Částice a interakce | Polní částice a Higgs
V 17. století vznikala klasická mechanika, která jako první teorie dokázala přesně předpovídat pohyby těles. Pohybové rovnice mají na pravé straně sílu, ta je ale velmi obtížně definovatelná – lze ji chápat spíše jako matematický předpis umožňující výpočet. Dvacáté století přineslo, co se síly týče, revoluční zvrat. V roce 1915 představil Albert Einstein obecnou relativituObecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. – moderní teorii gravitace, která namísto síly používá zakřivený prostor a čas. Ve stejném období vznikala kvantová mechanika, která později přerostla v novou teorii zbývajících tří interakcí – elektromagnetickéElektromagnetická interakce – interakce působící na všechny částice s elektrickým nábojem. Má nekonečný dosah, mezi tělesy ubývá s druhou mocninou vzdálenosti. Polními částicemi jsou fotony, které vytvářejí mezi nabitými tělesy elektromagnetické pole. Nemají elektrický náboj, mají nulovou klidovou hmotnost a spin rovný jedné. Teorie elektromagnetické interakce se nazývá kvantová elektrodynamika (QED)., slabéSlabá interakce – interakce s konečným dosahem, který je přibližně 10–17 m. Působí pouze na levotočivé kvarky a leptony. Polními částicemi jsou vektorové bosony W+, W− a Z0 se spinem rovným jedné. Hmotnosti částic jsou v rozmezí (80÷90) GeV. Typickým slabým procesem je například beta rozpad neutronu. Teorie slabé interakce se nazývá kvantová flavourdynamika (QFD). a silnéSilná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10−15 m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Barevný náboj na malých vzdálenostech (při vysokých energiích) slábne a kvarky se chovají jako volné částice. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Teorií silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD).. Pojem síly se zde postupně také vytratil. Částice spolu v kvantové teorii interagují tak, že si vyměňují tzv. polní (intermediální, mezipůsobící) částice. Můžeme si představit, že částice jsou malí trpaslíčci, kteří si pinkají mezi sebou míček – ten odpovídá polní částici. Kvantový mechanizmus polních částic se stal základem standardního modelu elementárních částic. Gravitační interakce spolu s pokřiveným světem Alberta Einsteina tedy stojí mimo standardní model. Největším cílem teoretiků je pochopitelně vybudování jednotné teorie všech čtyř interakcí, nicméně žádná uspokojivá teorie tohoto druhu dodnes neexistuje.
Umělecká představa polních částic a Higgsovy částice. Kresba: André-Pierre Olivier.
Na rozdíl od částic látky (leptonů a kvarků) mají všechny polní částice spin roven jedné. Částice s celočíselným spinem nazýváme bosonyBosony – částice, které mají celočíselný spin, symetrickou vlnovou funkci, nesplňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Boseho-Einsteinově statistickému rozdělení. Například jsou to všechny skalární i vektorové mezony, fotony a gluony. Při nízkých teplotách se bosony mohou hromadit v základním stavu., nesplňují Pauliho vylučovací principPauliho vylučovací princip – „Dva fermiony nemohou být nikdy ve stejném kvantovém stavu“. Právě proto různé elektrony v atomárním obalu zaujímají různé kvantové stavy a tím vytvářejí různorodé chování chemických prvků. a dvě takové částice se mohou nacházet ve stejném kvantovém stavu. Při velmi malé teplotě vytvoří zvláštní formu látky – všechny jsou ve stejném kvantovém stavu a mají společnou vlnovou funkci. Tvoří jediný celek, jakousi superčástici, superatom či supermolekulu. Této formě látky říkáme bosonový kondenzátBEC – Boseho-Einsteinův kondenzát (Bose Einstein Condensate, BEC), představuje stav hmoty, ve kterém jsou všechny částice v jednom jediném kvantovém stavu. Vlnové funkce se vzájemně překrývají a při fázovém přechodu vznikne společná vlnová funkce. Soustava částic se začne chovat jako jediná „superčástice“. Boseova-Einsteinova kondenzace vzniká u bosonů, které se mohou nacházet všechny v nejnižším energetickém stavu. Na rozdíl od běžné kondenzace, jako je tomu u fázových přechodů plynů na pevné látky, jde o kondenzaci v prostoru hybností. Přechod od klasického stavu ke kvantovému je náhlý, až dramatický. Kvantové chování se projevuje při teplotě nižší, než je tzv. teplota degenerace..
