Čekání na novou fyziku
Objev Higgsova bosonu byl sice nesporným vědeckým úspěchem, nikoli však revolucí. Na tu stále teprve čekáme
Čtvrtého července uplyne deset let od oznámení objevu částice, která se zdála mít základní vlastnosti tzv. Higgsova bosonu. Šlo o poslední kousek skládačky, který chyběl v teorii popisující strukturu a zákony mikrosvěta, standardním modelu (SM). Pátého července začne po 3,5leté přestávce znovu pracovat na plný výkon urychlovač LHC, na němž byla tato částce objevena. Co jsme se mezitím o Higgsově bosonu dozvěděli? Jak naše znalosti zákonů mikrosvěta pokročily? Mohou úpravy LHC zvýšit šanci na nějaký zásadní objev?
Podle SM jsou základními stavebními kameny hmoty tři skupiny částic, označované jako generace, a SM předpovídá jejich vlastnosti a vzájemné působení. Mnohé z těchto vlastností působí exoticky a abstraktně: lidé totiž žijí ve světě velkých rozměrů, pro elementární částice jsou však relevantní daleko menší měřítka. Průměr atomového jádra je řádově 10–15 metrů. A jedné z těchto exotických vlastností se říká spin.
Jde o vnitřní moment hybnosti částic. V makrosvětě má analogii v rotující kuličce, ovšem tato analogie se opírá jen o stejný matematický popis, protože elektron si jako rotující kuličku nemůžeme představit. Velikost spinu je rovna násobku tzv. redukované Planckovy konstanty. Částice se podle ní dají rozdělit na dva typy: fermiony mají poločíselný spin (např. 1/2, 3/2), bosony mají spin celočíselný (např. 0, 1). Elektron je příkladem fermionu se spinem 1/2, foton (částice světla) bosonu se spinem 1.
Fermiony se následně dál dělí na leptony a kvarky. Příklad leptonu je opět elektron, kvarky jsou proti tomu exotičtější. Skládají se z nich těžší částice, tzv. hadrony (např. proton). Kvarky se dělí do šesti skupin podle vlastnosti, kterou fyzikové označují „vůně“. Neznamená to ale, že by částice voněly, to slovo je vybrané namátkou. Tato vlastnost kvarků nemá v makrosvětě obdobu.
Hledání prasíly
Každá ze šesti „vůní“existuje ve třech různých mutacích, nazývaných „barvy“. Z kvarků první generace jsou složeny protony a neutrony, jež spolu s elektrony vytvářejí atomy, a tím i většinu známé hmoty. Ke každému kvarku a leptonu existuje i příslušná antičástice. Má stejnou hmotnost, ale opačné znaménko u dalších veličin. Třeba antičástice záporně nabitého elektronu je kladně nabitý pozitron.
Mezi kvarky a leptony působí čtyři typy sil neboli interakcí: gravitační, elektromagnetická, slabá a silná. (S posledními dvěma se zase v makrosvětě nesetkáváme. Proto neobvyklé názvy.) Kromě gravitace lze ostatní tři síly popsat pomocí „výměny“zprostředkujících částic.
Tyto zprostředkující částice se označují jako intermediální vektorové bosony (IVB). Mají spin 1. V případě elektromagnetických sil funguje jako IVB foton. V případě slabé síly kladně nabitý boson W+, záporně nabitý W- a elektricky neutrální Z (dále jen W a Z). V případě silné interakce funguje jako IVB osm barevných gluonů. Zatímco elektromagnetická síla působí na libovolně velké vzdálenosti, zbylé dvě mají jen krátký dosah srovnatelný s velikostí atomového jádra.
Fyzikové se přesto snaží elektromagnetickou, slabou a silnou sílu sjednotit. Chápou je jako tři projevy jedné fundamentální „prasíly“. Rozdíl v dosahu plyne z vlastností IVB. Zatímco foton je nehmotný, jsou W a Z zhruba devadesátkrát těžší než proton. Nenulová hmotnost W a Z je příčinou problému při formulaci teorie slabých sil, který ve SM léčí Higgsův boson.
Standardní model vznikal postupně od roku 1929, kdy britský fyzik Paul Dirac formuloval popis elektromagnetické síly mezi nabitými částicemi, zprostředkované výměnou fotonu. Koncem 50. let minulého století se začala prosazovat myšlenka, že i slabé síly by měly být zprostředkovány výměnou IVB se spinem 1, ale velkými hmotnostmi.
