Veda je na pokraji veľkého objavu, na výskume sa podieľa aj Žilinčan

Na práci v tomto najmodernejšom zariadení, takzvanom veľkom hadrónovom urýchľovači (LHC), pracujú tisíce vedcov. Na teoretickej časti spolupracuje aj niekoľko Slovákov. Jedným z nich je Ivan Melo z Katedry fyziky Elektrotechnickej fakulty Žilinskej univerzity. Hovorili sme s ním o tom, čo bude objav znamenať pre chápanie nášho sveta.

- Higgsov bozón je posledná častica štandardného modelu fyziky, teda chápania zákonitostí nášho sveta, ktorá ešte nebola objavená. Štandardný model je teória základných, elementárnych častíc, ktorá v našom svete perfektne funguje. Všetko, čo doteraz predpovedala, bolo objavené. Posledným krokom je práve Higgs.

- Či existuje, to zatiaľ nevieme. Častice, z ktorých je zložená hmota, sa delia na také, ktoré vytvárajú akési stavebné prvky, tehličky hmoty všetkého okolo nás, vrátane nás samých. Potom sú to častice, ktoré sú zodpovedné za to, že hmota drží pohromade, za silové pôsobenie medzi tými tehličkami. Napokon, dôležitá vlastnosť, ktorú má hmota, je jej hmotnosť. Práve Higgs by mal byť prejavom mechanizmu, vďaka ktorému častice majú hmotnosť. Štandardný model ho predpovedá a je práve úlohou CERN-u objaviť ho. Buď to, alebo jeho existenciu definitívne vyvrátiť a nájsť niečo iné, prečo majú častice hmotnosť.

- V CERN-e prebieha veľké množstvo experimentov. LHC je asi najväčšie fyzikálne laboratórium na svete. Na výskume sa podieľajú tisíce ľudí. Hľadanie Higgsa je ako hľadanie ihly v kope sena. V LHC dochádza k desiatkam miliónov protónových zrážok a z každej lietajú stovky častíc. Všetky je potrebné zaznamenať. Je to toľko údajov, že keby experimentátori nevedeli, čo a kde majú hľadať, nedokázali by nič. Povedať im to, je úloha práve nás, teoretikov. Na celom svete je nás veľké množstvo, na Žilinskej univerzite sme dvaja.

- Niečo sa ukazuje. Pre optimistu to už teraz znamená, že sme Higgsa objavili. Skeptici však upozorňujú na to, že aj v minulosti sa mnohokrát podobne ukazovali sľubné objavy a nakoniec to bola neznáma chyba a nadšenie spľaslo. Problém je totiž ten, že Higgsa nikdy neuvidíme priamo. Keď vznikne, okamžite sa rozpadne na niečo iné, na iné častice, ktoré sa často ihneď rozpadnú na ešte ďalšie častice. Experimentátori teda vidia len rozpadnuté produkty, ktoré však nemusia vzniknúť len rozpadom Higgsa, ale aj priamo. Napríklad vidíme v detektore dva fotóny s veľkou energiou. Je to známka existencie Higgsa, alebo nie? O tom to celé je. Mohol tam byť Higgs, ktorý sa rozpadol na dva fotóny, alebo mohli vzniknúť aj priamo, bez Higgsa. Na to, aby sme to dokázali rozlíšiť, je potrebné veľmi podrobne tieto fotóny skúmať. Z jednej zrážky sa to zistiť nedá. Tých zrážok musí byť veľké množstvo.

- Niečo sa ukazuje pri hmotnosti 125 GeV (Gigaelektrón Volt), nie sme si však stále stopercentne istí. Jasné by to malo byť do konca tohto roka. Teda, že sa definitívne potvrdí, či vyvráti existencia Higgsovho bozónu v rámci štandardného modelu.

- Pre fyziku častíc to bude najvýznamnejší objav za ostatných 20-30 rokov. Znamenalo by to, že štandardný model, ktorý popisuje náš svet, naozaj perfektne funguje. Avšak musím povedať, že toto nie je scenár, po ktorom by sme najviac túžili.

