Standardní model částicové fyziky je kvantová teorie, která od 80. let 20. století popisuje fundamentální částice (kvarky a leptony) a částice silových interakcí mezi nimi (bosony).

Částice hmoty lze rozdělit do tří generací, které obsahují celkem šest kvarků (podle rostoucí hmotnosti "u" (up), "d" (down), "s" (strange), "c" (charm), "b" (bottom), "t" (top)) a šest leptonů (elektron, mion, tauon, elektronové neutrino, mionové neutrino, tauonové neutrino). Každá částice má antičástici s opačným elektrickým nábojem.

Každý kvark se vyskytuje ve třech "barvách", což je jistá kvantová veličina. Kvarky vytvářejí složené částice hmoty, označované jako hadrony, které se děli do dvou velkých skupin na baryony a mesony.

Pravidlo pro sestavení hadronů říká, že baryon je složen ze tří kvarků, z nichž každý musí mít jinou barvu. Meson se pak skládá z páru kvark a antikvark téže barvy (kvark má barvu, antikvark má antibarvu, proto se celkově meson jeví jako bezbarvý). Přitom každá složená částice musí být celý elektrický náboj.

Kvarky mají některé podivné vlastnosti. Jejich elektrický náboj představuje buď třetinu nebo dvě třetiny jednotkového náboje. Kvarky "u", "c" a "t" mají náboj +2/3, kvarky "d", "s" a "b" mají náboj -1/3. Antikvarky "u'", "c'" a "t'" mají náboj -2/3 a antikvarky "d'", "s'" a "b'" mají náboj -1/3.

Mesony vznikají složením páru kvark a antikvark. Barva a antibarva se v čase spojitě mění vždy tak, aby byl meson bezbarvý.

Baryony jsou složeny ze tří kvarků tak, aby byly opět bezbarvé (tedy vždy kombinace všech tří barev).

Kvarky první generace ("up", "down") mimo jiné vytvářejí protony a neutrony, které společně tvoří jádra atomů. Kolem jader atomů se vyskytují elektrony, které s nimi vytvářejí atomy chemických prvků. Všechny chemické vlastnosti těchto prvků souvisejí s uspořádáním elektronů kolem jádra atomu.

Elektrony a neutrina se vyskytují v radioaktivním rozpadu beta. Ostatní částice, jako jsou mesony a hyperony, většinou vznikají při vysokých energiích v urychlovačích nebo se objevují v kosmickém záření. Kvark "top" byl objeven až v roce 1995 a tauonové neutrino v roce 2001.

Podle standardního modelu základní silové interakce jsou zprostředkovány částicemi nazývanými bosony. Elektromagnetická interakce je zprostředkována fotonem. Slabá jaderná interakce je zprostředkována dvěma bosony W a neutrálním bosonem Z. Silná jaderná interakce je zprostředkována osmi gluony. Čtvrtá silová interakce, gravitace, není zatím součástí standardního modelu. Musí však existovat ještě další interakce pro vytváření Higgsova bosonu, který zajišťuje částicím jejich hmotnost.

Když teoretikové v 60. a 70. letech sestavovali standardní model, v jeho původní formě pro jednoduchost předpokládali, že všechny částice jsou nehmotné, což neodpovídá skutečnosti. Peter Higgs z University v Edinburgu pak nalezl řešení, avšak za cenu nového "pole", které vyplňuje celý prostoročas. Higgsovo pole, které interaguje s částicemi, zpomaluje jejich rychlost a dává jim hmotnost. Higgsovo pole však nejsme schopni detekovat. Existuje však fyzikální jev, dualita částice a vlny, která nám umožňuje Higgsovo pole pozorovat jako částici, Higgsův boson.

Tento model nepředpovídá hmotnost Higgsova bosonu, avšak můžeme ji odvodit experimentálně měřením hmotností bosonů W a Z a kvarku "top". Hmotnost Higgsova bosonu musí slabě souviset s hmotností bosonu W. Higgsova teorie umožňuje vypočítat hmotnost bosonu W z pozorované hmotnosti bosonu Z a intenzity působících sil. Vyžaduje však určitou opravu pomocí hmotnosti kvarku "top", protože hmotnost bosonu W závisí na hmotnosti kvarku "top".

Hmotnosti bosonů W, Z a kvarku "top" byly měřeny v 90. letech 20. století se stále větší přesností. Největším přínosem byla data ze srážkového urychlovače elektronů a positronů LEP (the Large Electron Positron collider) v CERN, jejichž zpracování bylo dokončeno v roce 2000. Kombinovaná data ze všech experimentů, při nichž se měřila hmotnost bosonu W, dávají hodnotu 80,406 (+-0,023) GeV, zatímco předpovězená hmotnost bosonu W z měření hmotnosti bosonu Z a kvarku "top" dávají hodnotu 80,310 (+-0,080) GeV, pokud je hmotnost Higgsova bosonu 114 GeV. Jinými slovy předpověď byla potvrzena s přesností 1:1000, kterou by musela každá alternativní teorie potvrdit. Tento výsledek posiluje důvěru v Higgsovu teorii, avšak stále chybí klíčový důkaz, objev Higgsova bosonu.

