Nobelova cena za fyziku: A co kdyby Higgsův boson vůbec neexistoval?

Udělení Nobelovy ceny za předpověď Higgsova bosonu je symbolickým zakončením jedné etapy vývoje našeho poznání zákonů mikrosvěta.

Britský fyzik Peter Higgs (vpravo) a belgický fyzik François Englert před tiskovou konferencí v CERN v červenci 2012. | na serveru Lidovky.cz | aktuální zprávy Britský fyzik Peter Higgs (vpravo) a belgický fyzik François Englert před tiskovou konferencí v CERN v červenci 2012. | foto: © ReutersČeská pozice
Britský fyzik Peter Higgs (vpravo) a belgický fyzik François Englert před tiskovou konferencí v CERN v červenci 2012.

Letošní nobelovu cenu za fyziku získali a François Englert (*1932) a Peter Higgs (*1929), dle oficiálního oznámení „za teoretický objev mechanismu, který přispěl k našemu pochopení původu hmotnosti subatomárních částic a který byl nedávno potvrzen objevem předpověděné fundamentální částice v experimentech ATLAS a CMS na urychlovači Large Hadron Collider v CERN“.

Higgsův boson byl posledním chybějícím článkem ve standardním modelu částicové fyziky, který popisuje základní stavební kameny nám známé hmoty a síly mezi nimi působící. Udělení Nobelovy ceny za, trochu zjednodušeně řečeno, jeho předpověď je symbolickým zakončením jedné etapy vývoje našeho poznání zákonů mikrosvěta.

Oba experimenty čítají každý asi tři tisíce autorů z více než 150 institucí ze 40 států, jejich příprava trvala 20 let a podílely se na ní další stovky fyziků a technikůVýše uvedená citace Nobelova výboru je ovšem zajímavá a bezprecedentní obsahem své druhé části. Pokud se nepletu, je to poprvé, kdy v odůvodnění udělení Nobelovy ceny byly výslovně zmíněny laboratoř, experimenty a zařízení, na nichž byly teoretické předpovědi laureátů potvrzeny. Výslovným uvedením experimentů ATLAS a CMS a urychlovače LHC v CERN Nobelův výbor podle mého názoru vhodným způsobem vyřešil problém, jak ocenit ty, kteří Higgsův boson skutečně objevili.

Problém je totiž v tom, že oba experimenty čítají každý asi tři tisíce autorů z více než 150 institucí ze 40 států, příprava experimentů trvala 20 let a podílely se na ní další stovky fyziků a techniků. Není možné vybrat například jen dnešní mluvčí experimentů a Nobelova cena za fyziku se uděluje výlučně osobám, nikoliv týmům, nebo dokonce laboratořím, jak to v souvislosti s objevem Higgsova bosonu někteří navrhovali.

Na pravou míru...

A nyní pár slov ke smyslu první části odůvodnění. O roli Higgsova bosonu v dnešní teorii mikrosvěta jsem podrobně psal v článku K čemu vlastně potřebujeme tajemný Higgsův boson? Zde bych chtěl komentovat některá tvrzení, která se v souvislosti s udělením Nobelovy ceny objevila i v oficiálních materiálech Nobelovy nadace a která podle mého názoru zatemňují skutečný zásadní význam teoretické předpovědi Roberta Brouta, Engerta a Higgse a experimentálního objevu v experimentech ATLAS a CMS.

Jedná se především o tvrzení v doprovodné tiskové zprávě, které je ještě zesíleno v dalších dokumentech, informaci pro veřejnost a odborníky:

Standardní model spočívá na existenci speciální částice: Higgsova bosonu. Tato částice pochází z neviditelného pole, které naplňuje celý prostor. I když se vesmír zdá prázdný, toto pole v něm je přítomno. Bez něj bychom neexistovali, protože částice nabývají hmotnost při kontaktu s tímto polem.

Druhá a třetí věta tohoto tvrzení jsou nepřesné a matoucí, ale o to mi teď nejde. To, co mi v souvislosti s udělením Nobelovy ceny vadí, je poslední věta, neboť ta vlastně říká, že protože existujeme my, Higgsův boson existovat musí. A to není pravda. Teoretický rámec, v němž vystupuje Higgsův boson (viz níže), byla odvážná hypotéza, která se nemusela ukázat být realizována v přírodě. Higgsův boson nemusel existovat a jeho experimentální objev byl skutečně objev, ne potvrzení něčeho, co existovat muselo.

Standardní model a jeho neduhy

Naše dnešní znalosti zákonů mikrosvěta, jež jsou výsledkem zhruba 50 let experimentálního i teoretického výzkumu, jsou shrnuty ve zmíněném standardním modelu. Již sto let víme, že my sami, naše Země i veškerá viditelná hmota ve vesmíru je složena z atomů, ty pak z atomových jader a elektronů a atomová jádra z protonů a neutronů.

