V skutočnosti je to takto: Higgsov bozón naozaj veľmi úzko súvisí s hmotnosťami elementárnych častíc, ale nijakú záhadu pôvodu hmotností nevyriešil. Nevyriešil ju hneď z niekoľkých dôvodov, pričom tým úplne najzákladnejším je jednoduchý fakt, že nijaká takáto záhada pred Higgsovým bozónom neexistovala.
Teória elementárnych častíc nemala pred vstupom Higgsovho bozónu na scénu nijaký problém s hmotnosťami. Otázka, prečo má väčšina elementárnych častíc nejakú (nenulovú) hmotnosť, fyzikov vôbec netrápila. Brali to ako prostý experimentálny fakt a keďže tento fakt nespôsoboval nijaké teoretické problémy, nikto sa nad ním nepozastavoval. Naopak, ak si niečo pýtalo vysvetlenie, tak to bol presne opačný fenomén – fenomén bezhmotnosti, t.j. nulovej hmotnosti niektorých častíc.
Medzi elementárnymi časticami, z ktorých sa skladá všetka nám známa hmota, sú častice s nenulovou aj častice s nulovou hmotnosťou. Elektróny, neutrína aj kvarky majú rôzne nenulové hmotnosti a ani jedna z nich nie je ničím výnimočná – ak by boli o máličko väčšie alebo menšie, nič svetoborné by sa zrejme nestalo. Na druhej strane fotóny a gluóny majú nulovú hmotnosť, ktorá výnimočná je a ak by bola čo len o trošičku iná, svet by asi vyzeral úplne inak.
Prečo je to tak? Prečo musí byť hmotnosť niektorých častíc presne, a nielen približne nulová? Odkiaľ pochádza také striktné obmedzenie? Toto je v skutočnosti asi hlbšia a zaujímavejšia otázka, než to, odkiaľ pochádzajú ničím neobmedzené nenulové hmotnosti.
.poslovia s nulovou hmotnosťou
Akú úlohu vlastne hrajú bezhmotné častice v stavbe nášho sveta? Na to sa dá odpovedať vcelku jednoducho: tieto častice – fotóny a gluóny – sprostredkúvajú interakcie medzi hmotnými časticami – kvarkami, elektrónmi a neutrínami. Len vďaka gluónom vytvárajú kvarky atómové jadrá a len vďaka fotónom vytvárajú jadrá a elektróny atómy.
No ale načo sú tam tie fotóny a gluóny vlastne potrebné? Nemohli by sa kvarky a elektróny viazať do jadier a atómov bez sprostredkovateľov? Nuž, zdá sa, že nemohli. Všetky teórie kvarkov, elektrónov a neutrín, ktoré opisujú ich priame, nesprostredkované interakcie, totiž dávajú nezmyselné výsledky – namiesto rozumných čísel v nich vychádzajú nekonečná. Zmysluplné teórie, ktoré majú šancu byť realistickým opisom prírody, sú len tie so sprostredkovateľmi.
Títo sprostredkovatelia alebo poslovia pritom môžu byť len dvoch typov: buď sa nevrtia, alebo sa vrtia určitým špecifickým spôsobom (poznámka pre znalcov: reč je o časticiach so spinom nula a spinom jedna). Nevrtiaci sa poslovia dávajú teórie bez nekonečien, vrtiaci sa dávajú skoro vždy nezmyselné teórie s nekonečnami. Ale v jednom výnimočnom prípade dostaneme rozumnú teóriu aj s vrtiacimi sa poslami. Ide o prípad, keď je splnená istá veľmi špecifická podmienka, ktorej hovoríme kalibračná symetria (nech už to znamená čokoľvek).
Ktorú z dvoch možností si vybrala príroda na spájanie kvarkov a elektrónov do jadier a atómov? Nevrtiacich sa poslov alebo vrtiacich sa poslov s kalibračnou symetriou? Vybrala si druhú možnosť – fotóny aj gluóny sa vrtia.
A ako to súvisí s nulovou hmotnosťou týchto poslov? Nuž, ukazuje sa, že nenulová hmotnosť poslov ničí kalibračnú symetriu, a teda aj zmysluplnosť teórie. Ak majú mať teórie s fotónmi a gluónmi zmysel, musia mať tieto častice presne nulovú hmotnosť. Ľubovoľne malá zmena tejto nulovej hmotnosti ničí dobré vlastnosti teórie a z nádejného popisu fundamentálnych zákonov fyziky sa stáva nepoužiteľná blbosť.
.poslovia s veľkou hmotnosťou
Fotóny a gluóny spolu s kvarkami a elektrónmi dali v princípe odpoveď takmer na všetky otázky atómovej a jadrovej fyziky. Nezodpovedanými zostali len otázky, týkajúce sa niektorých rozpadov rádioaktívnych jadier. A tie nakoniec viedli k doplneniu teórie elementárnych častíc o ďalších sprostredkovateľov, ktorí sa na fotóny a gluóny podobali na jednej strane úplne a na druhej strane vôbec.
