HIGGSOV BOZÓN, desať rokov po jeho objave
Presne pred desiatimi rokmi, prelomový objav Higgsovho bozónu na Veľkom hadrónovom urýchľovači a pokrok, ktorý sa odvtedy dosiahol pri určovaní jeho vlastností, umožnili fyzikom urobiť obrovské kroky vpred v našom chápaní vesmíru.
Pred desiatimi rokmi, 4. júla 2012, experimentálne kolaborácie ATLAS a CMS pracujúce na Veľkom hadrónovom urýchľovači (LHC) oznámili objav novej častice s vlastnosťami konzistentnými s vlastnosťami Higgsovho bozónu predpovedanými Štandardným modelom časticovej fyziky. Objav bol medzníkom v histórii vedy a zaujal pozornosť svetovej verejnosti. Rok nato bola François Englertovi a Peterovi Higgsovi udelená Nobelova cena za fyziku za ich predpoveď, ktorú pred desiatkami rokov urobili spolu so zosnulým Robertom Broutom o novom fundamentálnom poli známom ako Higgsovo pole. Higgsovo pole preniká vesmírom a prejavuje sa existenciou Higgsovho bozónu, pričom dáva hmotnosť elementárnym časticiam.
„Objav Higgsovho bozónu bol monumentálnym míľnikom v časticovej fyzike. Znamenalo to koniec desaťročia trvajúcej cesty hľadania a začiatok novej éry štúdií tejto veľmi špeciálnej častice,“ hovorí Fabiola Gianotti, generálna riaditeľka CERN-u a vedúca projektu („hovorkyňa“) experimentu ATLAS v čase objavu Higgsa. "S emóciami spomínam na deň, keď sme objav oznámili, deň nesmiernej radosti pre celosvetovú komunitu časticovej fyziky a pre všetkých ľudí, ktorí neúnavne pracovali desiatky rokov na tom, aby sa tento objav mohol uskutočniť."
Len za desať rokov od tohoto objavu fyzici urobili obrovské kroky vpred v našom chápaní vesmíru. Nielenže v krátkom čase potvrdili, že častica objavená v roku 2012 je skutočne Higgsovým bozónom, ale tiež umožnili výskumníkom začať vytvárať obraz o všeprenikajúcej prítomnosti Higgsovho bozónu v našom vesmíre desatinu miliardtiny sekundy po Big Bangu.
Cesta, ktorú sme už prešli
Nová častica objavená medzinárodnými kolaboráciami ATLAS a CMS v roku 2012 veľmi pripomínala Higgsov bozón predpovedaný Štandardným modelom. Bola to však skutočne tá dlho hľadaná častica? Ihneď po objave sa ATLAS a CMS pustili do podrobného skúmania, či vlastnosti častice, ktorú objavili, skutočne zodpovedajú vlastnostiam, ktoré predpovedal Štandardný model. Použitím dát z rozpadu tejto novej častice na dva fotóny, nosiče elektromagnetickej sily, experimenty preukázali, že nová častica nemá vlastný moment hybnosti alebo kvantový spin, čo bolo v súlade s predpoveďou Štandardného modelu pre Higgsov bozón. Naproti tomu, všetky ostatné známe elementárne častice majú spin: či už sú to častice hmoty, napríklad kvarky „u“ a „d“, z ktorých sa skladajú protóny a neutróny, alebo častice prenášajúce silu, ako sú napríklad bozóny W a Z.
Z pozorovaní Higgsových bozónov vznikajúcich z rozpadov W a Z bozónov a rozpadajúcich sa na W a Z bozóny, ATLAS a CMS potvrdili, že, v súlade s predpoveďou Štandardného modelu, W a Z bozóny tiež získavajú svoju hmotnosť prostredníctvom interakcií s Higgsovým poľom. W a Z bozóny sú sprostredkovateľmi krátkodosahovej tzv. slabej sily, ktorá je zodpovedná za jednu formu rádioaktivity a iniciuje reakciu jadrovej fúzie, ktorá poháňa Slnko.
