Zdá sa, že máte zablokovanú reklamu

Fungujeme však vďaka príjmom z reklamy a predplatného. Podporte nás povolením reklamy alebo kúpou predplatného.

Ďakujeme, že pozeráte .pod lampou. Chceli by ste na ňu prispieť?

Otázka, ktorá nie je hlboká

.časopis .veda

Nedávny objav Higgsovho bozónu sprevádzalo niekoľko mediálnych zveličení. Podľa jedného z nich sa týmto objavom vyriešila záhada pôvodu hmotností častíc. Vraj sme konečne našli odpoveď na hlbokú otázku, odkiaľ vlastne častice berú svoju hmotnosť.

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.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.
.diskusia | Zobraziť
.posledné
.neprehliadnite