Nefyzikální předpovědi
Tuto myšlenku konkretizoval v roce 1960 Američan Sheldon Glashow, který formuloval slibnou teorii slabých a elektromagnetických sil. Vedla ale k nefyzikálním předpovědím: například že pravděpodobnost některého procesu je větší než jedna. Bylo zjevné, že Glashowovu teorii je třeba modifikovat, a tou modifikací je mechanismus, který formuloval Brit Peter Higgs v práci z roku 1964, v níž vystupuje IVB s nenulovou hmotností společně s prototypem Higgsova bosonu. Higgs nicméně netušil, k čemu by mohl být jeho mechanismus užitečný, a naopak Glashow, ač s Higgsem o jeho práci mluvil, nepochopil, že Higgsův mechanismus je přesně to, čím je třeba jeho teorii modifikovat. Pochopil to až Američan Steven Weinberg, který v roce 1967 zkombinoval Glashowovu teorii slabých sil s Higgsovým mechanismem. Formuloval teorii sjednocující elektromagnetické a slabé síly, která platí dodnes a je součástí SM.
O Higgsově bosonu se obvykle hovoří jako o příčině, proč mají kvarky, leptony
LHC a W a Z nenulové hmotnosti. Tato zkratka je ale matoucí. Nepostihuje už totiž to, že Higgsův boson odstraňuje nefyzikální předpovědi Glashowovy teorie slabých sil. Standardní model obsahuje asi 25 volných parametrů, jsou to hmotnosti kvarků, leptonů a IVB, jejich vazbové konstanty atd. Parametry je třeba určit až z experimentu.
Elektromagnetické, slabé a silné síly v rámci SM mírumilovně koexistují, nejsou však v pravém slova smyslu sjednoceny. Není v něm žádný kandidát na temnou hmotu ve vesmíru. Model také nezahrnuje gravitaci. Teoretici se tak snaží nedostatky SM odstranit.
Jejich snahy jsou obvykle založeny na opuštění rozdílu mezi bosony a fermiony a mezi kvarky a leptony. V prvním případě by měly v přírodě v nejjednodušším modelu ke každé částici SM existovat tzv. supersymetričtí partneři se spinem o polovičku menším. V těchto modelech by měla existovat jedna neutrální a stabilní částice, která by mohla být kandidátem na temnou hmotu. Supersymetričtí
Standardní model (SM)
ŽENEVA partneři ovšem musí být minimálně tisíckrát těžší než proton.
Proč je důležité přesně měřit
Základní struktura SM byla dokončena v roce 1974 poté, co byla formulována kvantová chromodynamika (QCD), teorie popisující působení silných sil mezi kvarky. V té době byly známy dvě první generace kvarků a leptonů, ale o existenci třetí generace, stejně jako existenci W a Z a Higgsova bosonu, žádné svědectví neexistovalo. Změnil to až urychlovač LEP, umístěný ve stejném tunelu, kde je dnes LHC. V provozu byl od roku 1989.
Hlavní úkol LEP byl proměřit vlastnosti W a Z. Dále měl hledat Higgsův boson a projevy „nové fyziky“, především supersymetrické partnery částic SM. První úkol splnil na jedničku, dokázal změřit doby života a hmotnosti W a Z.
V částicové fyzice je praktické udávat hmotnost v jednotkách energie. Ty se, jak známo, dají s hmotností navzájem přepočítávat podle vztahu E = mc2. Navíc je zvykem používat jednotku zvanou elektronvolt (eV), jež odpovídá energii, která elektronu dodá napětí jednoho voltu. Hmotnosti částic se udávají v miliardách elektronvoltů (GeV).
V roce 1995 došlo k objevu kvarku t a změření jeho hmotnosti (175 GeV). S tímto upřesněním SM předpovídal, že hmotnost Higgsova bosonu by měla ležet v intervalu 60–130 GeV. LEP byl projektován na celkovou maximální energii srážky 190 GeV, ale žádný signál existence Higgsova bosonu do těchto energií pozorován nebyl. K vytvoření částice je potřeba větší energie, než kolik odpovídá její hmotnosti. LEP proto boson nenašel.
Detektor
ATLAS
Na konci jeho provozu se ovšem podařilo zvýšit energii na 208 GeV. Zdálo se, že v některých srážkách vznikají částice s vlastnostmi Higgsova bosonu, a tak nastalo obrovské vzrušení v naději, že byl Higgsův boson konečně objeven. Provoz LEP však musel kvůli stavbě výkonnějšího urychlovače LHC skončit. Dnes už víme, že hmotnost Higgsova bosonu je 125,35 GeV, a že ho tedy LEP objevit nemohl, na to by potřeboval celkovou energii minimálně 217 GeV, protože Higgsův boson vzniká při srážkách elektronů s pozitrony společně se Z, který má hmotnost 91,2 GeV. Byl ale velmi blízko.
