Přezdívá se jí „božská částice“ – Higgsův boson. Ač její jméno zní téměř mysticky, jde o velmi reálný, vědecky doložený objev, který proměnil naše chápání vesmíru. Právě ona totiž dává elementárním částicím jejich hmotnost, a tedy i podmínky pro vznik hvězd, planet i života samotného.

V červenci 2012 se v podzemí u Ženevy otřásl svět fyziky. Evropská organizace pro jaderný výzkum (CERN) oznámila, že dvojice detektorů – ATLAS a CMS – na Velkém hadronovém urychlovači (LHC) zachytila signál, který odpovídal hypotetickému Higgsovu bosonu.

Nově nalezená částice měla hmotnost přibližně 126 gigaelektronvoltů – tedy asi 130krát víc než proton, což z ní činí „těžkou váhu“ v mikrosvětě. I když ji nelze pozorovat přímo – kvůli její krátké životnosti – fyzici dokázali detekovat produkty jejího rozpadu.

Za objev, který potvrdil teorii starou téměř půl století, získali britský teoretický fyzik Peter Higgs (1929–2024) a jeho belgický kolega François Englert (*1932) v roce 2013 Nobelovu cenu za fyziku. A za obrovský přínos vědě.

Začalo to v 60. letech

Kořeny objevu sahají do 60. let. Tehdy Peter Higgs z University of Edinburgh poprvé popsal mechanismus, který, velmi zjednodušeně řečeno, ostatním elementárním částicím umožňuje, aby měly hmotnost. Je tedy mimo jiné i zodpovědný za gravitaci, ale především za to, že atomy, molekuly a hmota vůbec drží pohromadě.

Teorie předpokládala, že v tom má prsty ona nepolapitelná částice ze standardního modelu. Nebyl však sám, kdo teorii oné částice podporoval, od roku 1963 a na začátku roku 1964 se do pátrání pustily celkem tři skupiny výzkumníků.

Nezávislé úsilí Roberta Brouta a Françoise Englerta v Bruselu, Petera Higgse na University of Edinburgh a dalších vedlo ke konkrétnímu modelu, známému jako mechanismus Brout-Englert-Higgs (BEH).

Co je Higgsův boson?

Higgsův boson je kvantová excitace onoho neviditelného pole. Bez něj by částice zůstaly bezhmotné, pohybovaly by se rychlostí světla a nebylo by možné, aby vznikly atomy či molekuly – a tedy ani hmota, jak ji známe.

Jde o to, že podle standardního modelu částicové fyziky se vše, od květin a lidí po hvězdy a planety, skládá pouze z několika stavebních kamenů – částic hmoty.

Bez existence Higgsova bosonu by vesmírem létaly všechny částice světelnou rychlostí a nebylo by možné, aby utvořily atomy, předměty, planety, hvězdy apod. Zajímavostí je, že Higgsův boson nelze pozorovat přímo, neboť má příliš krátkou dobu života.

Je ale možné zaznamenat produkty jeho rozpadu a z nich rekonstruovat vlastnosti původní částice.

Další mezník fyziky

Dne 4. července 2012 byla v CERN laboratoři pro částicovou fyziku tato teorie potvrzena objevem Higgsovy částice. Dvěma výzkumným skupinám, každá o 3000 vědcích, ATLAS a CMS, se podařilo extrahovat Higgsovu částici z miliard srážek částic v LHC.

I když bylo velkým úspěchem najít Higgsovu částici, standardní model nebyl posledním dílkem vesmírné skládačky.

Higgsovým bosonem to celé neskončilo.

Spíš začalo.

Koncem roku 2018 vědci uvedli: „Podařilo se nám dokázat rozpad Higgsova bosonu na dva takzvané kvarky b neboli spodní kvarky. Toto pozorování je milníkem ve zkoumání Higgsova bosonu,“ řekl Karl Jakobs, vedoucí experimentálního programu Atlas ve výzkumném centru CERNu.

Podle organizace nový důkaz potvrzuje standardní model částicové fyziky. Vědci udávají, že byly získány důkazy o Higgsově rozpadu na spodní kvarky a byla pozorována produkce Higgsova bosonu spolu s top kvarky, což znamená, že interakce Higgsova bosonu s fermiony byla jasně prokázána.

„Snad jedním z nejhezčích způsobů, jak shrnout to, co v současné době víme o interakci Higgsova bosonu s jinými částicemi standardního modelu, je porovnat sílu interakce s hmotností každé částice,“ prohlásil Jakobs.

To jasně ukazuje, že síla interakce závisí na hmotnosti částice: čím je částice těžší, tím silnější je její interakce s Higgsovým polem. „Toto je jedna z hlavních předpovědí mechanismu BEH ve standardním modelu,“ dodal Jakobs. Vědci však stále nekončí a hodlají svou práci nadále rozvíjet.

Standardní model částic

Před 20 lety fyzikové po desetiletích neúnavné práce konečně dospěli k takzvanému standardnímu modelu částic, přezdívanému „teorie skoro všeho“. Všechny jevy, které ve vesmíru pozorujeme, dovedeme vysvětlit pomocí čtyř druhů interakcí:

silné, slabé, elektromagnetické a gravitační. A zatímco stará Schrödingerova rovnice dokázala vysvětlit interakce elektronů s elektromagnetickou silou, standardnímu modelu se podařilo elektronegativní sílu sjednotit i se silnou a slabou jadernou silou.

Model částic tudíž představuje nejpokročilejší verzi kvantové teorie. Je vyvrcholením výzkumů mnoha fyziků ověnčených Nobelovou cenou a výsledkem mnohamiliardových investic do gigantických srážečů atomů.

Správně by měl být triumfálním svědectvím o nejvznešenějších výkonech lidského ducha.

Jenže není.

Je to jeden velký zmatek.

Kvarky a leptony

Spíše než o vytříbený plod božského vnuknutí se jedná o značně neohrabanou změť částic. Standardní model je tvořen matoucí sbírkou subatomárních částic, která nemá žádnou zjevnou logiku. Dělí na základní fermiony (kvarky, leptony a jejich antičástice) a základní bosony (výměnné bosony a Higgsův boson).

Ve skutečnosti obsahuje 36 kvarků a antikvarků, přes 19 volných parametrů, které lze libovolně upravovat, tři generace totožných částic a nádavkem několik exotických částic, jako jsou gluony, bosony W a Z, Higgsovy bosony, Yangovy-Millsovy částice a další.

Prostě bída. „Je to podobné, jako kdybychom k sobě izolepou přilepili ptakopyska, hrabáče a velrybu a toto monstrum nazvali nejskvělejším výtvorem přírody, konečným výsledkem milionů let evoluce,“ paroduje teorii Michio Kaku, americký profesor teoretické fyziky na City University of New York, spoluzakladatel strunové teorie pole a popularizátor vědy v knize Kvantová revoluce.

Je jenom jeden důvod, proč fyzikové tuto krkolomnou teorii studují: funguje. „Nesporně nabízí správný popis nízkoenergetického světa subatomárních částic, jako jsou mezony, neutrina, bosony W a tak dále.

Standardní model je tak neohrabaný a ošklivý, že jej většina fyziků pokládá jenom za nízkoenergetickou aproximaci krásnější teorie, jež existuje ve vyšších energiích,“ píše Kaku. Řečeno parafrází Einsteinova výroku, pokud zahlédnete lví ocas, očekáváte, že se dříve nebo později odněkud vynoří i sám lev.