Je třeba si uvědomit, že v kvantové teorii pojem částice a pole poněkud splývá. Objekty mikrosvěta se někdy projevují jako částice a jindy jako vlnění. Proto uslyšíte někdy o elektromagnetickém poli a jindy o fotonech, někdy o gluonovém poli a jindy o gluonech. Polní částice lze chápat jako kvantum příslušného pole, tedy rozdíl dvou sousedních energetických stavů tohoto pole. Elektromagnetickou interakci dnes vnímáme jako výměnu polních fotonů, slabou interakci jako výměnu polních bosonů Z0, W+ a W– a silnou interakci jako výměnu osmi polních gluonů. Seznam nosičů sil by ale nebyl úplný bez Higgsova poleHiggsovy částice – částice, které se objevují ve sjednocené teorii elektromagnetické a slabé interakce (tzv. elektroslabé interakce) standardního modelu. Částice a jim odpovídající Higgsovo pole zde zajišťují nenulovou hmotnost polních částic slabé interakce a způsobují narušení symetrie elektroslabé interakce při energiích nižších než 100 GeV. Částice jsou pojmenovány podle skotského fyzika Petera Higgse. Tento mechanizmus nazýváme Higgsův mechanizmus a je aplikovatelný i na jiné částice. Existence Higgsovy částice byla s největší pravděpodobností potvrzena v červenci 2012 na dvou detektorech urychlovače LHC v CERNu. O Higgsově částici se často hovoří jako o Higgsově bosonu, Higgsově poli či jen higgsi., které uděluje některým polním částicím hmotnost, a tím ovlivňuje zásadním způsobem chování interakcí. Pojďme se nyní s jednotlivými kvantovými interakcemi a jejich polními částicemi seznámit podrobněji.
Elektromagnetická interakce (fotony)
Elektromagnetická interakce je výběrová, působí jen na částice s nenulovým elektrickým nábojem, tedy na elektrony a kvarky. Dosah interakce je nekonečný – ve smyslu, že intenzita pole ubývá s druhou mocninou vzdálenosti a se stejnou mocninou roste plocha obklopující zdroj v dané vzdálenosti. Intenzita v určité vzdálenosti násobená plochou
obklopující zdroj, je tedy konstantní. Interakce nekonečného dosahu musí mít polní částice s nulovou klidovou hmotností.
FotonyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926., jakožto polní částice elektromagnetické interakce, mají nulový elektrický náboj, nulovou klidovou hmotnost a spinSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. rovný 1. Jde o další částici, u které nelze zcela jednoznačně označit jejího objevitele. O částicové povaze světla už uvažoval Isaac Newton v 17. století, naopak Christiaan Huygens prosazoval vlnovou povahu světla. Dnes víme, že se světlo v některých experimentech chová jako vlnění (například interference a ohyb) a v jiných jako částice (fotoelektrický jevFotoelektrický jev – vyrážení elektronů z povrchu některých látek (zejména kovů) světlem. Při tomto jevu se projevují částicové vlastnosti světla, jednotlivý foton musí mít energii vyšší než je výstupní práce nutná k vytržení elektronu z atomu. Jev poprvé objevil Heinrich Hertz v roce 1887 a vysvětlil Albert Einstein v roce 1905., Comptonův rozptylComptonův rozptyl – rozptyl fotonů (zpravidla RTG nebo gama záření) na volných elektronech. Při tomto rozptylu se snižuje energie fotonů. V akrečních discích černých děr probíhá inverzní Comptonův rozptyl, při kterém se nízkoenergetické fotony rozptylují na elektronech s vysokou energií. Při tomto procesu fotony energii získávají a mění se na rentgenové nebo gama fotony. atd.). Samotná kvanta formálně zavedl v roce 1901 německý fyzik Max Planck při úspěšném pokusu o vysvětlení závislosti intenzity vyzařování absolutně černého tělesaČerné těleso – idealizované těleso, které absorbuje veškeré záření na něho dopadající. Těleso je v termodynamické rovnováze, takže je nakonec veškerá absorbovaná energie opět vyzářena, ale pouze povrchem. Střední volná dráha fotonů je natolik malá ve srovnání s rozměry