Čtvrtého července letošního roku nabitá přednášková hala v Evropském středisku fyziky částic CERN tleskala, když vědci oznámili, že nejspíše objevili dlouho hledanou částici Higgsův boson, někdy také přezdívanou "božská částice".
Její existence má být důkazem, že rozumíme mechanismu za většinou základních fyzikálních sil. Fyzik Peter Higgs, po kterém částice má jméno, měl slzy v očích, zbytek přítomných zase bouřil radostí. Je to pochopitelné, pro fyziky to bylo vyvrcholení velmi dlouhého dramatu. Ale ne jeho konec.
Cesty z částicové nudy
Tajemnou částici fyzikové hledali zhruba půl století. Přímo ji pozorovat nemohli, protože jako řada dalších exotických částic se za běžných podmínek vůbec nevyskytuje. Zbývá jedině možnost vytvořit ji uměle.
Co je Higgsův boson a co dělá?Higgsův boson je částice, která je projevem tzv. Higgsova pole. Podle obecně uznávaného fyzikálního předpokladu každý druh pole "má" svoji částici a naopak. Pokud tedy objevíme částici, potvrdili jsme i existenci pole. Higgsovo pole je důležité, protože působí na vlastnosti ostatních částic. Nedokonalou analogií řečeno je Higgsovo pole jako mlha, která prostupuje vesmír a dává věcem "bílou barvu" (hmotnost). Děje se tak přímo, bez zprostředkování bosony. Mělo by především dát hmotnost tzv. "intermediálním vektorovým bosonům". Tyto částice sice nikdy v životě nepotkáte, ale fungují jako "nosiče" jedné ze čtyř základních fyzikálních sil, tzv. slabé síly (častěji se používá výraz slabá interakce). Ta působí sice na vzdálenosti relevantní maximálně tak v rozměrech jádra atomů, ale vesmír by bez ní nefungoval tak, jak funguje (vládne třeba beta-rozpad atomových jader). Možná se s ní blíže seznámíme, pokud zvládneme výrobu energie jadernou fúzí. Tento proces probíhá v režii slabé síly. |
Bohužel je Higgsův boson poměrně těžká částice, asi jako dva atomy mědi. Aby mohl boson vzniknout, je zapotřebí opravdu velkých energií (ve smyslu slavné Einsteinové rovnice, podle které je hmota vlastně energie). Vhodné podmínky dokáží fyzici vytvořit tak, že dodají částicím pohybovou energie, třeba urychlováním v eletrickém poli, a pak je nechají srazit s jinými částicemi. Při srážce se pohybová energie může přeměnit na hmotnost částic, které ve srážce vznikají.
Pokud je energie málo, nezahlédneme obvyklé částice. Pokud jí je opravdu hodně, "na troskách" (někdy) vzniknou i tak těžké a exotické částice jako Higgsův boson. "Proto se v minulosti stavěly neustále větší urychlovače," říká fyzik Pavel Cejnar z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy. Šlo třeba o evropský LEP nebo americký Tevatron. S jejich pomocí se podařilo zaplnit řadu bílých míst v teorii částic. Tajemství "higgse" však stále odolávalo.
Ale když to nejde silou, půjde to ještě větší silou, říká logika částicové fyziky. Především proto (ale nejen kvůli Higgsovu bosonu) vznikl urychlovač LHC, nejsložitější a největší zařízení na světě, několikanásobně výkonnější než předchozí. Až ten zahlédl stopy částice, která by mohla být Higgsův boson.
Kam za výsledkyV červenci vědci z LHC výsledky hledání Higgsova bosonu prezentovali jen na promítacím plátně, v září je vydali i ve vědeckém časopise, konkrétně ve Physics Letters B. Článek týmu ATLAS je zde, skupiny na detektoru CMS zase zde. Oba jsou dostupné zdarma. |
Ironicky k tomu došlo v oblasti jen těsně za hranicí možností jeho předchůdce, urychlovače LEP, který stál ve stejném tunelu pod střediskem CERN. To se samozřejmě nedalo dopředu odhadnout, fyzikové se pohybovali na zcela neznámém území. Navíc odborníci chtějí LHC použít k i jiným experimentům, kde se jim možnost dostat se poprvé do oblasti tak vysokých energií bude hodit. Vědci například doufají, že objeví nové, třeba úplně neznámé a neočekávané částice na ještě vyšších energiích a otevřou tím úplně nové fyzikální obzory.
Potřebujeme další, LHC nestačí
Ani další vývoj si odborníci nedokáží představit bez zařízení s velkými energiemi. Ohromnému urychlovači LHC se sice podařilo Higgsův boson objevit a dokáže nám zřejmě o něm mnohé prozradit, ale není patrně pro jeho systematické zkoumání nejvhodnějším nástrojem. Záhadných bosonů v něm vzniká málo a odborníkům by se spíše hodil urychlovač na lehčí částice. Nejlépe elektrony takový, ve kterém by se srážely elektrony a pozitrony (jako v bývalém LEP).