Spomínané rozpady sa takmer podarilo vysvetliť pomocou ďalších vrtiacich sa poslov, ktorí dostali mená W a Z bozón. Lenže bol tu jeden problém. Títo poslovia nemohli byť bezhmotní – pri nulovej hmotnosti poslov dávala teória výsledky v úplnom rozpore s výsledkami experimentov. Experimentálne dáta si žiadali nielenže nenulovú, ale dokonca veľmi veľkú hmotnosť poslov.
Nuž ale, ak by mali poslovia nenulovú hmotnosť, pokazili by kalibračnú symetriu a tým aj rozumnosť celej teórie. To však znamenalo, že W a Z bozóny potrebovali mať dve navzájom úplne nezlučiteľné vlastnosti – hmotnosť jednak presne nulovú a jednak veľmi veľkú.
Východisko z tejto zdanlivo neriešiteľnej situácie našli nezávisle od seba Abdus Salam a Steven Weinberg. A využili pri tom pozoruhodnú vec, ktorú si pred nimi všimol Peter Higgs a niekoľko ďalších ľudí. Tí zistili, že za istých špeciálnych okolností môžu mať vrtiaci sa poslovia nenulovú hmotnosť a pritom nepokaziť kalibračnú symetriu.
Ako to funguje? Rafinovane. Najprv sa vezme teória s bezhmotnými W a Z bozónmi a do tejto teórie sa pridajú ďalšie častice (tentoraz také, čo sa nevrtia). Dôležité pritom je, že sa pridajú spôsobom, ktorý kalibračnú symetriu síce zdanlivo pokazí, ale v skutočnosti ju len vtipne schová. Symetria prestane byť zjavná, ale zostane v hre, vďaka čomu dáva teória konečné výsledky.
A ako to súvisí s nenulovou hmotnosťou spomínaných poslov? Nuž, keď sa to všetko poriadne preskúma, tak vysvitne, že pôvodne bezhmotné W a Z bozóny sa spolu s pridanými časticami správajú presne tak, ako by sa správali hmotné W a Z bozóny. Ešte raz a pomaly: pôvodne bezhmotné W a Z bozóny sa spolu s tými vhodne pridanými časticami správajú na nerozoznanie od toho, ako by sa správali hmotné W a Z bozóny bez tých pridaných častíc. Tomuto zázraku, ktorý umožňuje W a Z bozónom mať veľké hmotnosti a pritom nepokaziť rozumnosť teórie, sa hovorí Higgsov mechanizmus.
.neposlovia s rôznymi hmotnosťami
Keď Salam a Weinberg vypracovali svoju teóriu W a Z bozónov, založenú na Higgsovom mechanizme, ukázala sa jedna dôležitá vec. Išlo o to, že hoci na dodanie hmotnosti W a Z bozónom potrebovali pridať do teórie len tri nevrtiace sa častice, kalibračná symetria teórie si vyžadovala pridanie minimálne štyroch takých častíc. Tri z nich sa potom stali takpovediac súčasťou ťažkých W a Z bozónov, štvrtá tam ostala strašiť. Nuž a práve táto štvrtá častica je onen slávny Higgsov bozón.
Asi stojí za zdôraznenie, že samotný Higgsov bozón nijakú hmotnosť W a Z bozónom nedodáva. On len akosi zostal na ocot po tom, čo hmotnosť W a Z bozónom dodali jeho traja kamaráti (ktorí sa, chudáci, nevolajú nijako). Napriek tomu hrá Higgsov bozón v súvislosti s hmotnosťami veľmi dôležitú úlohu, a to najmä v súvislosti s hmotnosťami kvarkov, elektrónov a neutrín.
Nenulové hmotnosti týchto častíc, ktoré dovtedy nerobili v teórii nijaké problémy, totiž kazili Salamovu a Weinbergovu kalibračnú symetriu a ohrozovali tak ťažko vydobytú rozumnosť celej teórie. Našťastie vysvitlo, že ak sa do teórie pridali aj vhodné interakcie kvarkov, elektrónov a neutrín s Higgsovým bozónom, všetko sa na dobré obrátilo. Tieto interakcie totiž tiež narúšali kalibračnú symetriu, a to spôsobom takpovediac opačným ako hmotnosti kvarkov a spol. To, ako kazili symetriu hmotnosti, sa vykompenzovalo s tým, ako kazili symetriu interakcie s Higgsovým bozónom, takže v konečnom dôsledku ostala kalibračná symetria zachovaná.
