Higgsovo pole: definice a vysvětlení, jak dává částicím hmotnost

Higgsovo pole: srozumitelné vysvětlení, jak interakce s Higgsovým bosonem dodává částicím hmotnost a proč je klíčové pro vznik hmoty a gravitace.

Higgsovo pole je kvantové pole, které podle současných modelů vyplňuje celý vesmír. Na rozdíl od částic, které mají hmotnost, jde o pole s nenulovou vakuovou očekávanou hodnotou — tj. i v "prázdném" prostoru má pole konstantní nenulovou hodnotu. Kvantem tohoto pole je Higgsův boson, což je částice, kterou detekovaly experimenty ATLAS a CMS v roce 2012 v urychlovači LHC; její hmotnost je přibližně 125 GeV/c2. Higgsův boson není „nositelem“ hmotnosti v tom smyslu, že by ji rozdával; je to excitace pole, zatímco samotné pole (jeho nenulová hodnota ve vakuu) podle teorie umožňuje některým částicím získat nenulovou klidovou hmotnost.

Jak pole dává částicím hmotnost

Mechanismus, kterým částice získávají hmotnost, se nazývá Higgsův mechanismus. V kostce: elementární fermiony (např. elektrony, kvarky) a některé nosiče sil (konkrétně W a Z bosony) mají v teorii interakci s Higgsovým polem. Síla této interakce (tzv. Yukawovy vazby) určuje, jak „těžká“ bude daná částice — čím silněji s polem interaguje, tím větší má klidovou hmotnost. Analogii se často popisuje jako pohyb v hustším médiu (podobně jako předmět procházející melasou), ale tato představa je pouze názorná a nesmí se brát doslovně; Higgsovo pole není viskózní látka v běžném smyslu.

Co Higgsovo pole nedělá a jaké jsou časté omyly

• Higgsovo pole nevytváří hmotu z ničeho. Zákony zachování energie a hybnosti zůstávají v platnosti — proto je nepřesné tvrdit, že pole „vyrábí“ hmotu z vakua. Zákony zachování platí i v kvantové teorii polí.
• Mnoho hmoty, kterou známe (např. většina hmoty protonu nebo neutronu), není přímo důsledkem Higgsova mechanizmu — pochází převážně z kinetické a vázací energie kvarků a gluonů v rámci kvantové chromodynamiky (QCD).
• Světlo (fotony) obecně s Higgsovým polem neinteraguje, a proto fotony zůstávají bez klidové hmotnosti. Není tedy správné tvrdit, že světlo „získává“ hmotnost nebo energii při průchodu polem; jeho energie závisí na frekvenci a na interakcích s jinými poli nebo částicemi, ne na tom, že by mu Higgsovo pole přidávalo hmotu.
• Kdyby Higgsovo pole neexistovalo nebo by mělo jinou vlastnost (např. nulovou vakuovou hodnotu), mnohé elementární částice by byly bez klidové hmotnosti a chování vesmíru by bylo zcela odlišné — neexistovaly by stabilní atomy, chemie by nefungovala běžným způsobem a struktura vesmíru by se změnila. To ovšem neznamená, že by gravitační efekt (zakotvený v obecné relativitě) „zmizel“ — gravitace působí na energii a moment hybnosti; absence hmotných částic by však zásadně změnila rozložení zdrojů gravitačního pole.

Proč je Higgs důležitý

Higgsův mechanismus vysvětluje, proč některé částice Standardního modelu mají hmotnost, zatímco jiné (např. fotony) nikoli. Měření vlastností Higgsova bosonu v LHC testují, zda má pole parametry předpovězené Standardním modelem, nebo zda existují odchylky naznačující novou fyziku (např. další částice, temná hmota nebo jiné typy polí).

Otevřené otázky

Mezi hlavní nevyřešené otázky patří:

• Proč mají částice právě takové hodnoty hmotností (tj. proč mají Yukawovy vazby právě tu velikost)?
• Jaký je detailní tvar potenciálu Higgsova pole a jak silná je jeho samovazba? To má vliv na stabilitu vakua (metastabilní nebo stabilní vakuu našeho vesmíru).
• Existují další Higgsovy částice nebo související pole mimo Standardní model?

Studium Higgsova pole a jeho excitace (Higgsova bosonu) je proto klíčové pro pochopení základních vlastností hmoty a pro hledání možné nové fyziky za hranicemi současných teorií.

Higgsův jev

Higgsův jev byl poprvé teoreticky popsán v roce 1968 autory článků o narušení symetrie PRL. V roce 1964 napsaly tři týmy vědecké práce, které navrhly související, ale odlišné přístupy k vysvětlení toho, jak by mohla vzniknout hmotnost v lokálních měřítkových teoriích.

