Ukázka elektronické knihy

Sean Carroll

ČÁSTICE
NA KONCI
VESMÍRU

Kterak nás honba
za Higgsovým bosonem
dovedla až na práh nového
světa

ARGO / Dokořán

edice zip

svazek 41

Sean Carroll

Částice na konci vesmíru

Kterak nás honba za Higgsovým bosonem

dovedla až na práh nového světa

Z anglického originálu The Particle at the End of the Universe,

vydaného nakladatelstvím Dutton (Penguin Group) v roce 2012,

přeložil Jiří Podolský

Obálka Pavel Růt s využitím ilustrace CERN

Odpovědný redaktor tištěné knihy Vít Penkala

Grafická úprava a sazba tištěné knihy Vladimír Fára

Příprava elektronických formátů KOSMAS

Odpovědný redaktor e-knihy Oldřich Vágner

E-knihu vydalo v roce 2014 nakladatelství Argo,

Milíčova 13, 130 00 Praha 3, www.argo.cz, argo@argo.cz,

jako svou 2271. publikaci

ve spolupráci s nakladatelstvím Dokořán,

Holečkova 9, 150 00 Praha 5, www.dokoran.cz, dokoran@dokoran.cz,

Elektronické vydání první

ISBN 978-80-257-1061-6 (váz.)

ISBN 978-80-257-1166-8 (e-kniha)

Copyright © 2012 by Sean Carroll

Cover illustration © CERN, 2014

Translation © Jiří Podolský, 2014

Tištěné i elektronické knihy nakladatelství Argo lze pohodlně zakoupit na www.kosmas.cz

Mojí mamince, která mě vzala do knihovny

Lidé zatím ještě nedoceňují dopad nových objevů.

Joe Incandela, mluvčí detektoru CMS na velkém srážeči hadronů LHC

PROLOG

JoAnne Hewettové se točí hlava. Když horlivě mluví do kamery, má jako vždycky na tváři široký úsměv. V pozadí hlasitě hovoří jeden přes druhého další účastníci večírku na švýcarském konzulátu v San Francisku. Sešli se tu, aby oslavili první protony úspěšně kroužící v podzemním tunelu velkého srážeče hadronů LHC na okraji Ženevy, obřího urychlovače částic vybudovaného na francouzsko-švýcarském pomezí. Právě se vydal na svou výzkumnou výpravu za odhalením nejhlubších tajemství našeho vesmíru. Šampaňské teče proudem, a není ani divu. „Na tenhle den jsem čekala dvacet – pět – let!“ volá nadšeně JoAnne.

Píše se rok 2008 a je to vskutku velká chvíle. Částicoví fyzikové už dlouho věděli, jak by měl vypadat další velký krok vpřed: postavit gigantický urychlovač, který by vzájemnými srážkami při obrovských energiích na padrť rozbíjel protony. Nějakou dobu doufali, že takový stroj bude postaven v Americe, ale pak z toho sešlo. Superconducting Super Collider, ve zkratce SSC, měl stát v Texasu a měl to být největší urychlovač všech dob. Když americký Kongres v roce 1983 schválil jeho výstavbu, byla Hewettová v prváku na univerzitě. Stejně jako mnoho dalších chytrých a ambiciózních fyziků tehdejší generace i ona věřila, že očekávané nové objevy se stanou základem její profesionální kariéry.

Ale pak byl projekt zrušen, což vzalo půdu pod nohama všem fyzikům, kteří doufali, že v následujících desetiletích bude SSC utvářet podobu jejich oboru. Všechno zhatila politika, byrokracie a rivalita. Teď však byl urychlovač LHC, který je zrušenému SSC v mnohém podobný, konečně poprvé spuštěn a JoAnne s kolegy jsou zcela připraveni: „Pětadvacet let jsem brala jednu bláznivou teorii po druhé a počítala, jak by se v SSC anebo LHC projevila při identifikaci nových částic.“

Hewetová má však k nadšení ještě další, osobnější důvod. Na videozáznamu má JoAnne svoje zrzavé vlasy ostříhané hodně nakrátko, málem na ježka. Nerozhodla se pro tento účes kvůli módě. Začátkem roku jí totiž diagnostikovali rakovinu prsu s šancí na přežití jen jedna ku pěti. Souhlasila s extrémně agresivním léčebným postupem sestávajícím z kruté chemoterapie a bezpočtu operací. Její dlouhé zrzavé vlasy, pro ni tak typické, rychle zmizely. JoAnne se smíchem přiznává, že občas nepropadala beznaději jen díky tomu, že přemýšlela, jaké nové částice se v LHC objeví.

Znám se s JoAnne už léta, jsme kolegové a přátelé. Já sám se specializuji hlavně na kosmologii, zkoumání vesmíru jako celku, obor, který je díky novým údajům a překvapivým objevům na vzestupu. Částicová fyzika, intelektuální disciplína dnes již neoddělitelná od kosmologie, však hladověla po experimentálních výsledcích, které by převrátily zavedené teorie vzhůru nohama a dovedly nás k novým myšlenkám. Tahle potřeba byla znát už dlouhou dobu. Gordona Wattse z Washingtonské univerzity, který byl na oslavě také přítomen, se zeptali, zda to dlouhé čekání na LHC nebylo stresující. „Jasně že bylo. Tuhle šedivou kštici mám díky tomu. Moje žena sice tvrdí, že to mám z dětí, ale ve skutečnosti za to může LHC.“

Částicová fyzika stojí na prahu nové éry, v níž budou některé teorie vyvráceny, zatímco jiné se možná ukážou být správné. Každý z přítomných fyziků má svůj oblíbený model, jako třeba Higgsovy bosony, supersymetrie, technicolor, dodatečné dimenze, temnou hmotu a spoustu dalších exotických představ se všemožnými, často fantastickými, důsledky.

