bozóny žiadnu hmotnosť a hypotéza funguje podľa očakávania. Pri nízkych energiách pole spôsobuje porušenie symetrie, čo umožňuje prvkom mať hmotnosť.
Čo je Higgsov bozón?
Higgsovo pole produkuje častice nazývané Higgsove bozóny. Ich hmotnosť nie je teóriou špecifikovaná, ale výsledkom experimentu sa zistilo, že sa rovná 125 GeV. Jednoducho povedané, Higgsov bozón svojou existenciou definitívne potvrdil Štandardný model.
Mechanizmus, pole a bozón nesú meno škótskeho vedca Petra Higgsa. Nebol síce prvý, kto navrhol tieto koncepty, ale ako to už vo fyzike býva, jednoducho to bol práve on, po kom boli pomenované.
Zlomená symetria
Myslelo sa, že Higgsovo pole je zodpovedné za to, že častice, ktoré by nemali mať hmotnosť, mali. Toto je univerzálne médium, ktoré dáva bezhmotným časticiam rôzne hmotnosti. Takéto porušenie symetrie sa vysvetľuje analógiou so svetlom - všetky vlnové dĺžky sa pohybujú vo vákuu rovnakou rýchlosťou, zatiaľ čo v hranole možno každú vlnovú dĺžku rozlíšiť. Toto je, samozrejme, nesprávne prirovnanie, keďže biele svetlo obsahuje všetky vlnové dĺžky, ale príklad ukazuje akoZdá sa, že vytvorenie hmoty Higgsovým poľom je spôsobené porušením symetrie. Hranol narúša symetriu rýchlosti rôznych vlnových dĺžok svetla ich oddelením a predpokladá sa, že Higgsovo pole narúša symetriu hmotností niektorých častíc, ktoré sú inak symetricky bezhmotné.
Ako jednoducho vysvetliť Higgsov bozón? Len nedávno si fyzici uvedomili, že ak Higgsovo pole skutočne existuje, jeho prevádzka si bude vyžadovať prítomnosť vhodného nosiča s vlastnosťami, vďaka ktorým ho možno pozorovať. Predpokladalo sa, že táto častica patrí k bozónom. Zjednodušene povedané, Higgsov bozón je takzvaná nosná sila, rovnako ako fotóny, ktoré sú nositeľmi elektromagnetického poľa Vesmíru. Fotóny sú v istom zmysle jeho lokálnymi excitáciami, rovnako ako Higgsov bozón je lokálnou excitáciou jeho poľa. Dokázanie existencie častice s vlastnosťami očakávanými fyzikmi sa v skutočnosti rovnalo priamemu dokázaniu existencie poľa.
Experiment
Mnohé roky plánovania umožnili, aby sa Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) stal dôkazom potenciálneho vyvrátenia teórie Higgsovho bozónu. 27-kilometrový prstenec supervýkonných elektromagnetov môže urýchliť nabité častice na významné zlomky rýchlosti svetla, čo spôsobí zrážky dostatočne silné na to, aby ich rozdelili na ich komponenty, ako aj deformáciu priestoru okolo bodu dopadu. Podľa výpočtov je pri kolíznej energii dostatočne vysokej úrovne možné nabiť bozón tak, že sa rozpadne, a to môže byťbude sledovať. Táto energia bola taká veľká, že niektorí dokonca spanikárili a predpovedali koniec sveta a fantázia iných zašla tak ďaleko, že objav Higgsovho bozónu označili za príležitosť nahliadnuť do alternatívnej dimenzie.
Konečné potvrdenie
Zdalo sa, že počiatočné pozorovania v skutočnosti vyvrátili predpovede a nebolo možné nájsť žiadne stopy po častici. Niektorí výskumníci zapojení do kampane za miliardy dolárov sa dokonca objavili v televízii a pokorne konštatovali fakt, že vyvrátenie vedeckej teórie je rovnako dôležité ako jej potvrdenie. Po určitom čase však merania začali pridávať celkový obraz a 14. marca 2013 CERN oficiálne oznámil potvrdenie existencie častice. Existujú dôkazy, ktoré naznačujú existenciu viacerých bozónov, ale táto myšlienka si vyžaduje ďalšie štúdium.
Dva roky po tom, čo CERN oznámil objav častice, vedci pracujúci na Veľkom hadrónovom urýchľovači to dokázali potvrdiť. Na jednej strane to bolo obrovské víťazstvo pre vedu a na druhej strane mnohí vedci boli sklamaní. Ak niekto dúfal, že Higgsov bozón bude tou časticou, ktorá povedie do zvláštnych a úžasných oblastí mimo Štandardného modelu – supersymetria, temná hmota, temná energia –, tak sa, žiaľ, ukázalo, že to tak nie je.
Štúdia publikovaná v Nature Physics potvrdila rozpad na fermióny. Štandardný model predpovedá, že jednoducho povedané, bozónHiggs je častica, ktorá dáva fermionom ich hmotnosť. Detektor CMS urýchľovača konečne potvrdil ich rozpad na fermióny - down kvarky a tau leptóny.
Higgsov bozón jednoducho: čo to je?
Táto štúdia konečne potvrdila, že ide o Higgsov bozón predpovedaný štandardným modelom časticovej fyziky. Nachádza sa v oblasti hmoty a energie 125 GeV, nemá spin a môže sa rozpadnúť na mnoho ľahších prvkov - páry fotónov, fermióny atď. Vďaka tomu môžeme s istotou povedať, že Higgsov bozón, zjednodušene povedané, je častica, ktorá dáva hmotnosť všetkému.
Sklamaný predvoleným správaním novootvoreného prvku. Ak by bol jeho rozpad čo i len trochu iný, inak by súvisel s fermiónmi a objavili by sa nové cesty výskumu. Na druhej strane to znamená, že sme sa neposunuli ani o krok za Štandardný model, ktorý neberie do úvahy gravitáciu, temnú energiu, temnú hmotu a iné bizarné javy reality.
Teraz môžeme len hádať, čo ich spôsobilo. Najpopulárnejšou teóriou je supersymetria, ktorá tvrdí, že každá častica v štandardnom modeli má neuveriteľne ťažkého superpartnera (tvorí teda 23 % vesmíru – temnú hmotu). Modernizácia urýchľovača, zdvojnásobenie jeho kolíznej energie na 13 TeV, pravdepodobne umožní odhaliť tieto superčastice. V opačnom prípade si supersymetria bude musieť počkať na konštrukciu výkonnejšieho nástupcu LHC.
Ďalšie vyhliadky
Aká teda bude fyzika po Higgsovom bozóne? LHC nedávno obnovil svoju prácu s výraznými vylepšeniami a je schopný vidieť všetko od antihmoty až po temnú energiu. Verí sa, že temná hmota interaguje s bežnou hmotou výlučne prostredníctvom gravitácie a vytváraním hmoty a význam Higgsovho bozónu je kľúčom k presnému pochopeniu toho, ako sa to deje. Hlavnou nevýhodou Štandardného modelu je, že nedokáže vysvetliť účinky gravitácie – takýto model by sa dal nazvať Veľká zjednotená teória – a niektorí veria, že častica a Higgsovo pole by mohli byť mostom, ktorý fyzici tak zúfalo hľadajú.
Existencia Higgsovho bozónu bola potvrdená, ale jeho úplné pochopenie je ešte veľmi vzdialené. Vyvrátia budúce experimenty supersymetriu a myšlienku jej rozkladu na samotnú temnú hmotu? Alebo potvrdia každý posledný detail predpovedí štandardného modelu o vlastnostiach Higgsovho bozónu a navždy ukončia túto oblasť výskumu?