tělesa, že foton z vnitřku tělesa nemůže uniknout. Na vyzařování se podílejí jen fotony v těsném okolí povrchu. Černé těleso vyzařuje spojité spektrum záření (záření černého tělesa). Maximum vyzařování je na vlnové délce, která souvisí s teplotou povrchu. Čím vyšší je teplota, tím těleso vyzařuje na kratších vlnových délkách. na frekvenci. Jako skutečné částice pak Planckova kvanta energie interpretoval v roce 1905 německo-americký fyzik Albert Einstein při vysvětlení fotoelektrického jevu. Za přímý objev fotonu je možné považovat měření z roku 1923, při kterých americký fyzik Arthur Compton pozoroval rozptyl jednotlivých fotonů na elektronech. Název foton pro tyto částice ale použil až v roce 1926 americký chemik Gilbert Lewis (1875–1946). Cesta k nalezení polní částice elektromagnetické interakce je ověnčena řadou Nobelových cen. Max Planck získal Nobelovu cenu za svůj příspěvek ke vzniku kvantové mechaniky v roce 1918, Albert Einstein ji získal za objasnění fotoelektrického jevu v roce 1921, Arthur Compton za výzkum rozptylu fotonu na volných elektronech v roce 1927. Jen Gilbert Lewis cenu nezískal, přestože byl 35krát nominován na Nobelovu cenu za chemii.
Slabá interakce (Z0, W+, W–)
Slabá interakce působí na všechny kvarkyKvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce. a leptonyLeptony – skupina částic, mezi které patří elektron, těžký elektron (mion) a supertěžký elektron (tauon) a jejich neutrina (elektronové, mionové a tauonové). Tyto částice nepodléhají silné interakci, ale jen slabé a elektromagnetické (pokud jsou nabité).. Má konečný dosah, účinkuje jen do vzdálenosti přibližně 10–17 m. Právě proto je pro neutrina látka tak průhledná. Aby s ní
nějak interagovala, musí se přiblížit k některé jiné částici na vzdálenost 10–17 m, což je málo pravděpodobné. Většina lidí si slabou interakci spojuje s radioaktivním rozpadem. To je samozřejmě pravda, beta rozpadBeta rozpad – β−: rozpad neutronů v atomovém jádře, jehož výsledkem je elektron, proton a elektronové antineutrino (slabě interagující antilepton).
β+: rozpad protonů v atomovém jádře, jehož výsledkem je pozitron (antičástice k elektronu), neutron a elektronové neutrino. je typickým příkladem slabé interakce. Slabou interakcí se rozpadají i jiné částice, například mionMion – těžký elektron, hmotnost má 207 me. Střední doba života je přibližně 2×10−6 s. Těžký elektron se rozpadá na stabilní elektron, elektronové antineutrino a mionové neutrino. Mion se vyskytuje v sekundárních sprškách z kosmického záření. Mion byl objeven C. Andersonem v kosmickém záření za pomoci mlžné komory v roce 1936., tauonTauon – supertěžký elektron, hmotnost má 3 484 me. Jde o nestabilní částici se střední dobou života 3×10−13 s. Rozpadá se na své lehčí dvojníky (elektron nebo mion) a neutrina. Byl objeven v roce 1977 Martinem Perlem. nebo lambda hyperonLambda částice – jedna z částic objevených v kosmickém záření. Její kvarková struktura je uds, tedy jde o baryon obsahující podivný kvark. Částice nemá elektrický náboj, proto za sebou nezanechává
v mlžné komoře žádnou stopu, dokud se nerozpadne pomocí slabé interakce, většinou na proton a záporný pion. Proton a pion za sebou zanechávají stopu ve tvaru písmene Λ, která dala částici její jméno.. Slabá interakce stojí také na počátku protono-protonového řetězce – série fúzních reakcí probíhajících v nitru Slunce a mnoha dalších hvězd. Sloučení dvou protonů na deuteron je záležitost slabé interakce a právě tato pomalá reakce fúzi ve Slunci přibrzďuje. Proto se v pozemských podmínkách snažíme až o fúzi deuteria, která probíhá silnou interakcí, tedy mnohem rychleji. Pokud uvidíte na Islandu typická horká zřídla, jde také o projevy slabé interakce. Teplo potřebné ke vzniku zřídel pochází z radioaktivního rozpadu v nitru naší Země.