„Osobně doufám, že LHC objeví něco úplně jiného,“ horlí JoAnne. „Jsem hluboce přesvědčena, že to bude velké překvapení, protože příroda je chytřejší než my a má pro nás v zásobě přichystanou spoustu nečekaných objevů. Ještě si užijeme fůru zábavy, než na všechny přijdeme. Bude to super!“

To bylo v roce 2008. O čtyři roky později je sanfranciská oslava spuštění LHC minulostí, ale právě byla oficiálně zahájena éra nových objevů. JoAnniny vlasy opět dorůstají. Léčba byla trýznivá, ale zabrala. A velký experiment, o kterém celou svou profesionální kariéru snila, se stává realitou. Po čtvrtstoletí pouhého teoretizování začnou být konečně její myšlenky konfrontovány se skutečnými daty. S částicemi a interakcemi, jaké žádný člověk dosud nespatřil, s překvapivými jevy, které před námi příroda až dosud úspěšně tajila.

Přesuňme se tedy v čase vpřed, do 4. července 2012. Právě začala Mezinárodní konference o fyzice vysokých energií. Koná se každé dva roky na nejrůznějších místech po celém světě, tentokrát v australském Melbourne. Stovky částicových fyziků včetně JoAnne zaplnili hlavní auditorium, aby vyslechli speciální přednášku. Vše, co bylo dosud do LHC investováno, se má nyní začít vyplácet. Očekávání jsou obrovská.

Přednáška je vysílána videopřenosem přímo z ženevské laboratoře CERN, která je domovem urychlovače LHC. Vlastně jde o dvě přednášky, jež by za normálních okolností byly obvyklou součástí konferenčního programu. Na poslední chvíli však organizátoři rozhodli, že tak významný okamžik by měli sdílet všichni, kdo mají na obrovském úspěchu LHC zásluhu. Toto rozhodnutí došlo všeobecného ocenění: už hodiny před začátkem přednášky plánovaným na 9 hodinu ráno ženevského času se v CERNU začaly shromažďovat stovky fyziků. Mnozí ve spacácích kempovali v sále přes noc, aby si zajistili dobrá místa.

Přednášku uvádí ředitel CERNu Rolf Heuer. Nejdříve vystoupí americký fyzik Joe Incandela, po něm pak italská fyzička Fabiola Gianottiová. Jejich úlohou je referovat o dvou hlavních experimentech CMS a ATLAS, v nichž se shromažďují a analyzují data z LHC. Na obou experimentech se podílely více než tři tisíce fyziků. Většina z nich po celém světě dychtivě sleduje přímý přenos na monitorech svých počítačů. Mohl ho sledovat opravdu každý, nejenom v Melbourne, ale kdekoli na zeměkouli. Byl to opravdu vhodný komunikační prostředek umožňující všem zúčastnit se oslavy moderní Vědy s velkým „V“, ohromného mezinárodního úsilí na samých hranicích dnešních technických možností, ve kterém jde opravdu o hodně.

V prezentacích Gianottiové i Incandely je trochu cítit nervozita, ale fakta mluví zcela jasně. Oba nejprve velmi upřímně děkují bezpočtu inženýrů a vědců podílejících se na experimentech. Potom pečlivě zdůvodňují, proč bychom výsledkům, které hodlají zveřejnit, měli věřit. Dokazují, že týmy rozumějí tomu, jak jejich přístroje fungují, a že analýza získaných dat je přesná a spolehlivá. Tím si perfektně připravují scénu, na které předvedou, co objevili.

A je to tu. Pár grafů, které nepoučenému člověku nic neřeknou. Ve vzájemné shodě však jasně ukazují, že při jisté konkrétní energii bylo napozorováno o trochu více událostí (shluků částic vylétajících z jediné srážky), než se čekalo. Všichni přítomní fyzikové okamžitě vědí, že to znamená objev nové částice. LHC tedy opravdu zahlédlo nikdy předtím nepozorovanou část reality. Incandela a Gianottiová pečlivě a trpělivě procházejí „nudnou“ statistickou analýzu, jejímž cílem je odlišit opravdový objev od náhodné statistické fluktuace v měřených datech. V obou případech je však výsledek jednoznačný: nový jev je skutečný.

Následuje dlouhotrvající potlesk. V Ženevě, v Melbourne, po celém světě. Zveřejněná data jsou tak přesvědčivá, že to ohromí i řadu odborníků, kteří se na těchto experimentech po léta podíleli. Velšský fyzik Lyn Evans, který více než kdokoli jiný pomáhal LHC proplout mnoha úskalími, jež provázely jeho stavbu, prohlásil, že je „omráčen“ vynikající shodou obou experimentů.

V onen velký den jsem byl v CERNu osobně přítomen, přestrojen na novináře v tiskovém středisku hned vedle hlavního sálu. Není běžné, aby reportéři během událostí, o nichž referují, tleskali. Tentokrát je však přemohla nálada okamžiku. Nešlo totiž jen o úspěch CERNu a fyziky, ale o další mezník v dějinách lidstva.

