Peter Higgs: Fyzik, který předpověděl existenci „božské“ částice, díky které vesmír drží pohromadě
Objevit novou subatomovou částici je úspěch, který obvykle stačí na Nobelovu cenu. Peter Higgs (29. 5. 1929 až 8. 4. 2024) však dokázal ještě víc, předpověděl částici, která ty ostatní, a tedy i celý vesmír drží pohromadě. Potvrzení existence Higgsova bosonu otevírá dveře k hlubšímu pochopení samotné podstaty vesmíru.
Opustil nás velikán částicové fyziky, zhodnotil Higgsův přínos vědě bývalý šéf teoretické fyziky Evropské organizace nukleárního výzkumu (CERN) John Ellis. „Teprve jeho teorie ukázala, proč mohou existovat atomy.“
Když Královská švédská akademie věd roku 2012 zdůvodňovala udělení Nobelovy ceny Peteru Higgsovi, v krátkosti také shrnula význam jeho práce: „Naše chápání vesmíru popisuje takzvaný standardní model, který předpokládá existenci zvláštního druhu částic, Higgsových bosonů. Pocházejí z neviditelného pole, které vyplňuje veškerý prostor. I když se vesmír zdá prázdný, toto pole tam je. Bez něj bychom neexistovali my ani nic jiného, protože teprve kontaktem s tímto polem získávají ostatní částice hmotnost. Teorie Petera Higgse a Françoise Englerta tento proces popisuje.“
Právě klíčový význam Higgsova bosonu pro existenci celého vesmíru byl důvodem, proč tuto částici novináři rádi nazývali božskou, přestože muž, který její existenci předpověděl, byl zapřisáhlý ateista a s touto nálepkou rozhodně nesouhlasil. Toto populární pojmenování pochází z knihy amerického fyzika Leona Maxe Ledermana, rovněž nositele Nobelovy ceny za fyziku, s názvem The God Particle: If the Universe is an Answer, What is the Question? (Božská částice: pokud je vesmír odpověď, co je otázkou?). Většina fyziků však označení Higgsova bosonu za božskou částici neuvítala, ačkoliv srozumitelně přibližuje význam Higgsova přelomového objevu i naprostým laikům.
„Kromě svého mimořádného přínosu částicové fyzice byl Peter Higgs také velkou inspirací pro ostatní fyziky, byl to vzácně skromný člověk i skvělý učitel, který dovedl vysvětlit fyziku jednoduchým, a přitom hlubokým způsobem,“ řekla Fabiola Gianottiová, generální ředitelka CERN, kde existenci Higgsova bosonu po desítkách let trvajícího úsilí nakonec potvrdili.
Co drží vesmír pohromadě
Fyzika vysvětluje vesmír dvěma teoriemi: Einsteinovou teorií relativity a kvantovou teorií. Problém byl, že tyto pohledy se navzájem nesnášely – sám Einstein dokonce kvantové principy odmítal svým slavným výrokem „Bůh nehraje v kostky“. Kvantová teorie skutečně z pohledu lidské logiky vypadá bizarně: například se můžete nacházet na dvou místech současně, zároveň být i nebýt nebo přenést informaci nadsvětelnou rychlostí – ovšem pouze, pokud jste subatomová částice. Dá se také říci, že v makrosvětě platí jiné zákony (teorie relativity) než v mikrosvětě (kvantová teorie).
Experimenty přesto dokázaly, že obě teorie platí; ostatně jen díky zdánlivě nemožným zákonům kvantové mechaniky fungují například televizory, počítače a další elektronická zařízení. Ale představa, že pro vesmír existují dvě úplně odlišné „sbírky zákonů“, které jdou proti sobě, se fyzikům z pochopitelných důvodů nelíbila. Snažili se proto obě teorie navzájem smířit.
Výsledkem těchto snah byl v 70. letech minulého století takzvaný standardní model částicové fyziky. Ten předpokládá, že veškerá hmota vesmíru se skládá z šesti druhů částic zvaných kvarky (mezi ně patří například protony a neutrony) a z šesti druhů částic zvaných leptony (například elektrony a neutrina). Všechny její pozorovatelné projevy pak má na svědomí čtveřice sil (gravitace, elektromagnetismus, silná a slabá interakce).
Existenci všech částic, s níž tato teorie pracuje, byla prokázaná – s výjimkou jediné. Jenže zrovna ta byla pro standardní model klíčová, protože (velmi zjednodušeně řečeno) celou jeho konstrukci umožňuje asi jako nejdůležitější kámen klenby, bez něhož by se stavba zřítila.