Experimenty tiež ukázali, že kvarky “t” a “b” spolu s tau leptónom – čo sú najťažšie fermióny – získavajú svoju hmotnosť cez interakcie s Higgsovým poľom, opäť v súlade s predpoveďami Štandardného modelu. V prípade “t” kvarku sa to preukázalo v experimente, kde Higgsov bozón bol produkovaný spolu s párom “t” kvarkov. V prípade “b” kvarku a tau leptónu bolo použité meranie rozpadu Higgsovho bozónu na páry “b” kvarkov a páry tau leptónov. Tieto pozorovania potvrdili existenciu sily, ktorá sa nazýva Yukawova interakcia, je súčasťou Štandardného modelu, ale nepodobá sa na žiadnu ďalšiu silu v Štandardnom modeli: Yukawova interakcia je sprostredkovaná Higgsovým bozónom a nie je kvantovaná, t.j. neobjavuje sa v násobkoch určitého množstva.
ATLAS a CMS namerali hmotnosť Higgsovho bozónu na 125 miliárd elektrónvoltov (GeV) s pôsobivou presnosťou takmer 1 promile. Hmotnosť Higgsovho bozónu je základnou konštantou prírody, ktorej hodnota nie je predpovedaná Štandardným modelom. Navyše, spolu s hmotnosťou top kvarku, najťažšej známej elementárnej častice, a spolu s niektorými ďalšími parametrami, môže hmotnosť Higgsovho bozónu určovať stabilitu vesmírneho vákua.
Toto sú len niektoré z konkrétnych výsledkov desaťročného skúmania Higgsovho bozónu na najväčšom a najvýkonnejšom urýchľovači na svete – jedinom mieste na svete, kde možno túto unikátnu časticu vyrobiť a podrobne študovať.
Podľa hovorcu experimentu ATLAS Andreasa Hoeckera "Veľké vzorky dát získané vďaka LHC, výnimočný výkon detektorov ATLAS a CMS a nové analytické techniky umožnili obom kolaboráciám zvýšiť citlivosť meraní Higgsovho bozónu nad rámec toho, čo sa považovalo za možné v čase príprav týchto experimentov."
Navyše, odkedy LHC začal v roku 2010 zrážať protóny pri rekordných energiách, LHC kolaborácie objavili vďaka bezprecedentnej citlivosti a presnosti štyroch hlavných LHC experimentov viac ako 60 kompozitných častíc predpovedaných Štandardným modelom, včítane exotických “tetrakvarkov” a “pentakvarkov”. Experimenty tiež odhalili sériu zaujímavých náznakov odchýliek od Štandardného modelu, ktoré si vyžadujú ďalšie skúmanie a v bezprecedentných detailoch študovali kvarkovo-gluónovú plazmu, ktorá vypĺňala vesmír v jeho raných štádiách. Pozorovali tiež mnohé zriedkavé časticové procesy, robili stále presnejšie merania javov predpovedaných Štandardným modelom a vnikli do nepreskúmaných oblastí pri hľadaní nových častíc ktorých existenciu Štandardný model nepredpokladá. To zahŕňa aj častíce, z ktorých sa môže skladať temná hmota, ktorá tvorí väčšinu hmotnosti nášho vesmíru.
Výsledky týchto prieskumov prispievajú dôležitým spôsobom k nášmu chápaniu fundamentálnej fyziky. „Objavy v časticovej fyzike nemusia znamenať nové častice,“ hovorí CERNský riaditeľ pre výskum a výpočtovú techniku Joachim Mnich. „Výsledky získané za desaťročie prevádzky LHC nám umožnili výrazne zväčšiť rozsah našich výskumov, pričom sme stanovili silné obmedzenia na možné rozšírenia Štandardného modelu a prišli s novými výskumnými technikami a novými technikami analýzy dát.”