Higgsov bozón tak nakoniec súvisí nejakým spôsobom s hmotnosťami všetkých častíc – od kvarkov až po Z bozón. Ale tvrdiť, že by sa jeho teoretickým zavedením a neskorším experimentálnym potvrdením vyriešila nejaká dávna záhada pôvodu hmotnosti, to je naozaj prehnané.
Teória elementárnych častíc nemala pred vstupom Higgsovho bozónu na scénu nijaký problém s hmotnosťami. Otázka, prečo má väčšina elementárnych častíc nejakú (nenulovú) hmotnosť, fyzikov vôbec netrápila. Brali to ako prostý experimentálny fakt a keďže tento fakt nespôsoboval nijaké teoretické problémy, nikto sa nad ním nepozastavoval. Naopak, ak si niečo pýtalo vysvetlenie, tak to bol presne opačný fenomén – fenomén bezhmotnosti, t.j. nulovej hmotnosti niektorých častíc.
Medzi elementárnymi časticami, z ktorých sa skladá všetka nám známa hmota, sú častice s nenulovou aj častice s nulovou hmotnosťou. Elektróny, neutrína aj kvarky majú rôzne nenulové hmotnosti a ani jedna z nich nie je ničím výnimočná – ak by boli o máličko väčšie alebo menšie, nič svetoborné by sa zrejme nestalo. Na druhej strane fotóny a gluóny majú nulovú hmotnosť, ktorá výnimočná je a ak by bola čo len o trošičku iná, svet by asi vyzeral úplne inak.
Prečo je to tak? Prečo musí byť hmotnosť niektorých častíc presne, a nielen približne nulová? Odkiaľ pochádza také striktné obmedzenie? Toto je v skutočnosti asi hlbšia a zaujímavejšia otázka, než to, odkiaľ pochádzajú ničím neobmedzené nenulové hmotnosti.
.poslovia s nulovou hmotnosťou
Akú úlohu vlastne hrajú bezhmotné častice v stavbe nášho sveta? Na to sa dá odpovedať vcelku jednoducho: tieto častice – fotóny a gluóny – sprostredkúvajú interakcie medzi hmotnými časticami – kvarkami, elektrónmi a neutrínami. Len vďaka gluónom vytvárajú kvarky atómové jadrá a len vďaka fotónom vytvárajú jadrá a elektróny atómy.
No ale načo sú tam tie fotóny a gluóny vlastne potrebné? Nemohli by sa kvarky a elektróny viazať do jadier a atómov bez sprostredkovateľov? Nuž, zdá sa, že nemohli. Všetky teórie kvarkov, elektrónov a neutrín, ktoré opisujú ich priame, nesprostredkované interakcie, totiž dávajú nezmyselné výsledky – namiesto rozumných čísel v nich vychádzajú nekonečná. Zmysluplné teórie, ktoré majú šancu byť realistickým opisom prírody, sú len tie so sprostredkovateľmi.
Títo sprostredkovatelia alebo poslovia pritom môžu byť len dvoch typov: buď sa nevrtia, alebo sa vrtia určitým špecifickým spôsobom (poznámka pre znalcov: reč je o časticiach so spinom nula a spinom jedna). Nevrtiaci sa poslovia dávajú teórie bez nekonečien, vrtiaci sa dávajú skoro vždy nezmyselné teórie s nekonečnami. Ale v jednom výnimočnom prípade dostaneme rozumnú teóriu aj s vrtiacimi sa poslami. Ide o prípad, keď je splnená istá veľmi špecifická podmienka, ktorej hovoríme kalibračná symetria (nech už to znamená čokoľvek).
Ktorú z dvoch možností si vybrala príroda na spájanie kvarkov a elektrónov do jadier a atómov? Nevrtiacich sa poslov alebo vrtiacich sa poslov s kalibračnou symetriou? Vybrala si druhú možnosť – fotóny aj gluóny sa vrtia.
A ako to súvisí s nulovou hmotnosťou týchto poslov? Nuž, ukazuje sa, že nenulová hmotnosť poslov ničí kalibračnú symetriu, a teda aj zmysluplnosť teórie. Ak majú mať teórie s fotónmi a gluónmi zmysel, musia mať tieto častice presne nulovú hmotnosť. Ľubovoľne malá zmena tejto nulovej hmotnosti ničí dobré vlastnosti teórie a z nádejného popisu fundamentálnych zákonov fyziky sa stáva nepoužiteľná blbosť.
.poslovia s veľkou hmotnosťou
Fotóny a gluóny spolu s kvarkami a elektrónmi dali v princípe odpoveď takmer na všetky otázky atómovej a jadrovej fyziky. Nezodpovedanými zostali len otázky, týkajúce sa niektorých rozpadov rádioaktívnych jadier. A tie nakoniec viedli k doplneniu teórie elementárnych častíc o ďalších sprostredkovateľov, ktorí sa na fotóny a gluóny podobali na jednej strane úplne a na druhej strane vôbec.