V roce 2013 byl na Velkém hadronovém urychlovači předběžně prokázán Higgsův boson a implicitně i Higgsův jev (Higgsův boson byl objeven 4. července 2012). Tento jev byl považován za nalezení chybějícího kousku standardního modelu.

Podle měřítkové teorie (teorie, která je základem standardního modelu) by všechny částice přenášející sílu měly být bez hmotnosti. Silové částice, které zprostředkovávají slabou sílu, však hmotnost mají. Je to způsobeno Higgsovým jevem, který narušuje symetrii SU(2) (SU znamená speciální unitární matici, typ matice, a 2 označuje velikost příslušných matic).

Symetrie systému je operace provedená se systémem, například rotace nebo posunutí, která systém v zásadě nemění. Symetrie také stanoví pravidlo, jak by se mělo něco vždy chovat, pokud na to nepůsobí vnější síla. Příkladem je Rubikova kostka. Pokud vezmeme Rubikovu kostku a zamícháme ji tím, že provedeme libovolné pohyby, je stále možné ji vyřešit. Protože každý tah, který provedeme, stále ponechává Rubikovu kostku řešitelnou, můžeme říci, že tyto tahy jsou "symetriemi" Rubikovy kostky. Dohromady tvoří to, čemu říkáme skupina symetrií Rubikovy kostky. Provedením kteréhokoli z těchto tahů se hlavolam nezmění a vždy zůstane řešitelný. Tuto symetrii však můžeme porušit tím, že provedeme něco takového, jako je rozebrání kostky a její opětovné složení zcela nesprávným způsobem. Bez ohledu na to, jaké tahy nyní vyzkoušíme, není možné kostku vyřešit. Rozložení krychle a její opětovné složení nesprávným způsobem je "vnější silou": Bez této vnější síly nic z toho, co s kostkou uděláme, nezpůsobí její neřešitelnost. Symetrie Rubikovy kostky spočívá v tom, že zůstane řešitelná, ať už uděláme jakýkoli pohyb, dokud kostku nerozložíme.

Vznik Higgsova bosonu

Způsob narušení symetrie SU(2) je znám jako "spontánní narušení symetrie". Spontánní znamená náhodný nebo neočekávaný, symetrie jsou pravidla, která se mění, a narušení označuje skutečnost, že symetrie již nejsou stejné. Výsledkem spontánního narušení symetrie SU(2) může být Higgsův boson.

Důvod Higgsova jevu

K Higgsovu jevu dochází proto, že příroda "tíhne" k nejnižšímu energetickému stavu. K Higgsovu jevu dojde proto, že měřicí bosony v blízkosti Higgsova pole budou chtít být ve svých nejnižších energetických stavech, a to by porušilo alespoň jednu symetrii.

Aby vědci ospravedlnili přidělení hmotnosti potenciálně bezhmotné částici, byli nuceni udělat něco neobvyklého. Předpokládali, že vakuum (prázdný prostor) má ve skutečnosti energii, a tak pokud by do něj vstoupila částice, kterou považujeme za bezhmotnou, energie z vakua by se přenesla do této částice a dodala jí hmotnost. Matematik jménem Jeffrey Goldstone dokázal, že pokud porušíte symetrii (například symetrie u Rubikovy kostky by byla, kdybyste stanovili, že rohy musí být vždy otočeny 0 nebo 3krát, aby byly řešitelné (funguje to)), dojde k reakci. V případě Rubikovy kostky se při jejím porušení stane neřešitelnou. V případě Higgsova pole vznikne něco, co je pojmenováno po Jeffrey Goldstoneovi (a dalším vědci, který s ním spolupracoval, jménem Yoichiro Nambu), Nambu-Goldstoneův boson. Jedná se o excitovanou nebo energetickou formu vakua, kterou lze zobrazit graficky, což odhaluje výše uvedený graf. Poprvé to vysvětlil Peter Higgs.

Takzvaný "potenciál mexického klobouku"

Otázky a odpovědi

Otázka: Co je to Higgsovo pole?

Otázka: Jaká je základní částice, která je spojena s Higgsovým polem?

Otázka: Co se stane, když částice interagují s Higgsovým polem?

Otázka: Generuje Higgsovo pole hmotnost?

Otázka: Co je výsledkem toho, že částice získá hmotnost díky Higgsovu poli?

Otázka: Co by se stalo, kdyby Higgsovo pole neexistovalo?

Otázka: Co je Higgsův jev?

Hledání podle dopisu