Myslíme si, že docela přesně víme, co jsme právě objevili: elementární částici nazvanou Higgsův boson na počest skotského fyzika Petera Higgse. Higgs sám, nyní stár 83 let, byl v sále také přítomen. Byl zjevně dojat: „Nikdy jsem si nemyslel, že bych se něčeho takového mohl dožít.“ V sále bylo i několik dalších fyziků, kteří v roce 1964 přišli s podobnou myšlenkou jako Higgs. Ne vždy je pojmenování teorií zcela spravedlivé, ale tohle je chvíle, kterou mohou oslavovat všichni dohromady.

Co je vlastně Higgsův boson? Je to nově objevená částice přírody. A to ne jen tak ledajaká. Higgsův boson má totiž speciální roli. Moderní částicová fyziky zná tři druhy částic. Prvním druhem jsou částice hmoty, jako třeba elektrony a kvarky. Z nich je utvořeno vše, co kolem nás vidíme. Druhým jsou interakční částice, které zprostředkovávají gravitační, elektromagnetické a jaderné síly, jež drží hmotu pohromadě. A pak je zde Higgsova částice, která tvoří svou vlastní osobitou kategorii.

Higgs není důležitý tím, co je, ale tím, jak se projevuje. Higgsova částice je zviditelněním takzvaného Higgsova pole, které vyplňuje celý prostor. Vše v nám známém vesmíru se při pohybu musí prodírat Higgsovým polem, které je sice neviditelné, ale všudypřítomné. A při tom na něm vážně záleží: bez Higgsova pole by elektrony i kvarky měly nulovou hmotnost. Byly by stejně jako fotony nehmotné, a proto by se pohybovaly rychlostí světla. Rozhodně by nemohly tvořit atomy a molekuly, natož pak struktury nezbytné pro vznik života. Higgsovo pole není aktivním hráčem v dynamice obvyklé hmoty, ale jeho přítomnost je naprosto zásadní. Bez něj by svět vypadal úplně jinak. A teď jsme ho konečně objevili.

Možná bychom ještě měli být trochu zdrženliví. Zatím se nám dostalo přesvědčivých svědectví o existenci částice, která se dost podobá Higgsově. Má správnou hmotnost a vzniká i rozpadá se v počtu, jaký jsme zhruba očekávali. Prozatím je ale příliš brzo na to, abychom si byli jisti, že jde opravdu o Higgsovu částici původního nejjednoduššího modelu. Může být i složitější nebo velice komplikovanou spletí provázaných částic. Rozhodně jsme však objevili novou částici, která se chová tak, jak by se Higgsův boson chovat měl. Pro účely této knihy proto budu 4. červenec 2012 pokládat za den, kdy byl oznámen objev Higgsova bosonu. Bude-li realita nakonec složitější, tím lépe. Fyzikové zbožňují překvapení.

Mnozí očekávají, že objev Higgse předznamenává začátek nové éry částicové fyziky. Dobře víme, že před námi leží ještě spousta neznámých souvislostí. Studium Higgsova bosonu nám může pootevřít okno do zatím nespatřeného světa. Experimentátoři jako Gianottiová a Incandela teď mají k dispozicí nový druh hmoty, který mohou studovat. A teoretikové jako Hewettová získali nové stopy, díky nimž mohou nasměrovat své pátrání po nových modelech. V našem chápání světa jsme učinili další velký a dlouho očekávaný krok vpřed.

Toto je příběh lidí, kteří zasvětili své životy objevování konečné podstaty reality, jíž je Higgs dokonalým ztělesněním. Jsou to teoretici, kteří sedí u svých stolů, mají tužku a papír a pohání je kafe a vášnivé debaty s kolegy, při nichž cizelují své abstraktní myšlenky. Jsou to inženýři, kteří neustále posouvají možnosti strojů a elektronických zařízení daleko za hranice soudobých technologií. A především jsou to experimentátoři, kteří propojují stroje se světem myšlenek, abychom se o přírodě dozvěděli něco úplně nového. Špičková fyzika dneška stojí na gigantických projektech stojících miliardy euro, které se připravují celá desetiletí a vyžadují ohromné osobní nasazení a odvahu. Když se ale vše zdaří, natrvalo to změní svět.

Život je krásný. Dejte si ještě sklenku šampaňského.

1. KAPITOLA

OČ JDE

Zeptáme se, proč skupina talentovaných a cílevědomých lidí zasvěcuje život pátrání po věcech tak malých, že je ani nelze spatřit.

Částicová fyzika je podivná činnost. Tisíce lidí utrácejí miliardy euro za stavbu gigantických strojů velkých desítky kilometrů, urychlují v nich subatomární částice téměř na rychlost světla a pak je navzájem srážejí. To vše jenom proto, aby našli a prozkoumali jiné subatomární částice, jež nemají prakticky vůbec žádný vliv na každodenní život kohokoli, vyjma částicových fyziků.

To je jeden možný pohled na celou záležitost. Existuje ale i druhý: částicová fyzika je esencí lidské zvídavosti, touhy poznat vše o světě, ve kterém žijeme. Lidské bytosti si od svého prvopočátku neustále kladou otázky. Touha po poznání se od dob antického Řecka před více než dvěma tisíciletími vyvinula až v dnešní systematické a celosvětové úsilí odhalit základní pravidla, jimiž se řídí vše v tomto vesmíru. Fyzika částic vyvěrá přímo z naší neutuchající touhy po poznání světa. Primární motivací nejsou částice. Motivuje nás vlastní touha pochopit vše, čemu zatím nerozumíme.