Výzkumníci hledají Higgsův boson na urychlovači LEP. Přitom vycházejí z odhadu jeho hmotnosti, která nemůže být menší než 114 GeV. Přímé hledání zaznamenalo jen málo jevů, které by přímo souvisely s Higgsovým bosonem, avšak byly pozorovány některé signály pozadí, které jsou konsistentní s hmotností 115 GeV. Po jisté opakované analýze pravděpodobnost důkazu je asi 4 procenta. V roce 2000 se proto rozběhla debata o tom, zda se má pokračovat ve výzkumu Higgsova bosonu na urychlovači LEP, nebo zda se má pokračovat později na plánovaném urychlovači hadronů LHC (Large Hadron Collider).

Urychlovač Tevatron prošel významnou modernizací, která byla zahájena v březnu 2001. Očekává se, že do konce roku 2005 zaznamená 20 krát více srážek než v celé době do modernizace. Tento větší vzorek pozorování by měl výrazně zvětšit šanci na pozorování vzácných jevů, jako je vznik Higgsových bosonů. Tevatron by mohl přinejmenším potvrdit nebo vyvrátit výsledky urychlovače LEP ještě před ukončením jeho provozu. V roce 2007 by Tevatron mohl hledat Higgsův boson při energiích až 180 GeV.

Získání jednoznačného důkazu existence Higgsova bosonu bude sice obtížnější, avšak neočekává se, že by jeho hmotnost byla o mnoho větší, než se očekává na urychlovači LEP, asi kolem 120 GeV. Všichni jsou přesvědčeni, že hmotnost Higgsova bosonu musí být menší než 200 GeV a proto jsou výsledky urychlovače Tevatron napjatě očekávány.

V roce 2007 by měl zahájit svůj provoz velký urychlovač hadronů LHC (the Large Hadron Collider). Tento urychlovač by měl pracovat s energiemi až sedmkrát vyššími než Tevatron a počet srážek by měl být také několikanásobně vyšší. Proto by LHC mohl podat definitivní potvrzení Higgsova bosonu a zda jeho teorie je skutečně konsistentní se standardním modelem. Další vývoj teorie bude záviset na jeho hmotnosti. Očekává se, že všechny částice vznikající jeho rozpadem budou mít detekovatelnou hmotnost, což umožní testy konsistence.

Pokud by žádný Higgsův nebyl objeven, byla by situace poněkud paradoxně ještě zajímavější. Tato situace by totiž dokazovala, že standardní model částic má závažné trhliny. Otevřela by se tím cesta k novým myšlenkám. V přírodních vědách se často stává, že i ty nejlepší myšlenky jsou smeteny vědeckými fakty. Pokud se tak skutečně stane, bude zajímavé například studovat vznik dvojic bosonů W na urychlovači LHC. Musí existovat něco, co by zastávalo funkci Higgsova pole, a určitě bychom to chtěli objevit.

Diskutovaný Higgsův model je nejjednodušší možný. Snadno lze vybudovat složitější modely, které budou ještě v souladu s daty. Jedním z takových kandidátů je teorie supersymetrie, podle níž každá částice má supersymetrického těžšího partnera. Jedna z těchto neviditelných částic by mohla být příčinou temné hmoty, která podle kosmologů představuje větší část hmoty ve vesmíru. Jednou ze zajímavých vlastností supersymetrie je existence pěti Higgsových bosonů, z nichž jeden musí mít hmotnost kolem 130 GeV.

Budoucnost bude velmi zajímavá, protože šance objevu Higgsova bosonu na urychlovači Tevantron nejsou malé. Avšak pro úplné potvrzení bude potřeba využít urychlovače LHC, aby pokryl celou oblast různých možností.

William J. Murray, autor článku [1], je vědeckým pracovníkem britské laboratoře Rutherford Appleton Laboratory v Oxfordshire, který se podílí na experimentu ATLAS pro urychlovač LHC.

Literatura:

[1] Dr. William J. Murray: Hunting the Higgs.

[2] Peter A. Namara III, Sau Lau Wu: The Higgs particle in the standard model: experimental results from LEP. Department of Physics, University of Wisconsin, Madison, WI 53706, USA. Published: 13 March 2002 Institute of Physics Publishing. Reports on Progress in Physics, 65 (2002) 465 - 528.