Proč božská částice?

08.10. 16:36 | Autor: Radek John

Simulace vzniku Higgsova bosonu v urychlovači LHC.

Nobelova cena za fyziku míří ke dvěma vědcům, kteří zkoumali Higgsův boson. Co je to za částici? Proč je tak důležitá? Když už jsme ji objevili, znamená to, že víme všechno?

Přezdívka Higgsova bosonu údajně pochází z názvu knihy amerického fyzika Leona "Ledermana The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?". Přeloženo znamená titul "Božská částice: Pokud je Vesmír odpovědí, co je otázka?". První vydání knihy vyšlo před dvaceti lety, když už byla teorie Higgsova pole téměř třicetiletá. Záhadná částice chyběla fyzikům v obrazu mikrosvěta, který budovali zhruba padesát let. Pokud bychom chtěli hledání měřit od prvního vstupu lidí do světa elementárních částic, museli bychom začít rokem 1897, v němž J. J. Thomson objevil elektron.

Od té doby si fyzikové uvědomili hodně věcí. Vůbec nejdůležitější je dvojí povaha hmoty. Podle kdysi nové, abstraktní a nepochopitelné, dnes už jen abstraktní a nepochopitelné větve fyziky zvané kvantová mechanika se hmota může chovat buďto jako vlny nebo jako částice. Například světlo se dá popsat jako proud částic, fotonů, a zároveň jako vlnění elektromagnetického pole.

Částice a pole

Částice jsou miniaturní kousky hmoty, určené svými leckdy exotickými vlastnostmi. Jedna z těchto vlastností je takzvaný spin. Ve světě velkých rozměrů nemá obdobu. Popisuje se většinou jako vnitřní moment hybnosti, tj. veličina, která v klasické fyzice vyjadřuje rotaci nějakého tělesa. Elementární částice ale nerotují. Kdyby rotovaly, musel by se jejich povrch pohybovat mnohonásobkem rychlosti světla. Navíc teorie s nimi zachází jako s body. Spin se uvádí jako celé nebo polocelé násobky určité konstanty.

Záznam rozpadu bosonu Z v detektoru UA v CERN.

Například 1/2, 1, 3/2, atd. Spin každé částice je daný. Dělí se podle něj do dvou skupin, které se chovají odlišným způsobem.

Takzvané fermiony mají poločíselný spin, třeba 1/2, 3/2, 5/2 . Bosony mají celočíselný: 0, 1, 2 a tak dál. Proton je fermion. Má spin 1/2. Foton, částice světla, je boson. Má spin 1.

Pole jsou fyzikální veličiny, které mají na rozdíl od částic hodnotu v každém bodě prostoru a času - čísla v prostoru. Snad by bylo možno si je představit jako zvláštní kapaliny. Nejznámější jsou pole elektromagnetické a gravitační. Existuje jich ale víc. Jedno navrhl i Peter Higgs před téměř padesáti lety.

Higgsovo pole

Mělo by prostupovat celám vesmírem. Částice, které polem procházejí, získávají hmotnost. Kvůli Higgsovu bosonu získávají hmotnost další dva veledůležité bosony. Jsou to bosony Z a W, které zprostředkovávají takzvanou slabou interakci. Současná fyzika zná čtyři základní síly, jimiž na sebe mohou částice působit. Je to elektromagnetická síla, silná síla, slabá síla a gravitace. Každá z nich je jinak silná a má i jiný dosah a z něj plynoucí oblast působení. Slabá síla se projevuje jen na vzdálenost triliontin (10-18) metrů. Působí na elektrony, miony a tauony, neutrina a kvarky.

Bosony Z a W mají oproti ostatním částicím zprostředkovávajícím základní interakce klidovou hmotnost větší než nula. Může za to Higgsovo pole, jehož reálnost dokázal objev Higgsova bosonu. O hmotnosti v klidu je řeč, protože podle další větve fyziky, speciální teorie relativity roste hmotnost těles v závislosti na rychlosti, jakou se vůči vám pohybují.

Nejlepší popis gravitace je pořád ještě teorie relativity, která ji vnímá jako geometrickou vlastnost časoprostoru. Proto se ji ještě nepodařilo přidat do standardního modelu.

U běžných těles, jako jsou třeba basketbalové míče, auta nebo židle si toho nevšimnete, protože se vůči vám pohybují pomalu a jsou těžké. Elementární částice se ale pohybují rychle a jsou lehké, takže se s růstem hmotnosti musí počítat. Fotony, které zprostředkovávají elektromagnetické působení, mají klidovou hmotnost nula. Stejně jsou na tom glouny zprostředkovávající silnou interakci.

Nulovou klidovou hmotnost by měl mít i graviton - předpokládaná částice gravitace. To se ale zatím nepovedlo objevit a není ani zdaleka jisté, jestli má smysl ji hledat. Standardní model totiž zatím spojuje jen elektromagnetickou, slabou a silnou sílu. Gravitaci se do něj nepodařilo zapojit. Její nejlepší a dosud nepřekonaný popis je totiž teorie relativity. Ta ale zatím vypadá jako nepropojitelná s kvantovou mechanikou popisující chování elementárních částic.

Foto: Profimedia

Autor: Radek John