Počátek 21. století je v tomto ohledu kritickým bodem. Poslední opravdu překvapující experimentální objev získaný na urychlovači částic se odehrál v 70. letech, tedy před 40 roky. (Přesné datum závisí na tom, co chápeme slovem „překvapující“.) Není to však tím, že by experimentátoři celou tu dobu spali, spíše naopak. Technika se vylepšovala mílovými kroky a zpřístupnila oblasti, které se ještě před pár lety zdály zcela nedostupné. Problém je spíš v tom, že přístroje nezaznamenaly nic nečekaného. Pro vědce, kteří velmi touží po nových překvapeních, to bylo docela frustrující.

Jinak řečeno, problém není v nedostatečných výkonech experimentálních zařízení, ale v tom, že naše teorie jsou příliš dobré! Specializace moderní fyziky způsobila, že se výrazně oddělily role „experimentátorů“ a „teoretiků“, a to zejména v oboru fyziky elementárních částic. Ty tam jsou časy, kdy ještě v první polovině minulého století dokázal geniální italský fyzik Enrico Fermi vymyslet novou teorii slabých interakcí, aby hned nato osobně řídil stavbu reaktoru, ve kterém se uskutečnila první řízená řetězová reakce v dějinách. Dnešní teoretikové čmárají své rovnice na tabule, vytvářejí z nich modely, které následně experimentátoři ověřují pomocí dat nasbíraných extrémně přesnými stroji a detektory. Vynikající teoretici bedlivě sledují výsledky experimentátorů a naopak, ale nikdo už nedokáže ovládnout obojí na špičkové úrovni.

V sedmdesátých letech 20. století byla dobudována naše nejlepší teorie částic, která dnes nese nesmírně nudný a neinspirativní název „standardní model“. Standardní model je teorií kvarků, gluonů, neutrin a všech ostatních elementárních částic, o nichž jste kdy slyšeli. Ale vypadá to, že vědecké teorie stavíme podobně jako hollywoodské hvězdy nebo charismatické politiky na piedestal jen proto, abychom je pak mohli s gustem svrhnout. Slavný fyzik se z vás nestane tím, že ukážete, že teorie někoho jiného je správná, ale tím, že ukážete, kde jeho teorie je špatná. Případně tím, že přijdete s ještě lepší teorií.

Standardní model však zůstává nezlomný. Už desítky let jeden experiment za druhým stále jen potvrzují jeho předpovědi. Celá generace částicových fyziků odrostla a vyšplhala po kompletním akademickém žebříčku od studenta až po řádného profesora, aniž by byla svědkem jediného nového jevu nebo nečekaného objevu, jenž by si žádal vysvětlení. Opravdu dost nesnesitelná situace.

Ale ta se teď naštěstí mění. Velký srážeč hadronů LHC předznamenává novou éru fyziky, ve které začneme rozbíjet částice při energiích, jakých lidstvo dosud nikdy nedosáhlo. A nejde přitom jen o „trochu“ vyšší energie. Dostáváme se do nových oblastí, o nichž jsme léta jenom snili. V nich bychom mohli pozorovat nové částice a možná se dočkat i překvapení, jež před námi síla zvaná „slabá interakce“ dosud úspěšně skrývala.

Jde o hodně a může se stát opravdu cokoli, protože nahlížíme do neznáma. Existuje fůra konkurenčních teoretických modelů předpovídajících, co LHC objeví. Ale co přesně to bude, nelze zjistit, dokud se opravdu nepodíváme. Ústředním tématem je přitom hypotéza o existenci skromné částice, která je posledním kamínkem do mozaiky standardního modelu a současně i krokem dál za jeho rámec: Higgsova bosonu.

Gigantický vesmír složený z malých kousků

Nedaleko pacifického pobřeží Kalifornie, pouhých devadesát minut jízdy na jih z Los Angeles, kde bydlím, leží magické místo, v němž se uskutečňují sny: Legoland. Na Dinosauřím ostrově, v Zábavném městě a jiných atrakcích děti žasnou nad dokonale propracovaným umělým světem postaveným z malých kostiček stavebnice Lego. Z malých umělohmotných bloků, které lze navzájem spojovat v bezpočtu kombinací.

Legoland velmi připomíná skutečný svět. Vše kolem nás je tvořeno spoustou různých materiálů: dřevem, textilem, sklem, kovy, vzduchem, vodou, živými těly, mnoha odlišnými látkami se zcela různými vlastnostmi. Když se na ně ale podíváme hodně zblízka, zjistíme, že ve své podstatě odlišné nejsou. Představují jen různá uspořádání malého počtu fundamentálních stavebních kamenů. Těmito stavebními bloky jsou elementární částice. A stejně jako stavby z Lega jsou také stoly, auta, stromy a lidé poskládáni z několika málo druhů malých částeček. Fascinující rozmanitost světa je dána pouze tím, jak ohromným počtem způsobů lze tyto částečky uspořádat. Atom je asi miliardkrát menší než kostka Lega, ale princip jejich skládání je velmi podobný.