Polní částice slabé interakce jsou hned tři – jedna je neutrální (Z0) s hmotností 91 GeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV), teraelektronvolt TeV (1012 eV) nebo petaelektronvolt PeV (1015 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kBT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. a dvě elektricky nabité (W+, W–) s hmotností 80 GeV. Jejich existenci předpověděli američtí teoretici Steven Weinberg a Sheldon Glashow a pákistánský teoretik Abdus Salam v rámci teorie elektroslabé interakce, za kterou získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1979. Polní částice byly objeveny v Evropském středisku jaderného výzkumu CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. na urychlovači SPSSPS – Super Proton Synchrotron, jeden z urychlovačů v Evropském středisku jaderného výzkumu CERN. Dosažitelná energie je 400 GeV/proton. Urychlovač je v provozu od roku 1976. Na přelomu roku 1983 a 1984 zde byly objeveny polní bosony slabé interakce a v roce 2000 zde bylo poprvé připraveno kvarkové-gluonové plazma (zárodečná polévka, ze které vznikal vesmír). – částice W± byla zachycena na konci roku 1983 a neutrální polní částice Z0 v lednu 1984. Částice nalezly kolaborace vedené italským fyzikem Carlem Rubbiou a holandským fyzikem Simonem van der Meerem. Za dlouho očekávaný objev polních částic slabé interakce, který potvrdil správnost standardního modelu, obdrželi Nobelovu cenu za fyziku hned v roce objevu, tedy v roce 1984.
Silná interakce (gluony)
Silná interakce působí na kvarky a částice z nich složené. Její dosah je 10–15 m. Polní částice silné interakce se nazývají gluonyGluony – intermediální (polní, výměnné) částice silné interakce, která působí na hadrony a je krátkého dosahu. Tato interakce spojuje kvarky v mezony a baryony, udržuje pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a způsobuje některé rychlé rozpady elementárních částic. Celkem známe 8 gluonů. Tyto polní částice jsou nositeli barevného náboje (náboje silného interakce). Tím se silná interakce odlišuje od elektromagnetické a slabé interakce. (z anglického slova glue, což znamená lepit, pojit). Je jich celkem 8 druhů a mají hned několik zvláštností. Gluony jakožto polní částice silné interakce jsou nositeli barevného náboje (což je náboj silné interakce), tedy působí i samy na sebe, což u jiné interakce neznáme. Při vysokých energiích gluonové pojivo nepůsobí a kvarky se chovají jako volné částice. Naopak při nízkých energiích působí gluony tak, že volné kvarky nemohou existovat a jsou pospojovány do dvojic (mezonyMezon – částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Název vznikl z toho, že první objevené mezony měly hmotnost „mezi“ hmotností elektronu a protonu. Pokud se kvarky složí s nesouhlasným spinem, vznikne skalární mezon (má nulový spin), pokud se souhlasným spinem vznikne vektorový mezon (spin má roven jedné). Skalární mezony zkombinované z kvarků „d“ a „u“ nazýváme piony, vektorové róony. Pokud mezon obsahuje kvark „s“, nazývá se kaon.), nebo do trojic (baryonyBaryon – elementární částice složená ze tří kvarků s různým barevným nábojem. Výsledná barva je „bílá“. Baryony podléhají silné interakci a patří proto mezi hadrony. Baryony složené z kvarků první generace (d, u) dělíme