Úterý 29. listopadu 2022, svátek má Zina
  • schránka
  • Přihlásit Můj účet

Lidovky.cz

K čemu vlastně potřebujeme tajemný Higgsův boson?

  14:13

Profesor Jiří Chýla vysvětluje, jak se hledá Higgsův boson a proč je jeho nalezení v důsledku několika nepříznivých okolností tak obtížné.

Experiment ATLAS v ženevském CERN. foto: ©? CERN, www.cern.chČeská pozice

Jak jsem slíbil v předchozím textu, pokusím se vysvětlit, k čemu vlastně Higgsův boson skutečně potřebujeme, neboť okolo jeho role v současné teorii mikrosvěta existuje řada mýtů. A zmíním se i o tom, jak se hledá a proč je jeho nalezení tak obtížné. Na úvod připomínám, že všechny následující úvahy a tvrzení o Higgsově bosonu se týkají jeho nejjednodušší verze, takzvaného standardního Higgsova bosonu.

Budu přitom předpokládat, že čtenář je seznámen se základy Standardního modelu, který shrnuje naše dnešní představy o základních stavebních kamenech hmoty a jaké síly mezi nimi působí. Potřebné informace lze získat ve velmi pěkně zpracovaném materiálu Výprava ke Standardnímu modelu, zejména pak na této a následujících stránkách.

Jen ve zkratce:

  1. Základními cihlami hmoty jsou kvarky (z nichž jsou složeny například protony a neutrony) a leptony (mezi než patří například elektron).
  2. Mezi nimi působí čtyři síly: elektromagnetické, slabé, silné a gravitační (ty budu v dalším ignorovat).
  3. První tři z nich mají společný teoretický rámec a lze si je představit, jako důsledek „výměny“ jiných částic, jimž říkáme „nosiče“ sil. Nosičem elektromagnetických sil je foton, nosiči slabých sil jsou bosony W+,W- a Z, a nosiči silných sil je osm gluonů.
  4. Dosah jednotlivých sil je nepřímo úměrný hmotnosti příslušných nosičů.
K čemu Higgsův boson nepotřebujeme

Higgsův boson je poslední částice, která chybí ve standardním modelu částic a jež hraje klíčovou úlohu ve vysvětlení původu hmotnosti ostatních částic. Kdyby se jej najít nepodařilo, musejí vědci hledat jinou teorii, která by hmotnost částic vysvětlovala. Český fyzik Petr Kulhánek tak reagoval na oznámení vědců z Evropské organizace pro jaderný výzkum (CERN) ve Švýcarsku, že se jim podařilo při hledání Higgsova bosonu pokročit.

V tomto výroku Petra Kulhánka v článku Nenajde-li se Higgsův boson, musí se hledat jiná teorie, v němž tento, jinak skvělý popularizátor fyziky reagoval na výsledky prezentované na semináři v CERN 13. prosince, je obsažen obvyklý, ale matoucí a do značné míry i chybný názor na roli, kterou Higgsův boson hraje ve Standardním modelu. A naopak, skutečný důvod, proč Higgsův boson potřebujeme a jak svou roli plní, v něm a ve většině podobných textů není ani naznačen. Pokusím se proto tuto mezeru zaplnit.

Velmi podobná tvrzení jako Petr Kulhánek pronáší i mladý fyzik ve čtyřminutovém klipu na BBC příznačně nazvaném Podstata Higgsova bosonu vysvětlena. Doporučuji klip si přehrát. Uvidíte totiž na vlastní oči Higgsovo pole ve vakuu, jímž se prodírají různé částice, čímž podle komentátora „získávají“ hmotnost. Na těžké se Higgsovo pole lepí více, a proto se jím prodírají pomaleji, zatímco lehké jím prolétnou svižně. Je to opravdu zajímavé „vysvětlení“ původu hmotností různých částic. Je jen škoda, že se moderátor nezeptal mladého fyzika, proč se na mion Higgsovo pole lepí podstatně víc než na elektron, který je 210krát lehčí.

