Zemřel duchovní otec nejslavnější částice. Víte, co ta vlastně dělá?

Článek si také můžete poslechnout v audioverzi.

Ve věku 94 let tento týden zemřel Peter Higgs, britský teoretický fyzik, jehož jméno je neodmyslitelně spojeno s jedním z nejdůležitějších objevů v částicové fyzice posledních desetiletí. Experimentální potvrzení jeho myšlenky o existenci nové částice a hlavně toho, co je „za ní“, na sebe přitom nechalo čekat půl století.

Podařilo se v roce 2012 objevem Higgsova bosonu - tzv. „božské částice“ na urychlovači LHC. Ale co vlastně tato částice „dělá“? Proč ji fyzici hledali tak usilovně, že to vedlo k postavení urychlovače za stovky miliard korun, na kterém tisíce šikovných lidí nechaly roky života?

Na začátku se jen krátce zastavme u samotného Petera Higgse. Kolegové a studenti si ho pamatují především jako inspirativního vědce a výjimečného pedagoga, který dokázal jednoduše a srozumitelně vysvětlit i složité myšlenky.

Jeho vystupování na veřejnosti bylo vždy odměřené a účelné. Držel se stranou i po potvrzení existence Higgsova bosonu v roce 2012. Když se mu 8. října 2013 snažili dovolat zástupci Švédské královské akademie, aby mu oznámili, že získal Nobelovu cenu za fyziku, Higgs nebyl k nalezení.

Půl hodiny se ho bezvýsledně pokoušeli zastihnout v jeho bytě v Edinburghu a v kanceláři na univerzitě, než to vzdali. Higgs byl na tuto možnost totiž připravený. Očekával, že by mohl vyhrát, chtěl se zjevně vyhnout mediálnímu zájmu, a tak se předtím vydal do své oblíbené restaurace v nedalekém Leithu na (dosti časný) oběd a pivo.

Svůj nejdůležitější objev udělal Higgs v 60. letech, a byť na svých teoriích hodně pracoval samostatně, nebyl tak úplně osamocený. Několik vědců, mezi nimi i spolunositel Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2013, Francois Englert, tehdy přišlo s podobnou myšlenkou. Ovšem Higgs ji rozpracoval nejvíce a jasně také ve svých pracích zmínil existenci budoucího Higgsova bosonu, včetně jeho základních charakteristik (že by měl mít velkou hmotnost a nulový spin).

Práce se zabývaly problémem, do kterého nemá smysl příliš zabíhat. Ale ani jednoho z autorů nenapadlo, že by tak zároveň mohli vyřešit jednu opravdu palčivou fyzikální otázku: Jak se „poprat“ s tím, že (některé) částice nemají nulovou hmotnost.

Uznávané fyzikální teorie si s tím totiž nevěděly rady. Rovnice dávaly jednoduše řečeno nesmyslné výsledky. Bylo zapotřebí nějaké řešení – a jeho důležitou součástí se stal nejlépe Higgsem rozpracovaný nápad. Jeho základem je existence neviditelného „pozadí“ vesmíru, které je dnes známo jako Higgsovo pole.

Pole ve fyzice je hodně zjednodušeně označení pro něco, co můžete měřit v daném místě a čase. Na jednom místě tak můžete měřit třeba hodnotu gravitačního pole (prostě gravitaci) nebo intenzitu elektrického pole. Higgsovo pole je také něco takového. Jen se nám ho nepodařilo zatím změřit a jeho funkce je trochu jiná

Jedna používaná analogie říká, že si ho můžeme představit jako sirup, ve kterém plave celý vesmír. Nedá se mu vyhnout a obyvatelé sirupu o něm ani nemohou mnoho říci, protože jsou jím obklopeni vždy a všude.

Představte si, že různé částice jsou prostě dílky různých tvarů. Hranaté v sirupu budou mít větší odpor než kulaté, takže vliv sirupu na ně bude větší. V realitě Higgsovo pole málo ovlivňuje třeba neutrina, a tak ta jsou prakticky nehmotná, zatímco jiné částice „brzdí“ hodně, a tak mají hmotnost velikou (třeba W a Z bosony).