- Väčšina vedcov túži po tom, aby tam síce Higgsov bozón bol, ale aby nemal vlastnosti štandardného Higgsa.

- So štandardným modelom totiž nie sme natoľko spokojní. Sú v ňom určité problémy, ktoré sa na tejto úrovni len veľmi ťažko vysvetľujú. Jedným z nich je napríklad ten, prečo by mal Higgs hmotnosť 125 GeV. Prirodzenejšie by totiž bolo, aby bol oveľa, oveľa ťažší. Môže ju mať aj takúto, ale potom bude treba v teórii urobiť určité dolaďovania. Preto by väčšina fyzikov dala prednosť takému vysvetleniu pôvodu hmotnosti častíc, v ktorom síce vystupuje Higgsov bozón, ale ten nemá vlastnosti toho štandardne-modelového, ale úplne iného. Táto teória sa nazýva Teória supersymetrie a pri nej by problémy s dolaďovaním neboli.

- Teória super symetrie predpokladá, že ku každej častici štandardného modelu existuje supersymetrický partner, ktorý má podobné vlastnosti, až na spin a hmotnosť. A že existuje až 5 Higgsov. Ak by to tak bolo, mohli by sme sa tešiť na celú novú škálu zák-ladných častíc. K elektrónom, miónom, taónom, neutrínam, kvarkom, gluónom, fotónom W a Z bozónom by tak pribudli ich supersymetrickí partneri. Bolo by to veľmi vzrušujúce a naše chápanie by sa posunulo veľmi dopredu.

- Ak by sa nepotvrdil štandardný Higgs a ani supersymetrický, znamenalo by to „koniec“ štandardného modelu, a asi aj supersymetrií. V istom ohľade by to bolo zo všetkých možností najzaujímavejšie. Neznamená to, že nebudeme vedieť, čo ďalej. V zálohe máme množstvo ďalších teórií. Väčšina teoretikov však za najpravdepodobnejšie považuje supersymetrie.

- Dôvodom je niekoľko a sú rovnako zaujímavé. Napríklad je to problém tmavej hmoty vo vesmíre. Je známe, že hviezdy tvoria len maličký zlomok toho, čo vo vesmíre je, približne iba 0,5%. Ďalej vieme, že 4% síce nevidíme, ale aspoň sa správajú ako hmota, ako ju poznáme. Že je zložená z častíc zo základného modelu, pravdepodobne je to vodíkový plyn, ktorý je dostatočne chladný, aby nesvietil. Ďalej je však vesmír zložený z 20 % hmoty, o ktorej vieme, že tam je, lebo má gravitačné účinky, ale ju nevidíme a inak o nej nevieme vôbec nič. Vieme akurát to, že sa neskladá z častíc zo štandardného modelu.

- Medzi najvážnejších kandidátov, ktorí tvoria túto tmavú hmotu, patria nové elementárne častice. Najviac sa

v tejto súvislosti hovorí o najľahšej supersymetrickej častici. Uvažuje sa tak, že ak po big bangu boli produkované supersymetrické častice, postupne sa všetky rozpadali, až zostala tá najľahšia, ktorá sa už nemá ako ďalej rozpadnúť a potuluje sa vesmírom. Je to momentálne jedna z najväčších záhad vo vesmíre, tajomstvo, z čoho je zložená tmavá hmota. Bolo by úžasné, keby LHC vyriešil túto záhadu objavom novej častice.

- A to je úplná záhada. Minimálne 70% vesmíru tvorí tmavá energia. O nej už nevieme vôbec nič. Vieme iba to, že tam je a že sa určite nespráva ako hmota. Naopak, správa sa tak, že má záporný tlak. To je jediný fakt, ktorý o nej vieme. Nie je to tak dávno, kedy mali vedci predstavu, že vesmír sa po big bangu rozpína, lenže rozpínanie sa spomaľuje. Teraz však vieme, že rozpínanie sa nespomaľuje, naopak sa zrýchľuje. Dôvodom by mal byť práve záporný tlak tmavej energie.

