Poznámka editora: 8. října 2013 získali Peter Higgs a Francois Englert Nobelovu cenu za fyziku za práci na Higgsově bosonu. Níže náš vědecký publicista Brian Greene vysvětluje vědu za objevem.
Z tohoto příběhu
[×] ZAVŘÍT
Detektor ATLAS, jeden ze dvou experimentů zaměřených na odhalení nepolapitelného Higgsova bosonu v rozbití částic u velkého hadronového srážce CERN, váží až sto 747 trysek a pojme více než 1 800 mil kabelu. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Kompaktní muonový solenoid u velkého hadronového kluzáku zachycuje částice v aktu. (Michael Hoch / CERN) 
Zpět na rýsovací prkno: Fyzik Peter Higgs zakřičí svou slavnou rovnici popisující zdroj hmoty částice. To by trvalo půl století, než se to ukáže. (Stuart Wallace / Splash News / Newscom) 
Tým pracuje s detektorem ATLAS, jedním ze dvou experimentů, aby spatřil nepolapitelný Higgsův boson v rozbíjení částic. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Před instalací žily části detektoru CMS v úklidové místnosti v CERNu. (Maximilien Brice, Michael Hoch, Joseph Gobin / CERN) 
Magnet v detektoru CMS vytváří magnetické pole 100 000krát silnější než Země. (Gobin / CERN) 
Detail detektoru CMS - jeden ze dvou experimentů k detekci podpisů Higgsova bosonu. (Gobin / CERN) 
Ačkoli se Higgsův boson jeví příliš krátce na to, aby byl přímo detekován, fyzici na CMS mohou odvodit jeho existenci studováním sprchy částic zanechaných po srážkách protonů a protonů. (T. McCauley, L. Taylor / CERN) 
FOTOGALERIE
Související obsah
- Umění a věda se srazí ve objevu Higgsova bosona
Slavný příběh v análech fyziky vypráví o pětiletém Albertovi Einsteinovi, nemocném v posteli, který od svého otce dostal kompas s hračkami. Chlapec byl zmatený a fascinovaný neviditelnými silami při práci a přesměroval kompasovou jehlu tak, aby směřovala na sever, kdykoli byla narušena klidová poloha. Tato zkušenost, Einstein by později řekl, jej přesvědčil, že příroda má hluboký skrytý rozkaz, a přiměla ho, aby strávil svůj život zkoušením to odhalit.
Ačkoli je příběh starší než sto let, hádanka, se kterou se Einstein potkal, rezonuje s klíčovým tématem současné fyziky, které je zásadní pro nejdůležitější experimentální úspěchy v oblasti posledních 50 let: objev, před rokem letos v červenci z Higgsova bosonu.
Nech mě to vysvětlit.
Vědy obecně, a zejména fyzika, hledají vzorce. Napněte pružinu dvakrát tak daleko a pociťte dvakrát odpor. Vzor. Zvětšete objem, který předmět zaujímá, a přitom udržujte jeho pevnou hmotu a čím vyšší bude vznášet se ve vodě. Vzor. Pečlivým pozorováním vzorců objevují vědci fyzikální zákony, které lze vyjádřit v jazyce matematických rovnic.
Jasný vzor je patrný také v případě kompasu: Přesuňte jej a jehla znovu ukazuje na sever. Dokážu si představit, že by mladý Einstein myslel, že musí existovat obecný zákon, který stanoví, že zavěšené kovové jehly jsou tlačeny na sever. Takový zákon však neexistuje. Když je v oblasti magnetické pole, určité kovové objekty zažívají sílu, která je vyrovná podél směru pole, ať už se stane jakýkoli směr. A magnetické pole Země směřuje na sever.