Odpověď, kterou by dostal, by ho pravděpodobně neuspokojila, neboť zní: Protože. Uvedený mechanismus totiž podstatu hmotnosti kvarků a leptonů nevysvětluje. Jen popisuje to, co víme – že různé částice mají různou hmotnost. Trochu techničtěji řečeno, hmotnost mc kvarku či leptonu „c“ je daná součinem univerzální „hustoty Higgsova pole ve vakuu“, kterou označíme „v“, a příslušné Pišvejcovy (v odborném žargonu Yukawovy) konstanty pc, jež je pro každou částici jiná, tedy mc=vpc. Otec Pišvejc by měl radost, jeho konstantu používáme přesně tak, k čemu ji vymyslel. Násobíme jí něco, co se nám nehodí (v našem případě jedna univerzální hodnota v), abychom dostali to, co chceme – velmi různé hmotnosti kvarků a leptonů.

V případě nosičů sil je Pišvejcova konstanta nahrazena vazbovou konstantou charakterizující sílu interakce mezi nosičem sil a kvarky či leptony. Tato konstanta je pro daný typ sil pevně daná a nelze ji na rozdíl od Pišvejcových konstant podle libosti měnit. Kdyby sloužilo Higgsovo pole jen k tomu, aby takto „vysvětlilo“ původ hmotností kvarků, leptonů a nosičů sil, nestálo by za zmínku a Peter Higgs by si na Nobelovu cenu zálusk dělat nemohl. Ve skutečnosti je existence a interakce Higgsova bosonu s kvarky, leptony a nosiči sil zásadně důležitá z jiného důvodu.

Kde je nevítaný host

Popsaný mechanismus „zhmotnění“ kvarků, leptonů a nosičů sil má jednu důležitou vlastnost, o níž se příliš nemluví. Chceme-li zhmotnit nosiče sil, můžeme, ale nemusíme zhmotnit také kvarky a leptony. Máme totiž k dispozici Pišvejcovy (Yukawovy) konstanty, z nichž některé, nebo všechny, můžeme položit rovny nule. Obráceně to ovšem neplatí. Zhmotníme-li Higgsovým polem kvarky a leptony, musíme zhmotnit i některé nosiče sil. A to může být velmi nevítaný dárek.

Vezměme konkrétně kvantovou elektrodynamiku popisující interakce elektromagnetického pole pro jednoduchost třeba jen s elektrony a protony. V této teorii vystupují hmotnosti elektronu a protonu jako zvnějšku dané nenulové parametry. Tato teorie je po matematické stránce v pořádku a velmi dobře popisuje veškeré jevy v atomech. Kdybychom se jen v rámci kvantové elektrodynamiky pokusili hmotnost elektronu „vysvětlit“ prodíráním Higgsovým polem, nevyhnutelně bychom museli „zhmotnit“ i fotony, což v žádném případě nechceme.

Stejná situace je i v případě kvantové chromodynamiky, teorie popisující silné interakce mezi kvarky. I v tomto případě jsou hmotnosti kvarků z hlediska této teorie vstupní parametry, které nelze „vysvětlit“ Higgsovým polem, pokud chceme zůstat jen v rámci této teorie, v níž mají gluony nulovou hmotnost.

V teoriích, v nichž mají nosiče sil nulovou hmotnost a kvarky a leptony hmotnosti nenulové, je Higgsovo pole nevítaným hostem. Přitom tyto teorie dávají velmi dobrý smysl.

Dobře snesitelná lehkost bytí

Dřív, než se dostanu ke skutečné roli Higgsova bosonu ve Standardním modelu, rád bych uvedl na pravou míru ještě jedno obvyklé, ale nesprávné tvrzení, týkající se „zhmotňování“ částic.

Mladý fyzik v pořadu BBC, podobně jako Petr Kulhánek, navíc tvrdí, že mechanismem „prodírání“ Higgsovým polem získávají hmotnost všechny částice. To není pravda. Zhruba 99,98 procenta hmoty, z níž jsme složení my i vesmír okolo nás, je tvořeno protony a neutrony, které jsou zhruba 2000krát těžší než elektrony. A hmotnost protonů a neutronů, stejně jako dalších částic, složených z kvarků a antikvarků a souhrnně zvaných „hadrony“, s Higgsovým mechanismem nesouvisí. Mechanismus, jímž získávají hadrony hmotnost v důsledku neobvyklého charakteru sil mezi barevnými kvarky, je popsán ve skvělé knize Franka Wilczeka, laureáta Nobelovy ceny za fyziku v roce 2004, Lehkost bytí aneb Bytí jako světlo. O hmotnosti, éteru a sjednocování sil, nedávno vydané nakladatelstvím Dokořán v překladu Jana Fischera. Vřele doporučuji.