Důležité je, že Higgsovo pole má vliv pouze na některé částice, například elektrony. Také by mělo dávat hmotnost tzv. „intermediálním vektorovým bosonům“. Ty fungují jako „nosiče“ jedné ze čtyř základních fyzikálních sil, tzv. slabé síly (či slabé interakce).

Higgsovo pole nakonec do uznávaných rovnic částicové fyziky plně zavedli koncem 60. let Steven Weinberg a Abdus Salam. Oba pochopili, že práce Higgse a jeho vědeckých rivalů obsahují nedoceněný myšlenkový klenot.

Weinberg a Salam tak významně přispěli k tomu, že jsme odhalili společnou podstatu dvou základních fyzikálních sil, elektromagnetické a tzv. slabé síly. Oba také dostali v roce 1979 Nobelovu cenu.

Nebylo to přitom tak, že by někdo někomu kradl zásluhy. Higgs a další v 60. letech si prostě nedali dohromady své řešení s jinými velkými otázkami. Teoreticky to mohli udělat, ale fyzika je košatý obor.

Zpětně to možná vypadá až nepochopitelně. Vnímají to tak ostatně i někteří autoři: „Je záhadou, proč si to nikdo z nás nedal dohromady už v roce 1964,“ řekl po objevu Higgsova bosonu časopisu Science jeden z autorů prvních prací o Higgsově poli, Tom Kibble.

Trochu na jeho obranu dodejme, že šlo o skutečně zajímavý a neotřelý nápad – i když ho dostalo několik lidí najednou. Bylo to jedno možné vysvětlení problému, vysvětluje fyzik Jiří Chýla a dodává: „Higgsův boson nemusel existovat a jeho experimentální objev byl skutečně objev, ne jen potvrzení něčeho, co existovat muselo.“

Přes zmínku o této částici se dostáváme i k otázce, proč se ona i to tak důležité pole jmenují právě po skromném britském fyzikovi? Protože ten nápad dovedl nejdále. Popsal nejen důležité detaily celého mechanismu, ale jako jediný zmínil i existenci Higgsova bosonu.

Ten přitom není pro celý mechanismus až tak důležitý. Můžete si ho představit jako nejmenší možnou vlnku, která může putovat po hladině Higgsova pole. Ta nejmenší vlnka, která se tímto polem může pohybovat na nějakou vzdálenost.

Ale zatímco Higgsovo pole dnes není možné nijak měřit a prokázat tak jeho existenci, „vlnky“ na něm putující za určitých okolností ano. A tak Peter Higgs svým popisem fiktivního Higgsova bosonu a jeho možných vlastností také naznačil, jak by se dalo dokázat, že nejde jen o elegantní teorii, ale popis skutečnosti.

Nějakou dobu to, pravda, trvalo. Aby se na „hladině“ Higgsova pole vytvořila aspoň vlnka, musí se do něj plácnout poměrně silně. Fyzici si tak museli nakonec počkat až na stavbu urychlovače LHC, na kterém byl Higgsův boson poměrně rychle objeven. Byla to trochu „smůla“: Jen malý kousíček od objevu byl už jeho slabší předchůdce LEP zhruba o dekádu dříve, ovšem jednoduše neměl dostatečný výkon.

Objevem Higgsova bosonu se novinky z LHC bohužel do značné míry vyčerpaly. Všechna následující měření ukazují, že kýžená částice se velmi přesně podobá tomu, co teorie považovala za nejpravděpodobnější – a nic víc.

Nemá žádné exotické či překvapivé vlastnosti, které by alespoň naznačily, jak posunout další hranice našeho vědění. Fyzika totiž umí popsat chování jednotlivých částic, ale nedokáže dobře vysvětlit, co vlastně tvoří většinu hmoty v našem vesmíru či jak přesně funguje gravitace.

Fyzikové optimisticky doufali, že na LHC se kromě Higgsova bosonu objeví i nějaké další indicie, díky kterým bychom se tyto otevřené otázky mohli pokusit zodpovědět z nového úhlu.

Částicoví fyzikové doufají, že pomoci může další, ještě větší urychlovač. Ale mohl by pomoci i nějaký nový, neotřelý a originální nápad. Bohužel, Peter Higgs s ním už nepřijde.