Jeho existenci předpověděl vědec Peter Higgs už v roce 1964, trvalo ale málem další půlstoletí, než ho věda konečně dokázala. Jak moc byl objev Higgsova bosonu přelomovou záležitostí? Je to ona „božská částice“, jak ji překřtila média? A co tento objev znamená pro budoucnost fyziky?
Teoretičtí fyzikové hledají „božskou rovnici“, která by řídila celý vesmír, příroda má ale jiné představy o tom, co je přirozené a jaké zákony v ní platí
Jen Higgsův boson a nic víc
V roce 1979 popsal Sheldon Glashow čtyři scénáře možného vývoje SM. První z nich byla stávající formulace modelu. Podle Glashowa by bylo arogantní a ahistorické věřit, že naše naivní extrapolace z fyziky energií kolem GeV do energií kolem 200 GeV (taková byla plánovaná energie urychlovače LEP) bude platit v detailech. Tuto variantu považoval za nejjednodušší a nejméně pravděpodobný scénář. Za daleko pravděpodobnější Glashow označil scénář s různými novými částicemi a silami a za úplně nejpravděpodobnější bylo podle něj naprosté překvapení.
O dvacet let později, po skončení provozu LEP, se však Glashowův nejméně pravděpodobný scénář nakonec ukázal jako správný. Fyzikové se ve všech experimentech na LEP snažili najít signály nové fyziky, především supersymetrické částice. Nenašli však nic. Až si v roce 2008, těsně před spuštěním LHC, Quido Altarelli, bývalý vedoucí teoretického odděleni ve švýcarském CERN, položil otázku, zda je možné, že by LHC nalezl Higgsův boson, ale zároveň žádnou „novou fyziku“. A sám si na ni odpověděl slovy: „Ano, je to možné, ale není to přirozené.“
Před začátkem třetí etapy provozu LHC můžeme konstatovat, že Glashowův nejméně pravděpodobný a Altarelliho nepřirozený scénář je stále skutečností. Objev Higgsova bosonu tam, kde podle předpovědi SM opírající se o předchozí přesná měření vlastností W a Z měl být (a přesně s vlastnostmi, které ve SM má mít), byl vyvrcholením budování SM a triumfem jeho základní myšlenky.
LHC ale dosud neobjevil žádné nové částice ani projevy „nové fyziky“. Existuje sice několik náznaků mírného nesouhlasu se SM, ale jde jen o náznaky a jejich interpretace je nejasná. Zdá se, že příroda má jiné představy o tom, co je přirozené a jaké zákony v ní platí. Teoretické hypotézy o struktuře a zákonitostech mikrosvěta tak daleko předstihly experimentální fakta a často se od nich zcela odpoutaly. Teoretičtí fyzikové hledají „božskou rovnici“, která by řídila celý vesmír, fyzika ale zůstává empirickou vědou. Jedině experiment může ukázat, jak SM dále rozvíjet.
Co teď čekat od LHC?
Urychlovač LHC je technický zázrak. Dosud pracoval ve dvou etapách: v letech 2010–2012 a po přestávce na údržbu opět v letech 2015–2018. Během první etapy byl objeven Higgsův boson, během druhé byly velmi přesně proměřeny jeho vlastnosti, které jsou plně v souladu se SM. Ve třetí etapě poběží do konce roku 2025, pak se opět na další tři roky zavře, proběhnou další úpravy. Mají přinést několikanásobné zvýšení počtu srážek, a tím dramaticky zvýšit jejich objevitelský potenciál. Počet srážek je klíčový parametr, protože jen velmi malý zlomek jich odhalí nové jevy. Ve třetí etapě provozu bude srážek o něco více, k objevu něčeho nového to asi nejspíš stačit nebude.
Druhá malá, ale důležitá změna se týká zvýšení celkové energie srážky ze 13 a na 13,6 TeV. Představuje to zvýšení energie jen o 4,5 procenta. I tato malá změna však může přinést aspoň náznak „nové fyziky“. Připomínám, že stejné procentní zvýšení energie srážky urychlovače LEP na konci jeho provozu by umožnilo objevit Higgsův boson již v roce 2000. Je tedy možné, že jakési náznaky „nové fyziky“jsou už za dveřmi. Velmi bych si přál, aby tomu tak bylo a aby to byl ten Glashowův nejpravděpodobnější scénář.