Novákoviny

stránky publicisty Jana A. Nováka

Nobelovy cena za fyziku: co drží vesmír pohromadě

nobel1Včerejší vyhlášení laureátů letošních Nobelových cen za fyziku se sice z neznámých důvodů opozdilo skoro o hodinu, ale nakonec se svět jména oceněných přece jen dověděl. Výsledek mnozí očekávali: cenu dostal Brit Peter W. Higgs a Belgičan Francois Englert. Důvod očekávání naznačuje jméno prvního z oceněných. Částice známá jako Higgsův boson je jedním z největších hitů současné fyziky a Nobelova cena za ni dříve nebo později musela padnout. Higgsův boson se dlouho nedařilo polapit - a když se to konečně povedlo, byla radost fyziků velká. Bez ní by totiž současná představa o stavbě našeho vesmíru nefungovala.

 

Oficiální zdůvodnění letošního výběru laureátů říká, že cenu dostali za "teoretický popis mechanismu, který přispěl k našemu porozumění toho, proč mají subatomové částice hmotnost a který byl v současnosti potvrzen objevem základní částice při experimentech ATLAS a CMS na urychlovači LHC v CERN".

 

Cena jen pro živé

Z poněkud kostrbaté souvětí asi většina laiků moc moudrá nebude - tak trochu jednodušeji. Pánové Higgs a Englert už před několika desetiletími vymysleli teorie, které vysvětlují, proč je vesmír takový, jaký je, proč věci drží pohromadě, proč máme hmotnost.

nobf1Podílel se na nich i Robert Brout, který se však zemřel před dvěma lety. A pravidla Nobelovy závěti jsou jasná: cenu může dostat pouze žijící vědec...

 

obr: Peter Brout by nejspíš letošní Nobelovu ceny za fyziku dostal také. Smrt ale byla rychlejší než nobelovský výbor - cenu mohou dostat pouze žijící vědci

 

 

Všechno, co autoři těchto teorií předpověděli, se postupně dařilo potvrzovat pomocí experimentů. Jen jediná předpovězená částice fyzikům stále unikala - a přitom to byla ta nejdůležitější, bez níž by se celá stavba rozpadla. Začalo se jí říkat Higgsův boson a vědci na ní rozpoutali skutečnou štvanici.

Když se Higgsův boson nedávno konečně podařilo polapit pomocí obřího urychlovače Large Hadron Collider (LHC) patřící Evropské organizaci pro jaderný výzkum (CERN), byl dobrý důvod oslavit to Nobelovými cenami.

 

Od bakterií až po černé díry

Podle současných představ je celý vesmír od baktérií až po galaxie a černé díry sestaven z několika málo subatomových částic držících pohromadě díky několika fyzikálním silám. Této konstrukci se říká Základní model. Předpokládá, že veškerá hmota vesmíru se skládá z šesti druhů částic zvaných kvarky a šesti druhů částic zvaných leptony. Všechny její pozorovatelné projevy pak má na svědomí čtveřice sil (interakcí). Jedině tak se vše, co pozorujeme, dá sladit jak s Einsteinovou teorií relativity, tak i se zákony kvantové mechaniky.

nobf2

obr: Při srážkách v obřích urychlovačích vznikají miliony subatomových částic. Najít mezi nimi stopy po Higgsově bosonu byla mravenčí práce zaměstnávající tisíce vědců

 

 

Důležitou součástí Základního modelu je teorie, kterou v 60. letech vytvořili Peter Higgs, Francois Englert a Robert Brout. Ta říká že (zjednodušeně řečeno) existuje částice pocházející z jakéhosi neviditelného pole vyplňujícího celý vesmír a díky níž mají ostatní částice hmotnost. Právě ta tedy svým způsobem drží náš vesmír pohromadě.

Existenci všech částic předpovězených touto teorií se postupně dařilo dokázat - s výjimkou jediné: Higgsova bosonu. A ten je pro standardní model nesmírně důležitý, protože - velmi zjednodušeně řečeno - celou jeho konstrukci drží pohromadě. Právě proto mu americký fyzik a nositel Nobelovy ceny Leon Ledermann dal v jedné ze svých knih (The God Particle) přezdívku božská částice, což se mezi laiky vžilo, zatímco fyzikové to neslyší rádi.

Své skutečné jméno dostal Higgsův boson po Peteru Higgsovi (1929) z University of Edinburgh. Ten společně s dalšími kolegy už v 60. letech minulého století popsal tzv. Higgsův mechanismus, což je (opět velmi zjednodušeně řečeno) proces, který ostatním elementárním částicím umožňuje, aby měly hmotnost. Je tedy mimo jiné i zodpovědný za existenci gravitace - ale především za to, že existují atomy, molekuly a hmota vůbec. Že tedy je náš vesmír takový jaký je (včetně nás) a nikoliv jen polévka volně poletujících subatomových částic.