- Konkrétne tohto nie. Tretím dôvodom, prečo bol LHC postavený, je záhada antihmoty. Spočíva v tom, že podľa predstáv o big bangu a štandardnom modeli, boli v ranom vesmíre produkované častice a zároveň aj antičastice v rovnakých množstvách. Keďže sa vesmír rozpína a chladne, produkcia postupne ustane. Pritom je známe, že keď sa stretne častica s antičasticou, mali by sa premeniť na žiarenie, takzvane anihilovať. Pokiaľ bol rovnaký počet častíc, aj antičastíc, všetka hmota a antihmota sa mala časom premeniť na žiarenie. Lenže hmota tu evidentne je, veď aj náš svet je hmota. Záhada je, prečo zmizla antihmota a prečo tu hmota zostala.

- Predstava je taká, že zrejme raný vesmír neprodukoval hmotu aj antihmotu v rovnakom množstve. Opäť vstupujú do hry supersymetrie, vďaka ktorým sa pri vysokých energiách vyprodukuje o máličko viac hmoty, ako antihmoty. Pomer bol asi taký, že zanihilovalo milión častíc hmoty s miliónom častíc antihmoty, ale jedna častica hmoty predsa len zostala. Tá jedna častica potom tvorí celý náš hmotný svet. Samozrejme, je to pomerne povedané.

- Skúmajú sa ešte zrážky ťažkých jadier olova a vznik ďalšieho skupenstva hmoty – tzv. kvark-gluónovej plazmy. Toto skupenstvo vo vesmíre existovalo jednu mikrosekundu po big bangu.

- Nevenujeme sa práve hľadaniu Higgsa, ale teórii, ktorá vysvetľuje hmotnosť častíc inak a v ktorej Higgsov bozón nefiguruje. Ak by totiž nebol objavený a nepotvrdili by sa ani supersymetrie, bola by tu otázka, čo dáva časticiam hmotnosť. My ponúkame alternatívnu teóriu, v ktorej figuruje nová častica, ktorá je asi desaťkrát ťažšia ako Higgs a je oveľa ťažšie ju objaviť. Ak by sa potvrdila naša teória, bolo by treba čakať o 6 – 10 rokov dlhšie. Okrem toho je však aj veľa ďalších teórií.

- Ľudia, fyzici, sú pomerne presvedčení, že to už asi bude ono. Sú však aj takí, čo optimizmus krotia. Je vraj podfarbený našim očakávaním, keďže Higgsov bozón potrebujeme na to, aby fungoval štandardný model alebo supersymetrie. Keď však merania vyjadríme matematicky, na 99% sa dá povedať, že sme našli Higgsov bozón. Z minulosti sú však známe aj prípady, kedy bola pravdepodobnosť ešte vyššia a nakoniec z nového objavu nebolo nič. Treba byť opatrní.

- V jednom z experimentovprodukujú vedci neutrína, ktoré nasmerujú cez zemskú kôru do Talianska v Gran Sasso, kde sa ich snažia zachytiť. Snažia sa študovať ich základné vlastnosti. Medzitým sa pokúsili aj odmerať ich rýchlosť a zistili, že na miesto prišli o máličko skôr, ako by takúto vzdialenosť prešlo svetlo. Je to veľmi prekvapujúce, pretože teória relativity hovorí, že častice nemôžu prekročiť rýchlosť svetla. Ak by sa to potvrdilo, bol by to asi objav storočia a zasiahol by jeden zo základných kameňov súčasnej fyziky. Na teórii relativity je vybudovaná celá súčasná fyzika. Nemusela by sa však hneď celá úplne zrútiť. Existuje v nej totiž jedna možnosť, že by takéto častice, ktoré sú rýchlejšie ako svetlo, mohli existovať. Nikdy sa však nebrala príliš vážne.