Výročí Higgsonova bosonu

27. červenec 2010 | 06.00 |

Před 46 lety, tedy 27. července 1964, uveřejnil skotský fyzik Peter Higgs (*1929) v časopise Physics Letters článeček, ve kterém vyplul na povrch jeden z největších problémů moderní částicové fyziky. Předpověděl v něm existenci hypotetické hmotné elementární částice ve standardním modelu částic. Teorie, které doposud popisovaly elektromagnetickou a slabou interakci, měly jeden problém. Klidové hmotnosti všech částic tvořících interakci (intermediální částice) měly nulovou hodnotu. To vychází pro foton, který je intermediální částicí elektromagnetické interakce, ale není to v souladu pro částice slabé interakce. Slabá interakce má totiž konečný dosah a podle kvantové teorie by jí odpovídající částice měly mít klidovou hmotnost nenulovou. Higgs zavedl do teorie další částice s nulovým spinem, a pak by měly intermediální částice slabé interakce požadovanou nenulovou hmotnost. Tento mechanismus bývá označován jako Higgsův mechanismus a hypotetické částice Higgsovy částice. Jsou to jediné částice standardního modelu, které ještě nebyly pozorovány, ale které zároveň hrají rozhodující roli ve vysvětlení původu hmotnosti ostatních elementárních částic, zejména rozdílu mezi nehmotným fotonem a velmi těžkými bosony W a Z.

Představme si elementární částice jako dav lidí, který běží blátem. Některé částice mají velké boty, na které se nachytá mnoho bláta. Takové částice mají velkou klidovou hmotnost. Jiné částice mají zase maličké botičky, na které se mnoho bláta nenachytá - tyto částice mají tedy malou klidovou hmotnost. Velké boty mají např. kvarky, maličké botičky pak mají např. elektrony. Jsou ale částice, které se nad blátem vznášejí a vůbec se neumažou - mají tedy nulovou klidovou hmotnost (např. fotony). Bláto samotné pak představuje Higgsovo pole.

Higgsovy částice se objevují ve sjednocené teorii elektromagnetické a slabé interakce (tzv. elektroslabé interakce). Částice zajišťují nenulovou hmotnost intermediálních částic slabé interakce a způsobují narušení symetrie elektroslabé interakce při energiích nižších než 100 GeV.

Elektrické a magnetické jevy byly spojeny do elektromagnetické interakce v druhé polovině 19. století a vyústila v sadu rovnic klasické elektrodynamiky, které jsou označovány jako Maxwellovy rovnice. Kvantovou podobu těchto rovnic vypracovali během 20. století postupně do formy kvantové teorie elektromagnetického pole především Dirac, Feynman, Schwinger a Tomonaga. Elektromagnetická interakce má nekonečný dosah, její částice nazýváme fotony. Fotony mají nulovou klidovou hmotnost a pohybují se rychlostí světla.

Slabá interakce byla poprvé pozorována u beta rozpadu neutronu. Jde o rozpady s relativně velmi dlouhými poločasy (proto název slabá interakce) od 10−15 s do dlouhých hodin, dnů až týdnů. Interakce působí na všechny leptony a kvarky a samozřejmě na částice z kvarků složené. Nepůsobí na intermediální částice. Při slabé interakci se nezachovává levopravá symetrie. Interakce má konečný dosah a její intermediální částice (W+, W− a Z0) mají nenulovou klidovou hmotnost a pohybují se rychlostmi menšími než je rychlost světla. Při slabé interakci se elektron a jeho neutrino chovají jako jediná částice. Tuto základní symetrii nazýváme SU(2) symetrie. K poznání slabé interakce v padesátých a šedesátých letech 20. století přispěli například Wu, Fitch a Cronin.

V 60. letech minulého století se podařilo Weinbergovi, Salamovi a Glashowovi (Nobelova cena za fyziku 1979) vytvořit teorii, která by jednotně popisovala elektromagnetickou i slabou interakci - elektroslabá interakce. Problém elektroslabé interakce je otázkou nalezení symetrie, která obsahuje symetrii elektromagnetické a slabé interakce. Teorie elektroslabé interakce předpověděla, že kromě fotonu existují ještě další tři výměnné částice: intermediální bosony W+, W−, Z0, které odpovídají za slabou interakci. Intermediální bosony W+, W−, Z0 byly objeveny v laboratořích CERN v roce 1983 ve vstřícných proton antiprotonových svazcích o energii 270 GeV. Jejich objevitelé Rubbia a van der Meer obdrželi za tento objev Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1984.

V teorii elektroslabé interakce je však  spontánní narušení symetrie. Za narušení symetrie by měly být odpovědné další částice, které jsou označovány Higgsovy bosony nebo Higgsovo pole. Tyto částice jsou v posledních letech usilovně hledány a je naděje, že bude možné je detekovat na  urychlovači LHC. Právě energie Higgsova pole mohla být jakousi roznětkou inflační fáze raného vesmíru. Jev analogický spontánnímu narušení symetrie známe i z běžného života. Postavíme-­li jehlu na povrchu stolu na špičku, měla by podle klasické teorie spadnout tím později, čím lépe je jehla na začátku postavena svisle. Při přesné symetrii (jehla přesně na špičce) by neměla spadnou vůbec, protože nelze vybrat žádný preferovaný směr. Přesto dojde k narušení symetrie a jehla v konečném čase dopadne na povrch stolu.

Do dnešní doby  žádný experiment Higgsův boson přímo nedetekoval, ale pro jeho existenci svědčí některé nepřímé důkazy. Vědci jej zřejmě nikdy "nespatří", mohou ho jenom detekovat podle rozpadových produktů v obrovské spršce částic, která vzniká po vysokoenergetických srážkách hadronů – tedy částic, skládajících se z kvarků, jako jsou například protony, neutrony a jejich kombinace - tedy jádra prvků. Urychlovat pomocí magnetického pole je možné jenom nabité částice, tedy ne neutrony. Teoretické modely, simulující jak by Higgsův boson měl při srážce vzniknout a na co se rozpadnout, jsou rozpracované již dávno, takže vědci tuší, co mají najít

.

podle Petra Kulhánka

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 1 (3x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Komentáře