Příklad je jednoduchý, ale ponaučení hluboké. Vzorce přírody někdy odrážejí dva vzájemně propojené rysy: základní fyzikální zákony a vlivy prostředí. Je to přírodní verze přírody versus péče. V případě kompasu není rozdělování dvou obtížné. Manipulací s magnetem snadno zjistíte, že orientace magnetu určuje směr jehly. Mohou však existovat i jiné situace, kdy jsou vlivy prostředí tak všudypřítomné, a tak mimo naši schopnost manipulace je mnohem obtížnější rozpoznat jejich vliv.
Fyzici vyprávějí podobenství o rybách zkoumajících fyzikální zákony, ale tak zvyklí na svůj vodnatý svět, nedokážou zvážit jeho vliv. Ryby se mocně snaží vysvětlit šetrné kývání rostlin a jejich vlastní lokomoce. Zákony, které nakonec najdou, jsou složité a těžkopádné. Pak má jedna skvělá ryba průlom. Možná složitost odráží jednoduché základní zákony, které se chovají v komplexním prostředí - takové, které je plné viskózní, nestlačitelné a všudypřítomné tekutiny: oceán. Zpočátku jsou bystré ryby ignorovány, dokonce zesměšňovány. Ale i ostatní si pomalu uvědomují, že jejich prostředí, bez ohledu na jeho známost, má významný dopad na vše, co pozorují.
Řezal podobenství blíže k domovu, než jsme si mysleli? Mohou existovat i jiné, jemné, ale všudypřítomné rysy prostředí, které se dosud nepodařilo správně pochopit? Objev Higgsových částic velkým Hadronem Colliderem v Ženevě přesvědčil fyziky, že odpověď zní naprosto ano.
Téměř před půl stoletím se Peter Higgs a hrstka dalších fyziků snažili pochopit původ základního fyzického prvku: hmoty. Hmotu můžete považovat za krádež objektu nebo, přesněji, za odpor, který nabízí změně jeho pohybu. Zatlačte na nákladní vlak (nebo peří), abyste zvýšili jeho rychlost a odpor, který cítíte, odráží jeho hmotnost. Na mikroskopické úrovni pochází hmota nákladního vlaku z jeho základních molekul a atomů, které jsou samy vytvořeny ze základních částic, elektronů a kvarků. Ale odkud pocházejí masy těchto a dalších základních částic?
Když fyzikové v 60. letech modelovali chování těchto částic pomocí rovnic zakořeněných v kvantové fyzice, narazili na hádanku. Pokud si představovali, že částice jsou všechny bezhmotné, pak každý člen rovnic zapadl do dokonale symetrického vzoru, jako jsou špičky dokonalé sněhové vločky. A tato symetrie nebyla jen matematicky elegantní. Vysvětlil vzorce zřejmé z experimentálních dat. Ale - a tady je hádanka - fyzici věděli, že částice mají masy, a když upravili rovnice tak, aby odpovídaly této skutečnosti, byla matematická harmonie pokazena. Rovnice se staly složitými a těžkopádnými, a co je horší, nekonzistentními.
Co dělat? Tady je nápad předložený Higgsem. Nesahejte masy částic do krku krásných rovnic. Místo toho udržujte rovnice nedotčené a symetrické, ale zvažte, že fungují ve zvláštním prostředí. Představte si, že celý prostor je rovnoměrně naplněn neviditelnou látkou - nyní nazývanou Higgsovo pole -, která vyvíjí tažnou sílu na částice, když ji zrychlují. Zatlačte na základní částici ve snaze zvýšit její rychlost a podle Higgse byste tuto odporovou sílu cítili jako odpor. Odůvodněně byste interpretovali odpor jako hmotu částice. Pro duševní domácnost si představte pingpongový míček ponořený ve vodě. Když zatlačíte na pingpongový míček, bude se cítit mnohem mohutnější než mimo vodu. Jeho interakce s vodnatým prostředím má za následek to, že jej dotuje hmotou. Takže s částicemi ponořenými do Higgsova pole.