Je pozoruhodné, že všetky doteraz získané výsledky na LHC sa zakladajú na piatich percentách z celkového množstva dát, ktoré urýchľovač vyprodukuje počas doby svojej prevádzky. „S touto ‚malou‘ vzorkou LHC umožnil urobiť veľké kroky vpred v našom chápaní elementárnych častíc a ich interakcií,“ hovorí CERNský teoretik Michelangelo Mangano. "A hoci všetky doteraz získané výsledky sú v súlade so Štandardným modelom, stále existuje veľa priestoru pre nové javy nad rámec predpovedí tejto teórie."
„Samotný Higgsov bozón môže poukazovať na nové javy, vrátane tých, ktoré by mohli byť zodpovedné za temnú hmotu vo vesmíre,“ hovorí hovorca CMS Luca Malgeri. ATLAS a CMS sa venujú hľadaniu všetkých procesov zahŕňajúcich Higgsov bozón, ktoré z pohľadu Štandardného modelu nie sú očakávané.
Cesta, ktorá ešte leží pred nami
Čo nám ešte ostalo naučiť sa o Higgsovom poli a Higgsovom bozóne po desiatich rokoch? Veľa. Dáva Higgsovo pole hmotnosť aj ľahším fermiónom alebo mohol by byť v hre iný mechanizmus? Je Higgsov bozón elementárna alebo zložená častica? Dokáže interagovať s temnou hmotou a odhaliť povahu tejto tajomnej formy hmoty? Čo generuje hmotnosť Higgsovho bozónu a jeho interakciu so sebou samým? Má dvojičky alebo príbuzných?
Nájdenie odpovedí na tieto a ďalšie zaujímavé otázky nielen posunie naše chápanie vesmíru na najmenších rozmeroch, ale môže tiež pomôcť odhaliť niektoré z najväčších tajomstiev vesmíru ako celku, napríklad ako sa stal takým, aký je a aký bude jeho konečný osud. Najmä interakcia Higgsovho bozónu so sebou samým môže byť kľúčom k lepšiemu pochopeniu nerovnováhy medzi hmotou a antihmotou a k pochopeniu stability vákua vo vesmíre.
Zatiaľčo odpovede na niektoré z týchto otázok môžu poskytnúť už dáta z prebiehajúceho tretieho behu LHC alebo dáta po veľkej modernizácii LHC, ktorá zvýši jeho luminozitu od roku 2029, predpokladá sa, že odpovede na ďalšie záhady sú mimo dosahu LHC a budú vyžadovať nejakú budúcu “továreň na Higgsa”. Z tohto dôvodu CERN a jeho medzinárodní partneri skúmajú technickú a finančnú realizovateľnosť oveľa väčšieho a výkonnejšieho stroja “Future Circular Collider” v reakcii na odporúčanie uvedené v najnovšej aktualizácii Európskej stratégie pre časticovú fyziku.
„Vysokoenergetické urýchľovače zostávajú najvýkonnejším mikroskopom, ktorý máme k dispozícii na skúmanie prírody v najmenších rozmeroch a na objavovanie základných zákonov, ktorými sa riadi vesmír,“ hovorí Gian Giudice, vedúci Oddelenia teórie v CERNe. "Okrem toho tieto stroje prinášajú aj obrovské spoločenské benefity."
Historicky, urýchľovače, detektory a výpočtové technológie spojené s vysokoenergetickými kolajdrami mali veľký pozitívny vplyv na spoločnosť vďaka vynálezom, ako je World Wide Web, ako sú detektory, ktoré viedli ku konštrukcii skeneru PET (pozitrónová emisná tomografia) a ako je konštrukcia urýchľovačov na hadrónovú terapiu pri liečení rakoviny. Okrem toho, dizajn, konštrukcia a prevádzka urýchľovačov a experimentov v časticovej fyzike vyústili do prípravy nových generácií vedcov a odborníkov v ďalších odboroch a do jedinečného modelu medzinárodnej spolupráce.