Dnes už nám přijde myšlenka, že hmota je tvořena atomy, zcela samozřejmá. Učí nás ji od základní školy, ve všech učebnách chemie visí velké tabule periodické soustavy prvků. Je snadné přehlédnout, jak úžasný je to fakt. Některé věci kolem nás jsou tvrdé, zatímco jiné měkké. Některé jsou lehké a jiné těžké. Některé jsou tekuté, jiné pevné nebo plynné. Některé jsou průhledné a jiné nikoli. Některé jsou živé a mnohé ne. Ale hluboko pod povrchem těchto vnějších projevů se všechny tyto věci skládají z naprosto stejných substancí. Periodickou soustavu prvků tvoří pouhá stovka druhů atomů. A jejich kombinacemi vzniká naprosto vše kolem nás.

Ve své podstatě je to pradávná idea. Opírá se o naději, že svět dokážeme pochopit pomocí několika málo základních ingrediencí. Různé starověké kultury, babylonská, řecká, indická i další, přišly s pozoruhodnou představou, že existuje pět základních „elementů“. Byly to země, vzduch, oheň, voda a navíc ještě nebeská pátá substance, takzvaná kvintesence neboli éter. (Ano, právě odtud se vzal název filmu Pátý element s Brucem Willisem a Millou Jovovich.) Tak jako v jiných případech, i tuto myšlenku pak důkladně rozpracoval Aristoteles. Přišel s tím, že každé z oněch pěti substancí je určeno její přirozené místo. Například země tíhne dolů, zatímco vzduch přirozeně stoupá. Představoval si, že mícháním elementů v různých kombinacích vznikají všemožné materiály, které pozorujeme.

Řecký filozof Demokritos, žijící před Aristotelem, navrhl, že všechno je tvořeno jistými nepatrnými a nedělitelnými částečkami, jež nazval „atomy“. Nešťastnou shodou okolností použil počátkem 19. století chemik John Dalton tento termín pro označení chemických elementů. Dnes už víme, že chemické atomy vůbec nejsou nedělitelné. Skládají se z protonů a neutronů v jádře, jež obklopuje hejno elektronů. A dokonce i protony a neutrony lze dále rozdělit na menší části zvané „kvarky“.

Kvarky a elektrony jsou dnes opravdovými atomy v Demokritově smyslu nedělitelných stavebních bloků veškeré hmoty. Nazýváme je elementární částice. Dva druhy kvarků, ve fyzikální hantýrce nazývané „u“ a „d“ (z anglického „up“ a „down“), utvářejí protony a neutrony v atomovém jádru. Většinou tedy vystačíme jen se třemi druhy elementárních částic, totiž s elektrony, kvarky u a kvarky d. Z nich lze poskládat úplně všechno, co známe z běžného světa. Je to velký pokrok oproti pěti elementům starověku i periodické soustavě prvků.

Tvrzení, že celý svět lze rozložit na pouhé tři druhy částic, je ale poněkud přehnané. Z elektronů a obou typů kvarků lze sice vytvořit všechna auta, řeky i štěňata, ale kromě nich existují i jiné částice. Dnes jich známe dvanáct, a to šest různých druhů kvarků a šest takzvaných „leptonů“. Kvarky spolu silně interagují uvnitř jader, v protonech a neutronech. Leptony se naopak mohou samostatně pohybovat prostorem. Známe však i částice zprostředkovávající interakce, které udržují elementární částice v různorodých kombinacích. Bez interakčních částic by svět byl opravdu nudné místo: jednotlivé částice by osamoceně bloumaly prostorem a nikdy by spolu neinteragovaly. Všechno ve světě dokážeme vysvětlit pomocí jen několika málo různých ingrediencí. Ale upřímně řečeno, čistě teoreticky by to mohlo být i jednodušší. Moderní částicové fyziky žene touha udělat to ještě líp.

Higgsův boson

Standardní model částic tvoří zmíněných dvanáct elementárních částic hmoty plus skupina částic zprostředkujících silové interakce, které všechno drží pohromadě. Není to zrovna nejúspornější model světa, ale plně vystihuje veškerá dosud provedená měření. Podařilo se nám odhalit stavební prvky skládající vše kolem nás, přinejmenším tady na Zemi. V kosmickém prostoru jsme nadto našli stopy existence temné hmoty a temné energie. Což nám jasně ukazuje, že ještě plně nerozumíme celému vesmíru. Temná hmota a energie určitě leží mimo rámec standardního modelu částic.

Většina objektů standardního modelu spadá buď do kategorie „částic hmoty“, nebo mezi „interakční částice“. Higgsův boson je však něco úplně jiného. Je to jakési ošklivé káčátko, jež nese jméno skotského fyzika Petera Higgse, který ho spolu s několika dalšími vědci vymyslel v 60. letech. Z technického hlediska je to částice zprostředkující interakci, ale hodně se liší od těch, které jsme až dosud poznali. Pro teoretického fyzika je Higgsova částice poněkud zvláštním a podivným doplňkem jinak dokonalé konstrukce elementárních částic. Kdyby Higgsův boson neexistoval, byl by standardní model ztělesněním dokonalé elegance. S Higgsovým bosonem je to tak trochu binec. A pátrání po pachateli se navíc ukázalo být hodně náročné.

Tak proč si tolik fyziků opravdu myslí, že Higgsův boson musí existovat? Asi jste už slyšeli různá zdůvodnění, jako například že „uděluje hmotnost ostatním částicím“ nebo že „narušuje symetrie“. Obojí je pravda, ale zpočátku je poněkud obtížně pochopit, o čem je přesně řeč. Podstatné je, že bez Higgsova bosonu by standardní model vypadal úplně jinak a nepopisoval by náš skutečný svět. S Higgsovým bosonem je však dosaženo dokonalé shody mezi teorií a realitou.