V roce 1964 předložil Higgs referát do významného časopisu o fyzice, ve kterém matematicky formuloval tuto myšlenku. Příspěvek byl odmítnut. Ne proto, že to obsahovalo technickou chybu, ale protože předpoklad neviditelného něčeho pronikajícího prostoru, interagujícího s částicemi, aby poskytl jejich hmotnost, dobře, to všechno vypadalo jako hromady přemáhaných spekulací. Redaktoři časopisu to považovali za „bez zjevného významu pro fyziku“.
Ale Higgs vytrval (a jeho revidovaná kniha se objevila později v tomtéž roce v jiném časopise) a fyzici, kteří si našli čas na prostudování návrhu, si postupně uvědomili, že jeho myšlenka je úder geniality, ten, který jim umožnil mít dort a sníst ho . V Higgsově schématu si mohou základní rovnice zachovat svoji nedotčenou podobu, protože špinavá práce při poskytování hmot částic je přenesena do životního prostředí.
Zatímco jsem nebyl v okolí, abych byl svědkem prvotního odmítnutí Higgsova návrhu v roce 1964 (dobře, byl jsem tam, ale jen stěží), mohu potvrdit, že v polovině 80. let se hodnocení změnilo. Fyzická komunita se z větší části plně zakoupila do myšlenky, že prostor prostupuje Higgsovo pole. Ve skutečnosti jsem v postgraduálním kurzu vzal, že pokrýval to, co se nazývá Standardní model částicové fyziky (kvantové rovnice fyzici shromáždili, aby popsali částice hmoty a dominantní síly, kterými se navzájem ovlivňují), profesor představil Higgs pole s takovou jistotou, že na dlouhou dobu jsem netušil, že to ještě musí být stanoveno experimentálně. Občas se to stane ve fyzice. Matematické rovnice někdy dokážou vyprávět tak přesvědčivý příběh, že mohou zdánlivě vyzařovat realitu tak silně, že se zakořenily v lidové řeči pracujících fyziků, ještě předtím, než existují data, která by je potvrdila.
Ale pouze s daty lze vytvořit odkaz na realitu. Jak můžeme testovat pole Higgs? Zde přichází Large Hadron Collider (LHC). Když se LHC vine do stovky yardů pod Ženevou ve Švýcarsku, překračuje francouzskou hranici a zpět, LHC je téměř 17 mil dlouhý kruhový tunel, který slouží jako dostihová dráha pro rozbíjení částic hmoty. LHC je obklopeno asi 9 000 supravodivými magnety a je domovem pro proudící hordy protonů, které se pohybují kolem tunelu v obou směrech, které magnety zrychlují, aby se jen vyhýbaly rychlosti světla. Při takových rychlostech protony bičují kolem tunelu asi 11 000krát za sekundu, a když jsou řízeny magnety, zasáhnou miliony srážek v mrknutí oka. Srážky zase vytvářejí ohňostroje podobné spreje částic, které detektory mamutů zachycují a zaznamenávají.
Jednou z hlavních motivací LHC, která stála řádově 10 miliard dolarů a zahrnuje tisíce vědců z desítek zemí, bylo hledat důkazy pro pole Higgs. Matematika ukázala, že pokud je myšlenka správná, pokud jsme opravdu ponořeni do oceánu v Higgsově poli, pak by kolize násilných částic měly být schopny kolísat pole, stejně jako by dvě kolizní ponorky kolísaly vodu kolem nich. A tak často by mělo být jiggling správné vyhodit z pole pole - malou kapičku Higgsova oceánu - která by se objevila jako dlouho hledaná Higgsova částice.
Výpočty také ukázaly, že Higgsova částice by byla nestabilní a rozpadala by se na jiné částice v nepatrném zlomku sekundy. V mřížce srážejících se částic a vlajících mraků úlomků částic vědci vyzbrojení výkonnými počítači hledali Higgsův otisk prstu - vzorec rozkladných produktů diktovaných rovnicemi.