Takové zařízení by mělo potenciál vytvářet Higgsovy bosony (správně řečeno "domnělé") ve skutečně velkých množstvích a umožnit tak jejich rychlejší a přesnější zkoumání.
Na elektrony LHC ovšem není stavěný. A i kdyby se měla uskutečnit nějaká radikální přestavba, nehodí se pro ně ani místo, kde stojí. Asi si vzpomenete, že LHC leží ve 27kilometrovém kruhovém tunelu pod Francií a Švýcarskem. Částice v něm urychlované tedy logicky obíhají po kruhové dráze. Má to tu výhodu, že okruh je pro ně vlastně nekonečný. Obíhají jím tak dlouho, dokud nedosáhnou dostatečné rychlosti. Pak se "vypustí" na cíl.
Nevýhodou je, že částice při oběhu v kruhové dráze (po obvodu LHC) přichází o část energie. Samovolně ztrácejí energii tzv. synchrotronním zářením. Můžeme si to představit tak, že z nich v zatáčce odpadají drobné kousky energie (fotony). U těžkých částic, jakou jsou protony či ionty olova používané LHC, to není taková potíž. Jeden foton pro ně mnoho neznamená. Ale na zkoumání Higgse se z fyzikálních důvodů hodí elektrony, jak jsme již říkali. U tak lehkých částic (dvoutisíckrát lehčí než proton) jsou ztráty při letu v kruhu opravdu významné, a urychlovač se pak od jisté chvíle snaží nadarmo.
Potřebujeme něco nového
Fyzici tedy mluví o stavbě úplně jiného typu urychlovače, který by místo do kruhu byl sestavený v přímce. Tento typ urychlovačů se nazývá lineární a v podstatě je to LHC rozložený do jedné rovné "čáry".
Proč „božská částice“?S náboženstvím nemá název tak dlouho hledaného bosonu nic společného. Jde samozřejmě pouze o „marketingový termín“. Poprvé ho použil zřejmě fyzik Leon Lederman, nositel Nobelovy ceny, v titulu své knihy: „Božská částice: Když je vesmír odpověď, tak jaká je otázka?“ (The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?). Lederman prý chtěl použít výraz "Goddamn particle", tedy zatracená částice, místo "God particle" (božská částice), ale nakladatelství ho od toho odradilo. |
Plány na takový urychlovač jsou už velmi reálné. "Panuje všeobecná shoda, že na podrobné prozkoumání vlastností částice s hmotností 125 gigaelektronvoltů (GeV, v této jednotce se udává hmotnost částic), která byla objevena v CERN, je nejvhodnější lineární urychlovač, na němž se boudou srážet protiběžné svazky elektronů a pozitronů (tj. elektronů z antihmoty a tedy s kladným nábojem, pozn. red.)," říká Jiří Chýla z Fyzikálního ústavu Akademie věd.
Urychlovač podle něj nemusí být zdaleka tak silný jako LHC. Výsledná energie srážek by měla být zhruba dvojnásobek hmotnosti (znovu připomínáme Einsteina) požadované částice. Higgsův boson má hmotnost 125 GeV, takže energie srážek v urychlovači by měla dosahovat 250 GeV. Což je zhruba 30krát méně, než v LHC dnes, a zhruba 55krát méně, než kolik by to mělo být, až bude v roce 2014 LHC v plné síle svých 14 terraelektronvoltů.
Drobek ani tak nový urychlovač být nemůže. U "rovného", tedy správně lineárního, urychlovače částice může proběhnout danou dráhu jenom jednou a během ní je jí zapotřebí dodat dostatek energie. Aby srážky v urychlovači dosáhly požadovaných energií, musí ten být velmi dlouhý, při současných technologiích řádově desítky kilometrů.
Do Japonska!
Projekt urychlovače, který by požadavkům vědců postačoval, už existuje a nazývá se International Linear Collider. Je zhruba 30 kilometrů dlouhý a tvoří ho dva protiběžné lineární urychlovače schopné urychlovat elektrony a pozitrony se srážecí komorou a detektory uprostřed.
Nevznikl přes noc, vědci po takovém zařízení toužili už dlouho, protože by jim (ale jinak než LHC) poskytnout pohled za obzory současné fyziky. S objevem Higgsova bosonu se jeho stavba jeví ovšem ještě důležitější. "Připravuje se už více než 10 let mezinárodní kolaborací a po technické stránce je hotov a připraven k realizaci," říká Jiří Chýla. Cena se odhaduje na osm miliard dolarů z roku 2007. LHC byl zhruba o miliardu dražší, ale při jeho stavbě se dalo využít stávající infrastruktury, především tunelu po urychlovači LEP.
Pohled na schéma urychlovače ILC podle představ přípravného výboru. Uprostřed je okruh, ve které se částice urychlí poprvé, na nižší než cílovou hodnotu. Poté se převedou do velkých lineárního urychlovačů, které směřují proti sobě. Detektor částic vzniklých při srážkách je přímo uprostřed. Zkratka e- označuje větev na urychlování elektronů, e+ pozitronů. Celé zařízení má mít na délku 31 kilometrů a fyzikové pro laiky připravili, alespoň vizuálně, také populární přepočet na počet fotbalových hřišť.