Šanci polapit božskou částici měly jen mimořádně výkonné obří urychlovače. Fyzikové si hodně slibovali od amerického urychlovače Tevatron, ten však byl z úsporných důvodů zrušen dřív než mohl uspět. Všechno tedy zůstalo na evropském urychlovači LHC (Large Hadron Collider) v Ženevě - v podstatě šlo o jeden z hlavních důvodů proč byl tento gigantický stroj postaven.

 

Stroj na Velký třesk

Urychlovač je zařízení, v němž silné elektromagnetické pole vrhá elektricky nabité jaderné částice proti jiné hmotě a rozbíjí je na menší části. To umožňuje fyzikům ověřovat teorie o stavbě hmoty a silách, které mezi jejími složkami působí, i o původu a vývoji vesmíru. LHC je vestavěn do podzemního tunelu na hranicích Švýcarska a Francie v hloubce 50 metrů, který má tvar kruhu s obvodem 27 kilometrů.

nobf3Od svých předchůdců se LHC neliší jen rozměry, ale 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.

 

obr: Large Hadron Collider (LHC)

 

Ještě významnější rozdíl spočívá v tom, že v LHC se urychlená částice (zjednodušeně řečeno) nesrážejí 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. Protože se její energie zkoncentruje na nepatrné ploše, na krátký okamžik přitom nastávají podmínky, které se již příliš neliší od poměrů během Velkého třesku, při němž vznikl vesmír. Citlivé detektory rozmístěné kolem přitom sledují, jaké částice se při srážce uvolnily.

Celkem přibližně 3000 vědců pracujících ve dvou skupinách na experimentech ATLAS a CMS pořádalo v tunelech LHC hon na božskou částici. Hledali ji mezi miliardami jiných – a loni 4. června konečně oznámili, že našli něco, co by mohlo být Higgsovým bosonem. Později se to i potvrdilo. Byl to jeden z nejvýznamnějších fyzikálních objevů poslední doby. Roku 2012 však už bylo na nominaci fyziků spojených s Higgsovým bosonem  pozdě, protože ty se uzavírají už v únoru. Letos ale byl výsledek do značné míry předvídatelný.

Standardní model se tak stal teorií potvrzenou experimentem, přesto však nejde o konečný cíl fyziků, který by vysvětloval vesmír jako celek a kterému se někdy také říká Teorie všeho. Standardní model vysvětluje pouze vlastnosti viditelné hmoty, která však tvoří pouze malou část celkové hmotnosti našeho vesmíru (přibližně jednu pětinu). Zbytek se skládá z mysteriózní temné hmoty, o níž zatím víme jen velmi málo.

Jan A. Novák

 

Přílohové texty

Francois Englertnobf-englert

Narodil se 6. listopadu 1932 v židovské rodině v Belgii. Válku přežil v dětském domově, který tajil jeho původ, poté vystudoval fyziku na Svobodné bruselské univerzitě (ULB), kde roku 1959 získal doktorát. Pak dva roku pracoval v USA na Cornell University (Ithaca, stát New York). Roku 1961 se vrátil na ULB, kde působí dodnes. Kromě toho působí také na kalifornské Chapman University v jejím Institutu pro kvantová studia a na univerzitě v Tel Avivu. V roce 1964 společně s Robertem Broutem (1928- 2011) vypracovali teorii, podle níž subatomové částice získávají hmotnost díky interakcím s polem prostupujícím celý vesmír, prostřednictvím tehdy ještě neznámé částice (dnes Higgsovo pole a Higgsův boson). Pracovali přitom nezávisle na P. Higgsovi.

 

Peter Ware Higgsnobf-higgs

Narodil se 29. května 1929 v anglickém Elswicku, otec byl Angličan, matka pocházela ze Skotska. Vystudoval fyziku na londýnské Kings College, kde roku 1954 získal doktorát. Přednášel na několika univerzitách, od roku 1960 působil na Edinburgské universitě,kde je po odchodu do důchodu emeritním profesorem. V Edinburgu se zabýval otázkami hmotnosti subatomových častic a vypracoval teorii jejího původu, které se dnes říká Higgsův mechanismus. Je držitelem celé řady vědeckých ocenění, roku 2012 po něm univerzita v Edinburgu pojmenovala své centrum teoretické fyziky. Je členem Greenpeace a účastnil se aktivit za jaderné odzbrojení.

Jan A. Novák

Psáno pro Hospodářské noviny

 

Přidat komentář


Bezpečnostní kód
Obnovit

 
Free Joomla Templates: by JoomlaShack