V časných ranních hodinách 4. července 2012 jsem se shromáždil s asi 20 dalšími stagny v konferenční místnosti v Aspen Center for Physics, abych si prohlédl živý proud tiskové konference v zařízeních Large Hadron Collider v Ženevě. Asi před šesti měsíci dva nezávislé týmy vědců pověřené shromažďováním a analýzou dat LHC oznámily silný náznak, že byla nalezena částice Higgs. Říká se, že nyní létají kolem fyzikální komunity, že týmy mají konečně dostatek důkazů, aby stáhly definitivní tvrzení. Ve spojení se skutečností, že samotný Peter Higgs byl požádán o výlet do Ženevy, existovala dostatečná motivace zůstat kolem 3 hodin dopoledne, aby bylo slyšet oznámení naživo.
A jakmile se svět rychle naučil, důkaz, že Higgsova částice byla detekována, byl dostatečně silný, aby překročil práh objevu. Když byla Higgsova částice nyní oficiálně nalezena, publikum v Ženevě propuklo v divoký potlesk, stejně jako naše malá skupina v Aspenu, a bezpochyby desítky podobných shromáždění po celém světě. Peter Higgs utřel slzu.
S rokem zpětného dohledu a dalšími údaji, které slouží pouze k posílení případu Higgsových, zde uvádíme shrnutí nejdůležitějších důsledků objevu.
Za prvé, dlouho jsme věděli, že ve vesmíru jsou neviditelní obyvatelé. Rádiové a televizní vlny. Magnetické pole Země. Gravitační pole. Ale nic z toho není trvalé. Žádný se nemění. Žádný není v celém vesmíru jednotně přítomen. V tomto ohledu je pole Higgs zásadně odlišné. Věříme, že jeho hodnota je stejná na Zemi jako v blízkosti Saturn, v mlhovině Orion, v celé galaxii Andromeda a všude jinde. Pokud víme, Higgsovo pole je nesmazatelně natištěno na prostorovou strukturu.
Za druhé, Higgsova částice představuje novou formu hmoty, která byla široce očekávaná po celá desetiletí, ale nikdy nebyla vidět. Počátkem 20. století si fyzikové uvědomili, že částice mají kromě své hmotnosti a elektrického náboje také třetí definující rys: jejich rotaci. Ale na rozdíl od dětského vrcholu je rotace částic vnitřní funkcí, která se nemění; časem se nezrychluje ani nezpomaluje. Všechny elektrony a kvarky mají stejnou spinovou hodnotu, zatímco rotace fotonů - částic světla - je dvakrát větší než u elektronů a kvarků. Rovnice popisující Higgsovu částici ukázaly, že - na rozdíl od jiných základních druhů částic - by neměla mít vůbec žádnou rotaci. Data od velkého hadronového kříže to nyní potvrdily.
Zjistit existenci nové formy hmoty je vzácný úspěch, ale výsledek má rezonanci v jiné oblasti: kosmologie, vědecké studium toho, jak celý vesmír začal a vyvíjel se do podoby, kterou jsme nyní svědky. Po mnoho let byli kosmologové studující teorii Velkého třesku stymiováni. Shromáždili důkladný popis toho, jak se vesmír vyvíjel od zlomkové sekundy po začátku, ale nedokázali poskytnout žádný pohled na to, co řídilo prostor, aby se začal rozšiřovat na prvním místě. Jaká síla mohla vyvinout takový silný vnější tlak? Pro celý svůj úspěch teorie velkého třesku vynechala ránu.