Už v 60. letech minulého století popsal Peter Higgs z University of Edinburgh mechanismus, jenž (opět zjednodušeně řečeno) ostatním elementárním částicím umožňuje, aby měly hmotnost. Počítá s existencí pole, které bylo později nazvané Higgsovým. Web Encyklopedie fyziky od Jaroslava Reichla a Martina Všetičky toto pole pro laiky přibližuje jako bláto, jímž běží dav lidí v různě velkých botách. Ti s velkými botami na ně nalepí hodně bláta, a představují tedy částice s velkou hmotností (přesněji řečeno s velkou klidovou hmotností). Naproti tomu ti s malými botami nachytají na podrážky málo bláta a mohou běžet rychleji – jde o částice s malou klidovou hmotností. A ty, kteří se nad bahnem vznášejí, neovlivňuje pole vůbec, mají nulovou klidovou hmotnost.
Higgsem navržený princip je tedy mimo jiné i zodpovědný za gravitaci, ale především za to, že atomy, molekuly a hmota vůbec drží pohromadě. Právě to je důvod, proč Leon Lederman Higgsův boson nazval božskou částicí. Fyzikové a popularizátoři vědy v této souvislosti obvykle připomenou, že to s Bohem nemá nic společného, ve skutečnosti tu je podoba docela zásadní. Higgsův boson totiž v podstatě umožňuje existenci našeho vesmíru, svým způsobem tudíž dělá totéž, co se přisuzuje Bohu.
Pak už zbývalo „jen“ teorii dokázat, což znamenalo najít boson pojmenovaný po Higgsovi. Kdyby se to nepodařilo, museli by fyzikové místo standardního modelu vymýšlet něco nového. Nechyběli ani skeptikové, kteří tvrdili, že to tak nakonec dopadne.
Z Higgsovy teorie také vyplývaly vlastnosti hledaného bosonu. Mimo jiné říkala, že jej 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 bylo od začátku jasné, že to nepůjde snadno – a bude to stát spoustu peněz. Jedinou možností, jak pohřešovanou částici odhalit, totiž byla stavba extrémně velkých urychlovačů.
Stroj posledního soudu
Urychlovač je zařízení, v němž silné elektromagnetické pole vrhá elektricky nabité jaderné částice proti jiné hmotě nebo proti sobě navzájem a rozbíjí je tak na menší části. To umožňuje fyzikům ověřovat teorie o stavbě hmoty a silách, jež mezi jejími složkami působí, i o původu a vývoji vesmíru.
Urychlovač má nejčastěji tvar prstence tvořeného elektromagnety, které částice letící vakuem urychlují a současně udržují v žádaném směru. Když částice dosáhnou potřebné energie, postaví se jim do cesty cíl s vhodným složením nebo se jim naproti vyšlou jiné částice. Citlivé detektory pak zaznamenají, co z takové srážky vzešlo. První urychlovač částic sestrojil roku 1930 americký fyzik Ernest Lawrence; jeho cyklotron měl průměr 25 centimetrů. Od té doby vývoj značně pokročil – urychlovače mají kilometrové rozměry a místo obyčejných elektromagnetů v nich subatomové částice ženou vakuem obří supravodivé cívky téměř rychlostí světla.
Zpočátku byly naděje na objevení Higgsova bosonu vkládány do velkého amerického urychlovače Tevatron v Illinois, který měl tvar tunelu s obvodem 6,3 kilometru. Pracoval od roku 1983 a po nějaký čas byl nejvýkonnějším zařízením svého druhu na světě. Na Tevatronu byla objevena řada subatomových částic a mnozí fyzikové doufali, že k nim přibude i Higgsův boson. V dubnu 2011 se dokonce zdálo, že Američané jsou už blízko, ale nakonec se ukázalo, že šlo o planý poplach. A v září téhož roku ministerstvo energetiky v rámci úspor činnost Tevatronu ukončilo.
Roku 1989 evropská organizace CERN vybudovala ve Švýcarsku poblíž Ženevy obří podzemní urychlovač s kruhovou dráhou o obvodu 27 kilometrů v hloubce až 170 metrů, který se jmenoval LEP (Large Electron-Positron Collider, Velký urychlovač pro srážky elektronů s pozitrony). Činnost ukončil v roce 2000, aby mohl svůj tunel přenechat novému a mnohem výkonnějšímu LHC (Large Hadron Collider, Velký hadronový urychlovač).
Už LEP byl ve své době světovou jedničkou, ovšem LHC je ještě o nějaký ten řád výkonnější. Od svého předchůdce se liší mimo jiné tím, že se v něm místo elektronů nebo pozitronů urychlují podstatně hmotnější protony nebo ionty, tedy atomová jádra zbavená zcela nebo zčásti svých elektronových obalů. Ještě významnější rozdíl spočívá v tom, že v LHC se urychlená částice (zjednodušeně řečeno) nesrazí s napevno umístěným cílem, ale s proudem stejných částic letících opačným směrem. Energie srážky je tedy nesrovnatelně vyšší. Každý z těchto svazků má energii odpovídající vlaku jedoucímu rychlostí 200 km/h, jenže „železniční neštěstí“ se neodehraje na rozměrném kolejišti, ale v nepatrných rozměrech subatomového světa. Tam díky tomu na krátký okamžik nastanou podmínky, které se již příliš neliší od poměrů během Velkého třesku, při němž vznikl vesmír – a baterie citlivých detektorů rozmístěných kolem sledují, jaké částice se při této srážce uvolnily. Na stavbě jednoho z těchto detektorů jménem ATLAS se podíleli i čeští vědci a tuzemské firmy.