na nukleony se spinem rovným 1/2 (proton a neutron) a delta baryony se spinem rovným 3/2 (4 částice s různým nábojem). Baryony obsahující s kvark nazýváme hyperony. Nejznámějším je lambda hyperon. Hyperony byly hojně zastoupené v raných vývojových fázích vesmíru, často hovoříme o hyperonovém plynu. Dnes vznikají interakcí kosmického záření s horními vrstvami atmosféry a umíme je vytvořit uměle na urychlovačích.). V raném vesmíru byly energie vysoké a kvarky spolu s gluony tvořily zhruba do deseti mikrosekund existence vesmíru kvarkové-gluonové plazma, jakousi pralátku, ze které pak vznikaly neutrony a protony. Tuto pralátku dnes umíme uměle vytvořit na největších urychlovačích (CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web., BNLBNL (Brookhaven National Laboratory) – Brookhavenská národní laboratoř, jedna z deseti národních laboratoří USA založená Americkým ministerstvem energetiky (DOE–U.S. Department of Energy). Její výzkum je orientován na fyziku, biomedicínu, životní prostředí a energetiku. Laboratoř je umístěna na ostrově Long Island v blízkosti New Yorku. K nejvýznamnějším výsledků patří objev narušení CP symetrie, objev těžkého elektronu (mionu), objev K mezonů, objev částice Ω− předpověděné kvarkovým modelem či objev částice J/ψ – vázaného stavu kvarku c a jeho antikvarku.), kde lze dosáhnout potřebných energií.
Existenci gluonů předpověděl americký fyzik Muray Gell-Mann už v roce 1962. Objeveny byly v německé částicové laboratoři DESYDESY – Deutsches Elektronen SYnchrotron, německé výzkumné centrum částicové fyziky s laboratořemi v Hamburku a Zeuthenu, které bylo založeno v roce 1959. K nejvýznamnějším zařízením patří synchrotronový zdroj záření PETRA III (obvod 2,3 km) a velký evropský laser na volných elektronech European XFEL s délkou 3,4 km, který byl uveden do provozu v září 2017. v roce 1979 při srážkách urychlených elektronů s pozitrony na urychlovači DORIS (detektor PLUTO). Ty vedly ke vzniku úzké rezonanceRezonance (částicová fyzika) – částice s krátkou dobou života. Je to pík (lokální maximum) v grafu účinného průřezu u srážkových experimentů. Nachází se v okolí definované energetické hladiny u složených částic nebo v okolí invariantní hmotnosti v případě elementárních částic. Každý z hadronů má řadu rezonancí, které odpovídají vnitřním energetickým hladinám v jeho struktuře. Šířka rezonance (Γ) je rovna reciproční hodnotě její doby života. V experimentální fyzice pojmy částice a rezonance splývají. (pík v energetickém spektru odpovídající velmi krátce žijícímu hadronuHadrony – částice složené z kvarků, které interagují silnou a slabou jadernou interakcí, pokud jsou nabité, také elektromagneticky. Dělíme je na mezony složené z kvarku a antikvarku a baryony složené ze tří kvarků různých barev. Název je odvozeninou z řeckého hadros (silný, těžký). K nejznámějším mezonům patří piony, k nejznámějším baryonům neutron a proton. Hmotnosti hadronů převyšují hmotnost elektronů o několik řádů. Jejich interakce s látkovým prostředím se výrazně liší jak od elektronů, tak i od fotonů.) rozpadající se na tři gluony. Komplex urychlovačů DESY je součástí Hamburku a návštěva rozhodně stojí za to. O částicích složených z kvarků pojednává podrobněji samostatná kapitola věnovaná silné interakci.