Teoretičtí fyzikové se řadu let usilovně snažili budovat teorie, v nichž Higgsův boson nevystupuje, nebo má úplně jiné vlastnosti než jeho standardní verze. Při konfrontaci s experimentálními daty ale většina takových teorii nepřežila a zbylé dnes vypadají vyumělkované. Určitě žádná není jasným vylepšením.

A teď jsme Higgsovu částici konečně objevili. Anebo něco, co se jí velmi podobá. Podle toho, jak precizní ten který fyzik je, říká buď, že „jsme objevili Higgsův boson“, nebo že „jsme objevili higgsovskou částici“, či dokonce že „jsme objevili částici vypadající jako Higgsova“. Oficiální oznámení ze 4. července 2012 tvrdilo, že částice se chová velmi podobně, jak by se od Higgsova bosonu očekávalo – rozpadá se na jiné částice víceméně tak, jak bychom čekali. Stále je ale příliš brzo a při sbírání dalších dat nás mohou čekat ještě mnohá překvapení. Ne všichni fyzikové si přejí, aby věci fungovaly podle našich nejjednodušších představ. Mnohem zajímavější a zábavnější je čas od času objevit něco úplně nečekaného. Existují určité náznaky, že nová částice by se v něčem mohla chovat odlišně. Realitu odhalí až další experimenty.

Proč nás to vlastně zajímá

Místní rozhlasová stanice mě jednou požádala o rozhovor na téma částicové fyziky, gravitace a kosmologie. Bylo to v roce 2005, kdy se slavilo sté výročí Einsteinova „zázračného roku“ 1905, ve kterém publikoval několik naprosto přelomových článků, jež převrátily klasickou fyziku vzhůru nohama. Usilovně jsem se snažil posluchačům vysvětlit nezbytné abstraktní pojmy a široce jsem přitom máchal rukama, i když jsem věděl, že mluvím do rádia.

Redaktor vypadal spokojeně, ale když jsme skončili a on balil svá rozhlasová fidlátka, cosi mu blesklo hlavou. Zeptal se, jestli bych mu mohl zodpovědět ještě jednu otázku. Rozšafně jsem ho ubezpečil, že ano, načež on znova rozbalil svůj mikrofon i sluchátka a položil mi prostou otázku: „A proč by to mělo někoho zajímat?“ Nic z to, o čem jsem předtím hovořil, přece nepomůže v léčbě rakoviny ani nevyrobí levnější mobily.

Zformuloval jsem odpověď, která mi i po letech přijde smysluplná: „Když je vám šest, pořád se ptáte na různé věci. Proč je nebe modré? Proč věci padají na zem? Proč jsou některé věci studené a jiné horké? Jak to všechno funguje?“ Nikdo nás v mládí nemusí učit zájmu o vědu, protože všechny děti od přírody lační po vědění. Tato vrozená zvídavost je v nás ubita až později léty strávenými ve školních učebnách a neúprosným tlakem každodenního života. Začneme se zajímat o to, jak získat práci, jak poznat skvělého partnera, jak vychovat vlastní děti. Přestaneme se ptát, jak funguje svět, a začneme se ptát, jak bychom ho mohli uzpůsobit, aby fungoval pro nás. Našel jsem odborné psychologické studie, podle nichž děti až do věku 10 až 14 let opravdu milují vědu.

Dnes, kdy se lidstvo už přes čtyři století intenzivně zabývá vědeckým bádáním, můžeme těm šestiletým dětem uvnitř každého z nás nabídnout docela dost správných odpovědí. O fyzikálním světě toho víme tolik, že dosud nezodpovězené otázky leží v hodně vzdálených oblastech vesmíru nebo v extrémních prostředích. V oborech jako biologie nebo věda o nervovém systému není problém položit otázku, na kterou známe jenom mlhavou odpověď. Ale fyzika, přinejmenším ta její část, která se zabývá elementárními stavebními kameny reality, posunula hranice neznámého tak daleko, že nám nezbývá než stavět gigantické urychlovače a teleskopy, abychom posbírali nová data, jež by stávající teorie neuměly vysvětlit.

Historie vědy znovu a znovu ukazuje, že základní výzkum, který je motivován čistě jen lidskou zvídavostí a nikoli snahou o bezprostřední zisk, je (možná paradoxně) tou nejlepší strategií, jak dosáhnout enormních a hmatatelných zisků. Už dávno, v roce 1831, se Michaela Faradaye, jednoho z průkopníků dnešního chápání elektromagnetismu, jistý politik dotázal, jaký že konkrétní užitek by mohl vzejít z tehdy nově zrozeného odvětví „elektřiny“. Faraday mu prý dal následující odpověď: „Nemám potuchy, ale vsadím se, že jednoho dne to vaše vláda zdaní.“ (Důkazy, že by tento rozhovor opravdu proběhl, jsou poměrně vágní. Nicméně je to natolik dobrá historka, že ji lidé stále opakují.) O sto let později se největší vědecké mozky usilovně snažily přijít na kloub zcela novému oboru, kvantové mechanice. Prvotní impulz vzešel z několika rozporuplných experimentálních výsledků a vše nakonec vyústilo v revoluci v samotných základech fyziky. Tenkrát to byla ryze akademická debata, ale zanedlouho nás dovedla až k tranzistorům, laserům, supravodičům, LED i všemu, co dnes víme o jaderné energii (a jaderných zbraních). Bez základního výzkumu v kvantové teorii by dnešní svět vypadal úplně jinak.