Výsledkem posledního půl století bádání je poznání, že protony a neutrony jsou dále složeny ze dvou, jak říkáme, „vůní“ kvarků, jež společně s elektronem a elektronovým neutrinem, které hraje nezastupitelnou roli v procesech, v nichž hvězdy získávají energie, tvoří základní stavební kameny hmoty. Kromě této čtveřice existují i dvě další, které pro „běžnou“ hmotu kolem nás nepotřebujeme, ale které přesto hrají v přírodních zákonech důležitou roli, ale pro účely tohoto článku na ně můžeme zapomenout. Mezi kvarky a leptony působí čtyři druhy sil:

  • gravitační,
  • elektromagnetické,
  • slabé,
  • silné.

Kromě těch prvních, na něž můžeme v mikrosvětě zapomenout, patří všechny tři ostatní do třídy takzvaných kalibračních teorií (názvem se nenechme odradit, nebudu se ho snažit vysvětlit), jež poskytují základní rámec pro popis sil v mikrosvětě. Mají společnou charakteristiku: lze je popsat pomocí „výměny“ zprostředkujících částic takzvaných nosičů sil, v odborné terminologii intermediálních vektorových bosonů (IVB), a to zhruba ve smyslu tohoto obrázku:

bosonDvě loďky na sebe mohou působit nejen tak, že se srazí, ale i tak, že si přehazují různé míče, ony intermediální vektorové bosony. Z této analogie plyne i jeden důležitý závěr: čím je nosič síly těžší, tím na menší vzdálenost s ním dohodíme a tím na kratší vzdálenost bude odpovídající síla působit. Nosičem elektromagnetických sil je náš dobrý známý foton, jenž má hmotnost nula, a s nímž proto dohodíme do nekonečna. Protože fotony si mohou „přehazovat“ jen elektricky nabité částice, dva fotony tímto mechanismem na sebe působit nemohou.

Nosiče slabých sil jsou tři, dva elektricky nabité a označované W+ a W- a třetí, označovaný Z, je elektricky neutrální. Na rozdíl od fotonu jsou těžké, zhruba 90krát těžší než proton, a kvarky a leptony s nimi „dohodí“ jen do vzdálenosti asi tisíciny poloměru protonu, tedy asi miliontiny miliardtiny milimetru. Nosiče silných sil jsou gluony, ale ty v tomto textu necháme na pokoji. Nosiče slabých sil se od fotonů liší zásadním způsobem tím, že i ony na sebe mohou působit prostřednictvím výměny „sami sebe“. Například dvě loďky W+ si mohou „přehazovat“ loďku Z a tím na sebe působit.

Tato skutečnost v kombinaci s tím, že nosiče W+ a W- a Z mají konečné (a velké) hmotnosti, byla příčinou vážných problémů při snaze kvantitativně popsat slabé síly v přímé analogii (tj. v rámci výše zmíněných kalibračních sil) s elektromagnetickými silami, jejichž nosič, foton, je nehmotný. Až do roku 1967 dávala tehdy existující teorie slabých sil v některých případech nesmyslné výsledky typu, že pravděpodobnost nějakého procesu je větší než jedna.

Léčba Higgsovým bosonem

Zásadní význam prací Brouta, Englerta a Higgse spočívá v tom, že objevili princip metody, jak popisovat síly působící mezi hmotnými nosiči sil způsobem, který dával naději, že zmíněné problémy zmizí. Klíčovou roli v této metodě přitom hraje právě částice, která se dnes nazývá Higgsův boson. V naší loďkové analogii je Higgsův boson další míč, který si mohou kvarky a leptony mezi sebou přehazovat. Toto „přehazování“ znamená zavedení další síly, která v původní teorii nebyla a která „léčí“ výše zmíněné problémy. Lze tedy říci, že bez Higgsova bosonu se ve standardním modelu nedá žít. To ale neznamená, že by se nedalo žít vůbec, viz dále.

Lze říci, že bez Higgsova bosonu se ve standardním modelu nedá žít. To ale neznamená, že by se nedalo žít vůbec.V předchozím odstavci použitý výraz „princip metody“ odráží skutečnost, že práce Higgse i Brouta a Englerta se netýkaly dnešního standardního modelu, ten je dílem Stevena Weinberga z roku 1967, ale jednodušších modelů. Podobně slovy „dával naději“ chci říci, že důkaz, že teorie s Higgsovým bosonem je skutečně fyzikálně plně smysluplná, byl velmi netriviální a za jeho provedení získali v roce 1999Nobelovu cenu za fyziku Gerard ‘t Hooft a Martinus Veltman.

A co by se stalo, kdyby Higgsův boson neexistoval? Nám nic, my bychom určitě existovali i tak, jen by to znamenalo, že v našich znalostech základních kamenů hmoty a sil mezi nimi působících je mezera, kterou by bylo potřeba zaplnit něčím jiným než Higgsovým bosonem. Ale to by nebyla žádná tragédie, spíš by nás to nutilo vymýšlet jiné léky.

Tím, že Higgsův boson objeven byl a že se zdá, že má ty vlastnosti, které mít má, máme dobrou teorii, která je plně matematicky i fyzikálně konzistentní, a můžeme ji proto používat ve snaze pochopit fyzikální procesy na Zemi i ve vesmíru. Tajně doufáme, že přitom narazíme na jevy, které touto teorií nebudeme schopni popsat, neboť standardní model určitě není konec příběhu. Možná, že se již za tři roky naskytne Nobelovu výboru podobná příležitost jako letos.