LHC s cenou 7,6 miliardy eur a nemalými provozními náklady (jen za energii utratí 19 miliónů eur ročně) se stal vůbec nejdražším vědeckým projektem. Na financování se proto podílela více než stovka zemí, mezi nimiž dominantní roli hrály členské státy CERN. Jedním z nich je také Česká republika, takže se výzkumů na tomto unikátním zařízení mohou účastnit i čeští vědci.
Dlouho se zdálo, že LHC se nenarodil pod šťastnou hvězdou. Už při jeho stavbě zemřel technik José Pereira Lages, když na něj při montáži spadl jeden z velkých rozváděčů, po spuštění se objevily vážné technické problémy a havárie, nakonec skupina laiků chtěla zastavit vědce žalobou. Tvrdili, že urychlovač je stroj posledního soudu, který vytvoří černou díru a ta všechno pohltí. Nechyběla ani záplava výhrůžných dopisů. Přesto se roku 2010 podařilo LHC definitivně spustit.
Dlouhá cesta k Nobelově ceně
Roku 2012 detektory při srážkách částic v LHC zaznamenaly jevy napovídající existenci dosud neznámého typu bosonu. O rok později vědci začali připouštět, že by mohlo jít o hledaný Higgsův boson. Nicméně opatrnost nadále zůstávala. Roku 2013 dostal Peter Higgs za svou téměř půl století starou předpověď Nobelovu cenu. Podělil se o ni s teoretickým fyzikem Françoisem baronem Englertem, jenž měl na vypracování teorie podíl. Ale teprve roku 2018 došli fyzikové k definitivnímu závěru, že nová částice opravdu vykazuje podstatné znaky předpovězené teorií.
Cesta k Nobelově ceně nebyla jednoduchá. Peter Higgs se narodil v anglickém Newcastlu 29. května 1929. Po otci Thomasovi, který pracoval jako zvukový technik u BBC, zdědil zálibu ve vědě a technice. Soustředil se však na teoretické obory. V letech 1941 až 1946 na bristolské Cotham Grammar School zjistil, že tu před ním studoval tehdy už slavný teoretický fyzik Paul Dirac.
„Začalo mi vrtat hlavou, čím se tenhle člověk vlastně zabýval,“ řekl později Higgs. „To mě přivedlo k teoretické fyzice.“
Následovalo studium na King’s College of London a poté slibně rozjetá vědecká kariéra. V 60. letech minulého století se Higgs začal zabývat myšlenkou, že po Velkém třesku nejdřív neměly částice našeho vesmíru žádnou hmotnost. Získaly ji až o zlomek sekundy později, když přišly do styku s polem, jež celý tehdejší vesmír prostupovalo.
Roku 1964 Higgs napsal první články popisující jeho teorii. Nesetkaly se však s příznivým ohlasem. Některé vědecké redakce je dokonce odmítly s tím, že pro fyziku nepředstavují žádný významný přínos. Mnozí respektovaní vědci zůstávali k představě Higgsova pole skeptičtí ještě dlouho poté. Teprve později se začalo mínění vědecké obce pomalu měnit a až na přelomu tisíciletí se hledání Higgsova bosonu stalo hlavním úkolem největších (a nejdražších) urychlovačů. LHC nakonec Higgsovu teorii potvrdil.
Potvrzení existence Higgsova bosonu otevírá dveře k hlubšímu pochopení samotné podstaty vesmíru. Představuje velký krok v lidské touze po poznání. Využití v praxi je ovšem zatím skoro nemožné odhadnout – stejně tomu ale bylo i v počátcích výzkumu elektřiny, magnetismu nebo subatomových částic.
S trochou fantazie si lze představit, že znalost Higgsova pole jednou třeba umožní ovládnout gravitaci, setrvačnost nebo stavět lodě pro výpravy ke hvězdám.
A nejen to, před časem přišli teoretičtí fyzikové Tom Weiler a Chui Man Ho s hypotézou, že souběžně s Higgsovými bosony vznikají také takzvané Higgsovy singlety, jejichž existence má (zjednodušeně řečeno) přesahy do jiných dimenzí. Jejich prostřednictvím by údajně bylo možné také posílat informace proti proudu času. Fantazie, nebo realita? To ukáže teprve budoucnost – možná hodně vzdálená.
„Je jasné, že průlom v našem porozumění vesmíru je fascinující,“ komentoval potvrzení existence Higgsova bosonu François Englert. „Ale ještě jsme zdaleka nedosáhli hranic našeho poznání. Před námi jsou další výzvy. Například nalezení temné hmoty, o níž se předpokládá, že tvoří až 90 procent vesmíru.“
Peter Higgs už po cestě za poznáním dál nepůjde, zemřel 8. dubna 2024. Ušel po ní však takový kus jako málokdo před ním.