A dokonce i obecná relativita, Einsteinova brilantní teorie zakřiveného prostoru a času, dnes přináší své plody v podobě technických aplikací. Kdykoli používáte globální poziční systém GPS, abyste zjistili přesnou polohu na Zemi, opíráte se o obecnou teorii relativity. GPS jednotka, kterou máte ve svém mobilu nebo v navigačním systému auta, přijímá signály z několika družic a přesného časování těchto signálů pak používá k triangulaci polohy. Podle Einsteina však hodiny na obíhající družici (tedy ve slabším gravitačním poli) tikají nepatrně rychleji než stejné hodiny umístěné na zemském povrchu. Je to jenom nepatrný efekt, ale kumuluje se. Kdybychom správně nezapočetli korekce plynoucí z teorie relativity, signály GPS by zanedlouho byly zcela nepoužitelné. Během jediného dne by chyba v určení vaší polohy na zeměkouli přesáhla mnoho kilometrů.

Avšak technické aplikace, jakkoli jsou důležité, pro mě či JoAnne Hewettovu nebo většinu experimentálních fyziků, kteří tráví spoustu času stavbou detektorů a analýzou dat, nejsou primární. Jsou úžasné, pokud se objeví, a nikdo z nás by neprotestoval, kdyby se například někdy v budoucnu podařilo využít Higgsova bosonu coby léku proti stárnutí. Ale kvůli tomu ho nehledáme. Pátráme po něm, protože jsme zvědaví. Higgs je poslední kamínek do mozaiky našeho obrazu světa, který jsme tak dlouho budovali. Samotný jeho objev je nám tou největší odměnou.

Velký srážeč hadronů

Higgsův boson bychom nemohli objevit bez urychlovače LHC, což je zkratka anglického názvu Large Hadron Collider znamenající „velký srážeč hadronů“. Další všední jméno pro zařízení, které je jedním z nejúchvatnějších ztělesnění lidské touhy po objevech. LHC je největší a nejsložitější stroj, jaký kdy lidstvo postavilo. Stál zhruba sedm miliard eur. Jeho stavitelé doufají, že bude spolehlivě fungovat padesát let. Tak moc trpěliví ale nejsou. Nejradši by učinili pár světoborných objevů ihned.

LHC je v každém ohledu kolosální. První úvahy o něm se datují do 80. let, souhlas s jeho stavbou padl v roce 1994. Ještě než byl spuštěn, se LHC dostal do hlavních zpráv, protože skupina lidí podala žalobu kvůli obavám, že by urychlovač mohl vyrobit černé díry, jež by pohltily celou zeměkouli. Žalobu se podařilo úspěšně odvrátit, a tak byl obří urychlovač v roce 2009 opravdu uveden do provozu.

Dne 13. prosince 2011 se zainteresovaní fyzikové s mnoha dalšími zájemci po celém světě shromáždili v seminárních místnostech a u počítačů, aby si na dálku vyslechli dvě přednášky vědců z LHC. Tématem bylo pátrání po Higgsově bosonu, což je poměrně časté téma fyzikálních seminářů a jeho závěr skoro vždy zněl: „Pátrání úspěšně pokračuje! Držte nám palce!“ Tentokrát to ale bylo jiné. Po internetu se už několik dní šířily neoficiální zvěsti, že vzkaz by mohl znít: „Dobrá, možná už něco zajímavého vidíme. Asi jsme konečně našli známku toho, že Higgsův boson skutečně existuje.“

A opravdu, měření LHC naznačila existenci Higgsovy částice. Byly to však pouze první náznaky, nikoli definitivní verdikt. Obří urychlovač dlouho srážel protony při neuvěřitelně velkých energiích a dva jeho gigantické detektory sledovaly, jaké částice z těchto srážek vylétaly. Několikrát při tom zaznamenaly, že dva fotony (kvantové částice světla) s určitou velmi vysokou energií vznikají o něco častěji, než kdyby žádný Higgsův boson neexistoval. Nebyl to sice prokazatelný objev, ale měření naznačila, že se v dané oblasti něco zajímavého děje. Že vědci jsou na správné stopě. Rolf Heuer zakončil tiskovou konferenci květnatými slovy: „Nashledanou příští rok při ohlášení objevu.“

A tak se i stalo. Dne 4. července 2012 se odehrály další dva semináře, na nichž byly prezentovány aktualizované údaje z pátrání po Higgsově bosonu. Tentokrát už nešlo jen o vzrušující náznaky. Bezpochyby šlo o objev nové částice. Tisíce vědců po celém světě nadšeně tleskaly. A současně si i mnozí z nich oddychli, že LHC byl úspěšný.

Mezník

Fyzika elementárních částic stojí dnes na důležité křižovatce. Ztělesňuje nejhlubší touhy lidstva po poznání toho, jak funguje vesmír. Ale také je nesmírně drahá. Její budoucnost je proto nejistá.

Pátrání po Higgsově bosonu není jenom příběh subatomárních částic a jakýchsi „ezoterických“ představ. Je to i záležitost spousty peněz, politiky a rivality. Projekt s tolika lidmi, bezprecedentní mezinárodní spoluprací a množstvím převratných technických inovací není možný bez jisté dávky zákulisních vyjednávání, tahanic a občasných intrik.

