Částicové Zoo – o tom, jak dostaly částice hmotnost – Higgsův boson

Před odchodem z našeho malého částicového Zoo si musíme promluvit o nejzáhadnější ze všech částic – Higgsově bosonu. Je mu věnována výstavka těsně před východem z areálu.

Higgsův boson nemá v našem pomyslném Zoo žádný výběh. Je to hlavně proto, že jeho zástupci už vyhynuli. Mezi některými vědci se přesto dlouhou dobu udržovaly pověsti o tom, že poslední přeživší Higgsův boson je prý někde dobře schovaný. Pokud prý najdeme jeho rodiště, mohli bychom ho nejen ulovit, ale s jeho pomocí vysvětlit i mechanismus, který se postaral o hmotnost některých částic. Není divu, že vědci připravili nejednu expedici, která se nyní (například na velkém urychlovači CERNu) snaží tento boson dohonit nebo alespoň vyfotografovat stopy, které zanechává.  

Hmotnost částic

Jednou z nevyřešených otázek, které se ve fyzice vynořily po objevu W a Z bosonů v minulém století, byla tzv. „záhada hmotnosti“. 

Některé bosony mají nulovou hmotnost. Patří k nim například foton a gluon. Také graviton je pravděpodobně nehmotný. Jiné se naopak pyšní relativně vysokou hmotností. O vysvětlení jevu se zasloužil už před 30 lety Peter Higgs, profesor univerzity v Edinburghu. Definoval pole, které dostalo jeho jméno – Higgsovo pole.

Tak jako ovlivňuje magnetické pole elektricky nabité částice, ovlivňuje i Higgsovo pole částice, které jím prolétají. Také základní vlastnosti obou polí se dají porovnávat. Elektromagnetismus je fyzikální síla, která se přenáší pomocí silových částic – fotonů. U Higgsova pole hraje tuto roli odpovídající boson, který dostal název Higgsův boson. Podle toho, jak intenzivně s částicemi interaguje, dostávají původně nehmotné částice svou hmotnost.

Na obrázku je schematicky znázorněna reakce Higgsova pole s různými částicemi. Fotony a gravitony jím procházejí beze změny. Jiné částice (například W- a Z-bosony s polem reagují – „zaplétají se“ s ním. Tím se brzdí jejich rychlost a částice samy dostávají novou vlastnost – začínají být hmotné a vykazují pohybovou setrvačnost.

Hledá se Higgsův boson!

Higgsův boson by měl mít spin 0 a měl by být elektricky neutrální, říká teorie, která ho předpovídá. Je to ta samá teorie, která předpověděla už existenci jednoho druhu slabé interakce a Z-bosonů. Naděje, že se teorie nemýlí ani v tomto bodě je tedy celkem vysoká.

Higgsovy bosony se dají teoreticky pozorovat při průchodu hmotných částic Higgsovým polem. Čím těžší částice a čím vyšší energii má, tím větší je pravděpodobnost, že při jejím průchodu polem zachytíme příslušný Higgsův boson.

Situace se v podstatě moc neliší od principu, který platí pro elektromagnetismus. Čím silnější je vliv (síla) působící na elektromagnetické pole, tím větší je pravděpodobnost emise fotonů (částic, zprostředkovávajících elektromagnetickou sílu).

Při pokusech o odhalení Higgsova bosonu vědci používají podobné energie, jaké měly částice krátce po Velkém třesku. V obrovských urychlovačích částic (například v CERNu nebo na americkém Tevatronu) probíhal v posledních letech téměř závod o to, kdo objeví Higgsův boson jako první. Vyhráli ho vědci evropského projektu CERN.

4. července 2012 oznámili na tiskové konferenci, že je honba za Higgsovým bosonem u konce. Při srážkách extrémně urychlených protonových jader byl jedním z deseti miliard zaregistrovaných částic – i hledaný fenomén. Nález Higgsova bosonu bývá často přirovnáván k nálezu jehly v kupce sena. Realita byla ale ještě napínavější. Vědci totiž ani nevěděli, kde ona pomyslná kupka sena leží.

Částice, kterou našli, má nulový spin, a odpovídá tím teoretickým předpovědím. Stejně tak má i nulový elektrický náboj. Její hmotnost odpovídá zhruba 125 GeV/c^2 (v přepočtu 2,25 x 10^-25 kg).

Reaguje se svým okolím slabou jadernou interakcí a samozřejmě i higgsovým mechanismem. Jestli sama reaguje gravitačně zatím není známo.

Higgsův boson „žije“ jen velice krátce. Už po zhruba 10^-22 s se rozpadá na jiné elementární částice. Ty jsou pak stopou, která Higgsův boson v experimentu „prozradila“.

K čemu nám je objev Higgsova pole a Higgsova bosonu?

Nález Higgsovy částice, kterou kdosi nazval „božská částice“ by mohla otevřít nové dveře do tajemných komnat, ve kterých se skrývají zatím nerozřešená fyzikální tajemství. Jedním z nich je například záhada zmizelé antihmoty.

Částice nevznikají z vesmírného vakua osaměle, doprovází je vždy jejich odpovídající antičástice.  Podle zákonů fyziky by mělo být ve vesmíru stejné množství hmoty jako antihmoty. Proč ve vesmíru pozorujeme jen hmotu a antihmota je jen zřídkavou výjimkou?

Jedno z vysvětlení nyní nabízí teorie Higgsova pole. Higgsovo pole vyplňuje vesmír. Od jiných fyzikálních polí (například elektromagnetického) se liší například tím,  že se minimální hodnota, jaké může dosáhnout nerovná nule. Higgsovo pole má určitou minimální ale znatelnou hodnotu. Vědci předpokládají, že tato hodnota nebyla v minulosti stabilní. I Higgsovo pole mohlo krátce po Velkém třesku fluktuovat. Jeho síla byla navíc daleko vyšší než dnes.

Obrazně vyjádřeno – Higgsovo pole by mohlo odpovídat soutěsce. Úhel, který svírají její stěny pak vyjadřuje hodnotu Higgsova bosonu. Pokud nejsou stěny moc příkré a strž není moc hluboká, není důvod se domnívat, že jsou zvířata, která do ní spadla, ztracena. Mohou po málo strmých stěnách vylézt zpět do volné krajiny.

Něco podobného se mohlo udát i krátce po Velkém třesku.  Higgsovo pole mohlo fluktuovat a zároveň „omylem přidělit“ částicím a antičásticím rozdílnou hmotost. Pokud byly částice hmoty o něco málo lehčí než příslušná antihmota, byly při svém vzniku z vakua protežovány. Příroda je totiž „spořivá“. Na vznik lehčích částic musí vyplýtvat menší energii. Množství vzniklých (lehčích) částic tak mohlo převyšovat množství jejich antičástic. Antihmota následně zmizela z vesmíru díky procesu, kterému se říká anihilace.

Dají se dávné vlastnosti Higgsova pole a jeho vliv na hmotu a antihmotu po Velkém třesku odhalit a dokázat? Následkem fluktuací by měla být specifická magnetická pole. Vědci se nyní zabývají výpočtem jejich přesných vlastností.