Spomínané rozpady sa takmer podarilo vysvetliť pomocou ďalších vrtiacich sa poslov, ktorí dostali mená W a Z bozón. Lenže bol tu jeden problém. Títo poslovia nemohli byť bezhmotní – pri nulovej hmotnosti poslov dávala teória výsledky v úplnom rozpore s výsledkami experimentov. Experimentálne dáta si žiadali nielenže nenulovú, ale dokonca veľmi veľkú hmotnosť poslov.
Nuž ale, ak by mali poslovia nenulovú hmotnosť, pokazili by kalibračnú symetriu a tým aj rozumnosť celej teórie. To však znamenalo, že W a Z bozóny potrebovali mať dve navzájom úplne nezlučiteľné vlastnosti – hmotnosť jednak presne nulovú a jednak veľmi veľkú.
Východisko z tejto zdanlivo neriešiteľnej situácie našli nezávisle od seba Abdus Salam a Steven Weinberg. A využili pri tom pozoruhodnú vec, ktorú si pred nimi všimol Peter Higgs a niekoľko ďalších ľudí. Tí zistili, že za istých špeciálnych okolností môžu mať vrtiaci sa poslovia nenulovú hmotnosť a pritom nepokaziť kalibračnú symetriu.
Ako to funguje? Rafinovane. Najprv sa vezme teória s bezhmotnými W a Z bozónmi a do tejto teórie sa pridajú ďalšie častice (tentoraz také, čo sa nevrtia). Dôležité pritom je, že sa pridajú spôsobom, ktorý kalibračnú symetriu síce zdanlivo pokazí, ale v skutočnosti ju len vtipne schová. Symetria prestane byť zjavná, ale zostane v hre, vďaka čomu dáva teória konečné výsledky.
A ako to súvisí s nenulovou hmotnosťou spomínaných poslov? Nuž, keď sa to všetko poriadne preskúma, tak vysvitne, že pôvodne bezhmotné W a Z bozóny sa spolu s pridanými časticami správajú presne tak, ako by sa správali hmotné W a Z bozóny. Ešte raz a pomaly: pôvodne bezhmotné W a Z bozóny sa spolu s tými vhodne pridanými časticami správajú na nerozoznanie od toho, ako by sa správali hmotné W a Z bozóny bez tých pridaných častíc. Tomuto zázraku, ktorý umožňuje W a Z bozónom mať veľké hmotnosti a pritom nepokaziť rozumnosť teórie, sa hovorí Higgsov mechanizmus.
.neposlovia s rôznymi hmotnosťami
Keď Salam a Weinberg vypracovali svoju teóriu W a Z bozónov, založenú na Higgsovom mechanizme, ukázala sa jedna dôležitá vec. Išlo o to, že hoci na dodanie hmotnosti W a Z bozónom potrebovali pridať do teórie len tri nevrtiace sa častice, kalibračná symetria teórie si vyžadovala pridanie minimálne štyroch takých častíc. Tri z nich sa potom stali takpovediac súčasťou ťažkých W a Z bozónov, štvrtá tam ostala strašiť. Nuž a práve táto štvrtá častica je onen slávny Higgsov bozón.
Asi stojí za zdôraznenie, že samotný Higgsov bozón nijakú hmotnosť W a Z bozónom nedodáva. On len akosi zostal na ocot po tom, čo hmotnosť W a Z bozónom dodali jeho traja kamaráti (ktorí sa, chudáci, nevolajú nijako). Napriek tomu hrá Higgsov bozón v súvislosti s hmotnosťami veľmi dôležitú úlohu, a to najmä v súvislosti s hmotnosťami kvarkov, elektrónov a neutrín.
Nenulové hmotnosti týchto častíc, ktoré dovtedy nerobili v teórii nijaké problémy, totiž kazili Salamovu a Weinbergovu kalibračnú symetriu a ohrozovali tak ťažko vydobytú rozumnosť celej teórie. Našťastie vysvitlo, že ak sa do teórie pridali aj vhodné interakcie kvarkov, elektrónov a neutrín s Higgsovým bozónom, všetko sa na dobré obrátilo. Tieto interakcie totiž tiež narúšali kalibračnú symetriu, a to spôsobom takpovediac opačným ako hmotnosti kvarkov a spol. To, ako kazili symetriu hmotnosti, sa vykompenzovalo s tým, ako kazili symetriu interakcie s Higgsovým bozónom, takže v konečnom dôsledku ostala kalibračná symetria zachovaná.
Higgsov bozón tak nakoniec súvisí nejakým spôsobom s hmotnosťami všetkých častíc – od kvarkov až po Z bozón. Ale tvrdiť, že by sa jeho teoretickým zavedením a neskorším experimentálnym potvrdením vyriešila nejaká dávna záhada pôvodu hmotnosti, to je naozaj prehnané.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.