Co je Higgsův boson a proč lidstvo investuje obrovské částky k jeho objevení?

Datum 20.07.2021

foto: CERN

Nobelovu cenu za fyziku roku 2013 obdrželi Peter Higgs a Francois Englert za předpověď existence částice, která dostala jméno Higgsův boson. Už samotné takové ocenění naznačuje, že jde o záležitost mimořádně důležitou, ale tím to neskončilo: snaha existenci téhle částice potvrdit byla hlavní motivací k tomu, aby Evropská organizace pro jaderný výzkum (CERN) utratila 7,5 miliard eur za Velký hadronový urychlovač (Large Hadron Collider), což je největší urychlovač částic, jaký kdy byl postaven. Česká republika je členskou zemí CERN, takže se výzkumů na tomto unikátním zařízení mohou zúčastňovat i čeští vědci.

Mimořádný význam Higgsova bosonu naznačuje také jeho přezdívka: božská částice. Popularizátoři vědy v této souvislosti obvykle nezapomenou podotknout, že to s nábožen- stvím ani s Bohem nemá nic společného, ve skutečnosti tu ale je podoba docela zásadní. Higgsův boson totiž v podstatě umožňuje existenci našeho vesmíru.

Současná fyzika má dvě základní teorie popisující vesmír: Einsteinovu teorii relativity a kvantovou mechaniku. Obě jsou nepochybně platné – a přesto si navzájem odporují. Pro usmíření těchto rozporů vytvořili vědci v 70. letech minulého století představu, které se od té doby říká Standardní model. Předpokládá, že veškerá hmota vesmíru se skládá ze šesti druhů částic zvaných kvarky a šesti druhů částic zvaných leptony. Všechny její pozorovatelné projevy pak má na svědomí čtveřice sil: elektromagnetická, gravitační, silná interakce a slabá interakce.

Existenci všech částic předpovězených touto teorií se už podařilo dokázat – s výjimkou jediné. Jenže zrovna ta byla pro standardní model klíčová, protože – velmi zjednodušeně řečeno – celou jeho konstrukci drží pohromadě. Právě proto jí americký fyzik a nositel Nobelovy ceny Leon Ledermann dal v jedné ze svých knih (The God Particle) přezdívku božská částice.

Už v 60. letech minulého století popsal Peter Higgs z University of Edinburgh mechanismus, který (opět 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. Dostala jméno Higgsův boson, a nastalo její usilovné hledání.

Z teorie vyplývalo, že samotný Higgsův boson přímo pozorovat nelze, protože má mimořádně krátkou životnost. Současně ale předpovídala, že při srážkách jiných částic by mělo docházet k určitým projevům jeho existence. Problém byl, že pro zaranžování takových srážek bylo potřeba vynaložit obrovskou energii. Dosavadní urychlovače jí nedisponovaly, a tak u Ženevy začala stavba LHC.

Největší urychlovač světa byl dokončen roku 2009. Je umístěn v podzemním tunelu dlouhém 27 kilometrů a tvoří jej 1600 supravodivých elektromagnetů ochlazovaných kapalným héliem na teplotu necelé dva stupně nad bodem absolutního mrazu (tj. přibližně -271 stupňů Celsia). Magnety vytvářejí dvě souběžné dráhy, v nichž se urychlují svazky protonů na rychlost blízkou rychlosti světla. Za vteřinu tak každý proton proletí dráhu tunelu jedenácttisíckrát. V každé dráze protony letí opačným směrem a na několika místech je dráha uspořádaná tak, aby se mohly ve vhodné chvíli srazit. Na krátký okamžik tak vznikne teplota stotisíckrát převyšující teplotu v nitru Slunce a podmínky blízké těm, jaké panovaly na počátku vesmíru během Velkého třesku. Několik detektorů pak zachycuje částice, které při tom vznikly.

Roku 2012 detektory LHC při těchto srážkách zaznamenaly jevy napovídající existenci dosud neznámého typu bosonu a o rok později vědci začali připouštět, že by mohlo jít o hledaný Higgsův boson. Nicméně opatrnost nadále zůstávala.

„Dospěli jsme k takovým výsledkům, že jsme si jistí, že pozorujeme nový boson,“ říká Jiří Chudoba z Fyzikálního ústavu AV ČR. „Jestli je to Higgsův boson, to si ještě úplně jistí nejsme.“

Teprve roku 2018 došli vědci k závěru, že nová částice vykazuje podstatné znaky předpověděné teorií. Další zkoumání jejích vlastností a především tzv. Higgsova pole, jehož je projevem, povede k hlubšímu pochopení samotné podstaty vesmíru. Bezprostřední využití v praxi sice objev zatím nemá, ale stejně tomu bylo i v začátcích výzkumu sub-atomových částic, aby pak jeho důsledky změnily svět.

Jan A. Novák