V současném politickém klimatu jsou to na základní vědu značné prostředky, a tak vědci hodně pracují na tom, jak projekt zlevnit. I tak bude nad síly jediného státu, znovu tedy nejspíše půjde o mezinárodní spolupráci. Důležitá bude i volba hostitelské země, která ponese největší část (až polovinu) nákladů, ale zase bude její průmysl nejvíce těžit ze zakázky a ze získaných zkušeností.
Výběr je poměrně omezený. Oficiálně zatím není nic známo a žádný výběr neprobíhá, ale řada informací už je k dispozici. Rozhodně nepůjde o jinou než vyspělou zemi. Evropa má až do roku 2035 provozovat LHC a na další velký projekt nebude mít prostředky a dostatek vůle. Spojené státy se velkým urychlovačům věnovat vůbec nechtějí (zaměří se hlavně na neutrinovou fyziku).
V současné době tak zbývá v podstatě jediný favorit: Japonsko. V této zemi našel projekt také podporu. "Komunita japonských fyziků je rozhodnuta požádat vládu, aby byl urychlovač ILC umístěn v Japonsku, přičemž se očekává, že by japonská vláda zaplatila zhruba polovinu ceny," líčí Jiří Chýla vývoj posledních měsíců. Japonští odborníci se setkávají i se značným pochopením ze strany politiků i průmyslu, který čeká, že řadu ke stavbě vyvinutých technologií bude moci rychle aplikovat do výroby.
V minulých týdnech tak projekt urychlovače k realizace doporučila například japonská Rada pro výzkum, ve které sedí vědci i průmyslníci. Mohl by prý vést k vytvoření "globálního města", omlazení japonské populace a přilákání odborníků do země.
Největším zahraničním partnerem by byla nejspíše Evropa, možná zastupovaná organizací CERN. Ta v posledních době vystupuje jako přímý partner Bruselu a má ambici zastupovat jednotlivé členské státy CERN v mezinárodních projektech jako je právě ILC. Jestli ty se s tím smíří, uvidíme.
Pokud projekt ILC půjde hladce a případní partneři se rychle shodnou, ke spuštění urychlovače by mohlo dojít někdy kolem roku 2025. Výsledky z něj by měly umožnit pozorování Higgsových bosonů doslova ve velkém, a umožnit tak dobře poznat všechny jeho projevy (a podle nich i vlastnosti).
Což neznamená, že bychom pak znali odpověď na všechny otázky fyziky vůbec. Poznatky by mohly potvrdit Standardní model, který nepopisuje vše: "Minimálně v něm bude dále chybět teorie gravitace (s tou Higgs nemá nic společného, byť se to může zdát matoucí, pozn. red.)," říká Pavel Cejnar a dodává: "Nejde o sjednocující finální teorii, která vysvětluje vše." I proto by podle řady fyziků bylo zřejmě zajímavější, kdyby předpovědi nevyšly a místo toho další pozorování usvědčila dosavadní teorie z omylu. Pak by se musela zrodit úplně nová fyzika.
A k čemu to je?
Dopřejeme ale fyzikům tuto možnost? Objev Higgsova bosonu nebude mít žádný dopad mimo fyziku, a to zřejmě ani výhledově. "I fyzici obecně říkají, že objev nebude mít žádnou praktickou aplikaci," říká Pavel Cejnar, i když hned dodává: "Nicméně porozumění základním fyzikálním zákonům, jejich souvislostem, se nám jako celek určitě vyplácí."
Samotný Higgsův boson se však nikdy nepodaří "izolovat", vznikne vždy jen na velmi opravdu velmi krátkou chvíli, a pak se rozpadne. Nikdy nejspíše nebudeme mít možnost držet v ruce boson samotný a budeme jen znovu a znovu pozorovat stopy jeho zániku.
Samozřejmě můžeme být slepí: "Mohou existovat aplikace, které si nedokážu představit já ani možná nikdo jiný, kdo o tom dnes přemýšlí," řekl pro Technet.cz fyzik Luboš Motl. Ale sám považuje za velmi nepravděpodobné: "Opravdu nevím, jak by se mohly vybírat daně z Higgsových bosonů."
Musíme se spokojit s "přidruženými výsledky" podobných projevů. Ve středisku CERN se například podařilo přijít na vynálezy typu World Wide Webu či vyvinout konstrukci silnějších magnetů a tak dále. Ale fyzici sami říkají, že to není jejich cílem. Je to jen důsledek práce na komplikovaných zařízeních, která potřebují ve své snaze o ryze fyzikální objevy.
Ani další výzkum v této oblasti neslibuje nic jiného. Poslední částice s praktickým použitím byl zřejmě neutron, objevený na začátku 20. století. Od té doby se daří objevovat pouze zcela "nepoužitelné" částice s kratičkou dobou života a do budoucna to nejspíše bude stejné: "Záleží na společnosti, zda bude dále považovat za důležité podporovat hledání odpovědí na takové fundamentální otázky," říká Pavel Cejnar. Záleží na nás.