V 80. letech bylo objeveno možné řešení, které zvoní hlasitě Higgsiánským zvonem. Pokud je oblast vesmíru rovnoměrně naplněna polem, jehož částicové složky jsou bez spinů, pak Einsteinova teorie gravitace (obecná teorie relativity) odhalí, že lze vytvořit silnou odpudivou sílu - třesk a v tom velký. Výpočty ukázaly, že bylo obtížné realizovat tento nápad se samotným Higgsovým polem; dvojí povinnost spočívající v poskytování hmotností částic a tankování třesku je značnou zátěží. Ale bystrí vědci si uvědomili, že umístěním druhého „Higgsovského“ pole (majícího stejnou mizející rotaci, ale jinou hmotu a interakce) mohli rozdělit břemeno - jedno pole pro hmotu a druhé pro odpudivý tlak - a nabídnout přesvědčivé vysvětlení třesku. Z tohoto důvodu teoretičtí fyzikové více než 30 let intenzivně zkoumají kosmologické teorie, v nichž takováto Higgsova pole hrají zásadní roli. Byly napsány tisíce článků v časopisech, které rozvíjely tyto myšlenky, a miliardy dolarů byly vynaloženy na pozorování hlubokého vesmíru hledáním - a nalézáním - nepřímých důkazů, že tyto teorie přesně popisují náš vesmír. Potvrzení LHC, že alespoň jedno takové pole skutečně existuje, staví generaci kosmologické teorizace na mnohem pevnější základ.
Konečně a možná nejdůležitější je objev Higgsovy částice úžasným triumfem matematické schopnosti odhalit fungování vesmíru. Je to příběh, který byl mnohokrát rekapitulován ve fyzice, ale každý nový příklad vzrušuje stejně. Možnost černých děr vyplynula z matematických analýz německého fyzika Karla Schwarzchilda; následující pozorování prokázala, že černé díry jsou skutečné. Kosmologie velkého třesku vyplynula z matematických analýz Alexandra Friedmanna a také Georges Lemaître; následná pozorování také prokázala správnost tohoto vhledu. Koncept antihmoty se poprvé objevil na základě matematických analýz kvantového fyzika Paula Diraca; následné experimenty ukázaly, že i tato myšlenka je správná. Tyto příklady dávají pocit, co znamenal velký matematický fyzik Eugene Wigner, když hovořil o „nepřiměřené účinnosti matematiky při popisu fyzického vesmíru“. Higgsovo pole se vynořilo z matematických studií hledajících mechanismus pro dotování částic hmotou. A znovu matematika prošla s létajícími barvami.
Jako teoretický fyzik jsem jeden z mnoha oddaných objevování toho, co Einstein nazývá „sjednocenou teorií“ - hluboce skryté souvislosti mezi všemi přírodními silami a hmotou, o které Einstein snil, dlouho poté, co byl závislý na fyzice záhadným fungováním kompasu - objev Higgsů je obzvláště potěšující. Naše práce je řízena matematikou a dosud nepřicházela do styku s experimentálními daty. Netrpělivě očekáváme rok 2015, kdy bude obnoven a ještě výkonnější LHC zapnut, protože existuje šance na to, že nová data budou důkazem, že naše teorie směřují správným směrem. Hlavní mezníky by zahrnovaly objev třídy dosud neviditelných částic (nazývaných „supersymetrické“ částice), které naše rovnice předpovídají, nebo náznaky divoké možnosti prostorových dimenzí nad tři, které všichni zažíváme. Ještě více vzrušující by bylo objevení něčeho zcela neočekávaného, který by nás všechny poslal zpět na naše tabule.
Mnoho z nás se snaží tyto matematické hory rozšířit po dobu 30 let, jiné dokonce déle. Občas jsme cítili, že sjednocená teorie je hned za našimi prsty, zatímco jindy opravdu tápeme ve tmě. Je velkou podporou pro naši generaci, aby byla svědkem potvrzení Higgsů, byla svědkem čtyř desetiletých matematických vhledů realizovaných jako lup a praskání v detektorech LHC. Připomíná nám to, abychom si vzali k srdci slova nositele Nobelovy ceny Stevena Weinberga: „Naší chybou není, že bereme naše teorie příliš vážně, ale nebereme je dostatečně vážně. Je vždy těžké si uvědomit, že tato čísla a rovnice, s nimiž hrajeme v našich stolech, mají něco společného se skutečným světem. “Někdy mají tato čísla a rovnice záhadnou, téměř děsivou schopnost osvětlit jinak temné rohy reality. Když to udělají, dostaneme se mnohem blíže k tomu, abychom pochopili své místo ve vesmíru.