Higgsův boson
Při prvních pokusech o vybudování jednotné teorie elektroslabé interakce vyvstal zásadní problém. V teorii správně figurovaly čtyři polní částice, ale všechny měly nulovou hmotnost. Z vlastností slabé interakce, zejména z jejího konečného dosahu, bylo zjevné, že polní částice slabé interakce musí mít nenulovou hmotnost. Návrh teoretického řešení vznikl nezávisle na třech místech. V roce 1964 publikoval svou práci skotský teoretik
Peter Higgs. Obdobný mechanizmus navrhli ve stejné době belgičtí teoretici
François Englert a Robert Brout, který zemřel v roce 2011, a proto Nobelovu cenu získat nemohl. Obdobné závěry publikovala také skupina z anglické Cambridge (Gerald Guralnik, Carl Hagen a Tom Kibble). Mechanizmus předpokládá zavedení nového pole, které vyplňuje celý prostor a uděluje některým částicím hmotnost. V okamžiku udělení hmotnosti dochází k tzv.
spontánnímu narušení symetrie a původní elektroslabá interakce se štěpí na elektromagnetickou a slabou interakci. Toto pole bylo později nazváno Higgsovo pole a jeho částice Higgsovou částicí. Higgsova částice byla objevena v roce 2012 na detektorech ATLASATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS, detektor pro urychlovač LHC s hmotností 7 000 tun umístěný 100 metrů pod zemí. Jde o multifunkční detektor, který je mj. schopen detekovat Higgsovy bosony. Délka zařízení je 44 metrů, magnetické pole cívky vychylující nabité částice 2 T. a CMSCMS – Compact Muon Solenoid. Víceúčelový detektor vybudovaný v CERN pro urychlovač LHC, vážící 12 500 tun, který je schopen mj. detekovat Higgsovy částice. ve středisku jaderného výzkumu CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. na urychlovači LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015.. Její hmotnost je 125 GeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV), teraelektronvolt TeV (1012 eV) nebo petaelektronvolt PeV (1015 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kBT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. a má nulový spin. Jde o nejdéle hledanou elementární částici. Od návrhu její existence až po objev uplynulo 48 let. Za navržení Higgsova mechanizmu vedoucího k nenulové hmotnosti částic získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2013 Peter Higgs a François Englert.
V roce 1993 prohlásil britský ministr pro vědu, že kdo mu nejsrozumitelněji objasní Higgsův mechanizmus, vyhraje láhev kvalitního sektu. Nakonec zvítězil tento příběh: Představte si rozsáhlý sál, kde je na večírku velké množství vědců. Tito vědci představují Higgsovo pole. Nyní vejde výběrčí daní a chce projít sálem k barovému pultu. Celkem bez odporu projde, nikdo se s ním bavit nebude. Výběrčí daní představuje částici, která s Higgsovým polem neinteraguje a ponechá si nulovou hmotnost. Takovou částicí je například foton. Poté do sálu vejde někdo významný, například sám Peter Higgs. Každý z vědců mu chce sdělit novinky ze své laboratoře, každý touží si s ním potřást pravicí a prohodit alespoň pár slov. Než se Higgs prodere k baru, aby si objednal pivo, uplyne celá věčnost. Taková významná persóna představuje částici, která intenzivně interaguje s Higgsovým polem a získá nenulovou klidovou hmotnost, a proto se pohybuje pomaleji. Nakonec vejde posel zajímavých zpráv. Novinku sdělí nejbližším stojícím hned u vchodu a poté odejde. Novinka se šíří davem, tu a tam se vytvoří hlouček, který o zprávě diskutuje a poté ji sdělí dalším účastníkům večírku. Takové vynořující se hloučky představují Higgsovu částici, která se občas vynoří z Higgsova pole. Poslední částice standardního modelu tak byla nalezena. Standardní model je nejúspěšnějším modelem elementárních částic. Veškeré prováděné experimenty jsou s ním v souladu. O finální teorii ale v žádném případě nejde. Ta musí zahrnovat gravitační interakci a mít podstatně méně vstupních parametrů, než současný model má.
S – silná, W – slabá , E – elektromagnetická, G – gravitace