LHC není první gigantický urychlovač, jehož úkolem bylo pátrat po Higgsově částici. V roce 1983 byl v USA uveden do provozu Tevatron ve Fermilabu poblíž Chicaga. Úspěšně fungoval až do září 2011. Během té doby objevil například nejtěžší „top“ kvark, Higgsův boson ale najít nedokázal. Mezi léty 1989 a 2000 pracoval v podzemním tunelu laboratoře CERN (kde je dnes LHC) urychlovač LEP, Large Electron-Positron Collider. V něm se nesrážely hodně hmotné protony, které produkují ohromné spršky všemožných částic, ale elektrony s jejich antičásticemi, pozitrony. Toto uspořádání umožňovalo provádět velice přesná měření, ale žádné z nich Higgsovu částici neodhalilo.

A pak tu byl projekt supravodivého supersrážeče SSC, o němž v prologu hovořila Hewettová. SSC byl americkou verzí LHC. Měl být dokonce o něco větší, lepší a podle původních plánů z 80. let měl fungovat mnohem dříve. Měl dosahovat téměř třikrát větších energií než projekt LHC (to je pětkrát více než LHC dnes, před plánovanou přestavbou). LHC má ale oproti SSC nespornou výhodu: byl opravdu postaven.

Už po pár letech činnosti přinesl urychlovač LHC unikátní objev částice, jež vypadá jako Higgsův boson. Jedna éra fyziky částic tím skončila, ale další začala. Higgs není jen jedna další částice do počtu. Je to částice velmi speciální, která velmi přirozeně dokáže interagovat s částicemi, které jsme dosud nespatřili. Dobře víme, že standardní model neposkytuje konečnou odpověď na otázky o podstatě vesmíru. Jasným důkazem je například temná hmota, kterou přesvědčivě prokázali astronomové. Higgsův boson se tak může stát bránou spojující náš známý svět s dalším, který dosud ležel mimo náš dosah. Jeho objevením se před námi otevřelo pole výzkumu, na němž budeme nyní pracovat desítky let.

Dlouhodobá perspektiva experimentální částicové fyziky nicméně zůstává nejasná. Před stoletím či ještě před padesáti lety bylo možné relativně snadno učinit fundamentální objevy pomocí přístrojů, které dokázalo navrhnout a postavit pár odhodlaných vědců s týmem svých studentů. Ty časy jsou už dávno pryč. Jestliže nám LHC poskytne jenom objev Higgsovy částice a jinak nic, bude prakticky nemožné přesvědčit skeptické vlády, aby uvolnily obrovské sumy peněz na stavbu další generace urychlovačů.

Stroje jako LHC představují investici v řádu miliard eur, ale také mnohaleté úsilí tisíců vysoce kvalifikovaných specialistů, kteří zasvětili celé své životy odhalování hlubokých tajemství přírody. Jsou to lidé jako Lyn Evans, jenž pomáhal projektovat LHC, JoAnne Hewettová, která prozkoumala důsledky bezpočtu teoretických modelů, nebo Fabiola Gianottiová a Joe Incandela, kteří vedly týmy experimentátorů k historickému úspěchu. Na počátku to od nich byla krajně nejistá sázka na to, že nový stroj učiní epochální objev. Rozhodli se dát v sázku mnoho let své profesionální kariéry. Objev Higgsovy částice je sladká odměna za jejich velké úsilí. Jak ale říká Hewettová, nám jde hlavně o zcela nečekané překvapení, o objev, který nikdo nepředvídal. Teprve ten by nás posunul dál.

A historie nás učí, že příroda nás překvapit umí.

Toto je jen ukázka elektronické knihy, obsahuje pouze vybrané kapitoly.

Toto je jen ukázka elektronické knihy, obsahuje pouze vybrané kapitoly.

Toto je jen ukázka elektronické knihy, obsahuje pouze vybrané kapitoly.

Toto je jen ukázka elektronické knihy, obsahuje pouze vybrané kapitoly.

Toto je jen ukázka elektronické knihy, obsahuje pouze vybrané kapitoly.

Toto je jen ukázka elektronické knihy, obsahuje pouze vybrané kapitoly.

Toto je jen ukázka elektronické knihy, obsahuje pouze vybrané kapitoly.

Toto je jen ukázka elektronické knihy, obsahuje pouze vybrané kapitoly.

Toto je jen ukázka elektronické knihy, obsahuje pouze vybrané kapitoly.

Toto je jen ukázka elektronické knihy, obsahuje pouze vybrané kapitoly.

Toto je jen ukázka elektronické knihy, obsahuje pouze vybrané kapitoly.

Toto je jen ukázka elektronické knihy, obsahuje pouze vybrané kapitoly.

Toto je jen ukázka elektronické knihy, obsahuje pouze vybrané kapitoly.

Toto je jen ukázka elektronické knihy, obsahuje pouze vybrané kapitoly.

Toto je jen ukázka elektronické knihy, obsahuje pouze vybrané kapitoly.

Toto je jen ukázka elektronické knihy, obsahuje pouze vybrané kapitoly.

Toto je jen ukázka elektronické knihy, obsahuje pouze vybrané kapitoly.

Toto je jen ukázka elektronické knihy, obsahuje pouze vybrané kapitoly.

Toto je jen ukázka elektronické knihy, obsahuje pouze vybrané kapitoly.

Toto je jen ukázka elektronické knihy, obsahuje pouze vybrané kapitoly.