Lék na nesnesitelně velké pravděpodobnosti

A nyní k otázce, k čemu je Higgsův boson ve Standardním modelu skutečně třeba. Představme si, že bychom ve Standardním modelu Higgsovo pole „vypnuli“ (položili hustotu Higgsova pole ve vakuum, kterou jsme označili „v“, rovnou nule) a přitom kvarkům, leptonům a nosičům sil ponechali jejich experimentálně naměřené hmotnosti. Co by se stalo?

Teorie by přestala dávat smysl, neboť některé procesy by podle ní měly probíhat s pravděpodobností větší než jedna. A to by se nám určitě nelíbilo.

Kdybychom se dále ptali, co je příčinou této politováníhodné vlastnosti, zjistili bychom, že to, že nosiče slabých sil mají na rozdíl od fotonů a gluonů nenulové (a velké) hmotnosti. Kdybychom i jejich hmotnosti položili rovné nule, bylo by zase všechno v pořádku. Řečeno jinak, pokud nosičům sil přiřadíme nenulovou hmotnost, ale jinak s rovnicemi popisujícími jejich interakce s kvarky a leptony neuděláme nic, teorie nedává dobrý smysl.

Situaci lze zachránit tak, že do teorie zavedeme nové pole. Právě ono Higgsovo pole a s ním spojený Higgsův boson a nastavíme jeho interakci s kvarky, leptony i nosiči slabých (ale jen slabých) sil tak šikovně, že pravděpodobnosti všech procesů se opět chovají spořádaně a teorie dává dobrý smysl. To je podstata role, kterou Higgsův boson ve Standardním modelu hraje. Doprovodným jevem zavedení této interakce je pak i to, že hmotnosti kvarků, leptonů a nosičů slabých sil lze interpretovat jako důsledek prodírání Higgsovým polem ve vakuu, jak to názorně popisuje klip BBC. 

Hledání

Hlavní příčiny, proč je tak obtížné Higgsův boson nalézt, jsou důsledkem několika nepříznivých okolností:

  • Higgsův boson je nestabilní a rozpadá se za pouhou přibližně miliontinu miliardtiny miliardtiny vteřiny, dobu, za niž i světlo urazí jen vzdálenost kratší, než je průměr protonu, jenž činí pouhou tisícinu miliardtiny milimetru. Nemůžeme tedy vidět Higgsův boson, ale jen produkty jeho rozpadu.
  • Rozpadá se mnoha různými způsoby (módy), přičemž relativní poměr různých módů rozpadu velmi silně závisí na jeho hmotnosti.
  • Konfigurace částic, které rozpady Higgsova bosonu vznikají, mohou vznikat i jinak, přičemž tyto případy, jimž říkáme „pozadí“ prakticky nelze od rozpadů Higgsova bosonu rozlišit. 
  • Relativní velikost pozadí ve srovnání s případy produkce Higgsova bosonu závisí na módu rozpadu.
  • Pravděpodobnost produkce Higgsova bosonu je podle Standardního modelu ve srovnání s ostatními procesy velmi nízká.

Jediný způsob, jak za těchto okolností Higgsův boson hledat, je v rámci Standardního modelu co nejpřesněji spočítat v kolika srážkách by daná konfigurace částic měla vznikat jako „pozadí“ a srovnat ho s co nejpřesněji naměřeným skutečným počtem. Přebytek naměřeného počtu nad počtem ve Standardním modelu bez Higgsova bosonu pak může být signálem jeho existence.

Klíčové je, jak statisticky významný je tento přebytek. Jde o to, že experimentálně měříme jen konečný počet srážek, a to, co se na první pohled může jevit jako přebytek pozorovaných případů nad spočteným pozadím, může být také jen důsledek statistické fluktuace tohoto pozadí.

Zda mírný přebytek dat nad spočteným pozadím, pozorovaný experimenty ATLAS a CMS v CERN, v případě, že se Higgsův boson rozpadá na dva fotony (a v menší míře i ve dvou dalších módech), je signálem existence Higgsova bosonu s hmotností okolo 125 GeV, či jde-li o takovou statistickou fluktuaci, ukáže teprve příští rok, kdy bude získáno nejméně čtyřikrát více dat, než je k dispozici dnes. Uvidíme.

Autor: