Urychlovač SPS patří mezi největší urychlovače na světě (zdroj CERN).

V laboratoři CERN neprobíhají pouze experimenty s využíváním urychlovače LHC. Jsou zde i experimenty, které využívají intenzivní svazky urychlovačů PS a SPS, které slouží jako předurychlovače v systému končícím právě urychlovačem LHC. Tyto urychlovače dosahují nižších energií svazku. Do Protonového Synchrotronu PS vstupují protony s energií 1,4 GeV a v maximu má energii 25 GeV, pak jde svazek do Super Protonového Synchrotronu, kde nakonec dosáhne energie až 450 GeV. Teprve s touto energií se vydá do urychlovače LHC. Přitom se však svazek rozdělí na svazky dva. Ty jsou urychlovány v opačném směru proti sobě a v místech experimentů se svazky kříží a dochází ke srážkám protonů.

Svazky urychlovače PS a SPS se využívají i přímo. V tomto případě se svazky posílají na pevný terč. Hustota atomů, a tedy i jader, je v pevném terči o mnoho řádů vyšší než ve svazku, který je velmi řídkým plazmatem. Dosáhne se tak řádově vyšších počtů srážek a tím i produkovaných částic. Pokud je klidová energie produkovaných částic relativně nízká, nižší energie svazku není na závadu. Mezony pí a K jsou relativně lehké a pomocí urychlovače SPS můžeme připravit jejich velmi intenzivní zdroje.

Svazky mionových neutrin

Pomocí intenzivního zdroje mezonů pí můžeme připravit i intenzivní svazek mionových neutrin nebo antineutrin. Tak tomu bylo i v případě experimentu CGNS (CERN Neutrinos to Gran Sasso), kdy se svazek mionových neutrin posílal směrem k neutrinové laboratoři Gran Sasso. Zde je zachycoval například detektor neutrin OPERA, který dokáže odlišit tauonová neutrina od mionových. Pomocí něho se studovaly právě oscilace mionových neutrin na tauonová.

V tomto případě se využívalo toho, že produkované mezony pí mínus se rozpadají dominantně na mion a antineutrino a pí plus na antimion a neutrino. Výběrem náboje pí mezonu získáme buď svazek mionových neutrin nebo antineutrin. Při dopadu protonů s vysokou kinetickou energií na terč z uhlíku letí částice vzniklé ve srážce čistě vlivem kinematiky (zákonů zachování náboje a hybnosti) ve směru původního pohybu protonů. Magnetickým polem můžeme odchýlit právě jen pí mezony se správným nábojem. Ty se pak rozpadají. Na konci tunelu je pak stěna. Zbývající pí mezony, miony a další nabité částice jsou materiálem za ní pohlceny a do Gran Sasso letí pouze neutrina.

Samotný experiment NA62 je 270 m dlouhý. Jeho součástí je 120 m dlouhá vakuová komor, která je na fotografii. V jejím nitru je celá řada detektorů částic. Zakřivení na fotografii je dáno perspektivou fotografování. (Zdroj CERN).

Už zmíněný experiment OPERA prokázal, že chybějící mionová neutrina se opravdu přeměňují na neutrina tauonová. Připomínám, že jsou v Gran Sasso i další experimenty, které využívaly neutrina produkovaná v laboratoři CERN. Ty ostatní pomohly řešit i otázku, zda jsou neutrina opravdu nadsvětelná, což zdánlivě pozoroval právě experiment OPERA. Nakonec se ukázalo, že to byl problém s vadným konektorem (zde, zde, zde a zde). I tato historie je hezkou ukázkou, jak je důležitá přesná analýza a porovnání výsledků ve více nezávislých experimentech.

Studium rozpadů K mezonů experimentem NA62

Pomocí urychlovače SPS lze produkovat nejen velký počet mezonů pí, ale také velký počet podivných mezonů K. Studium jejich rozpadů je pak extrémně citlivým nástrojem pro studium narušení symetrií ve fyzice a hledání exotické fyziky za Standardním modelem hmoty a interakcí. Ten je současnou teorií popisující strukturu hmoty a existující částice. A právě na hledání rozdílů mezi realitou a Standardním modelem se zaměřuje experiment NA62, jehož nejnovější výsledky budou popsány v tomto článku. V tomto případě dopadá svazek produkovaným urychlovačem SPS na terč z beryllia. Vzniká zhruba miliarda částic za sekundu a z nich zhruba 6 % jsou mezony K. A ty jsou excelentním nástrojem pro testování exotické fyziky.

Je to dáno stejnými důvody, proč mezony K byly přiřazeny k podivným částicím. Ty vznikají ve srážkách jader s vysokou pravděpodobností. To ukazuje, že je to vlivem silné interakce. Zároveň vznikají vždy ve dvojicích. Naopak pravděpodobnost jejich rozpadu byla velmi silně potlačena a jejich doby života jsou o mnoho řádů delší než u podobných rozpadů částic realizovaných prostřednictvím silné interakce. Je tak jasné, že rozpady musí probíhat pomocí slabé interakce. Pro to, že rozpady těchto částic neprobíhají silnou interakcí, ale realizují se slabou, musí být nějaký důvod. Možností, která se ukázala být správnou, byla existence nové fyzikální vlastnosti (veličiny) částic. Částice se právě pro své specifické vlastnosti produkce a rozpadu začaly označovat jako podivné. Proto se tato nově objevená vlastnost nazvala podivností. Dnes víme, že se hadrony, mezi které patří mezony, skládají z kvarků. Nositelem podivnosti je s kvark (podivný kvark). Proč se tak jmenuje, je jasné.

Podivnost se v silné interakci zachovává. Podivné částice tak musejí vznikat v silné interakci ve dvojicích, jedna částice má podivnost kladnou a druhá zápornou o stejné velikosti. Celková podivnost je tak i po reakci nulová. Vznikají při srážkách urychlených částic. Při nich se kinetická energie získaná při urychlení během srážky mění na klidovou energii (hmotnost) nově vzniklé částice.

Při rozpadu podivné částice na částice bez podivnosti dochází ke změně podivnosti, která se tak nezachovává. Narušení zákona zachování podivnosti je možné pouze v procesech realizovaných slabou interakcí. To není nic výjimečného, v procesech spojených se slabou interakcí se narušuje několik zákonů zachování, které jsou pro elektromagnetickou a silnou interakci striktní. Jde hlavně o zákony zachování C, P a T symetrie. Právě pomocí rozpadů mezonů K0 bylo poprvé prokázáno narušení CP symetrie. Tento proces lze využít k tomu, jak mimozemšťanům na dálku sdělit, že jsme z hmoty a ne antihmoty, a kterou ruku považujeme za pravou a kterou za levou.

Příklad Feynmanova diagramu pro jeden z běžnějších hadronových rozpadů nabitého mezonu K. Uplatňuje se u něj slabá zprostředkovaná intermediálním bosonem W i silná interakce zprostředkovaná gluonem. (Zdroj JabberWok on Wikipedia).

Právě případy, kdy je pravděpodobnost rozpadu ve Standardním modelu velmi malá kvůli tomu, že probíhá pouze slabou interakcí, jsou extrémně výhodné pro hledání rozpadů, které jsou realizovány přes virtuální částice nebo procesy neexistující ve Standardním modelu a jsou spojeny s exotickou fyzikou za jeho hranicemi. Tyto zdroje rozpadu nejsou totiž v tomto případě překryty velkým počtem rozpadů probíhajících prostřednictvím silné interakce.

Pozorování extrémně málo pravděpodobného kanálu rozpadu nabitých mezonů K

Nabité podivné mezony K mají klidovou energii (hmotnost) 493,6 MeV a dobu života 12 ns. Nejčastěji se rozpadají na mion a mionové neutrino, pravděpodobnost tohoto kanálu rozpadu je téměř 64 %. Druhým nejčastějším kanálem je pak hadronový rozpad na dvojici nabitého a neutrálního pí mezonu s pravděpodobností téměř 21 %. V řádu jednotek procent jsou ještě rozpady na trojice pí mezonů a dvojice neutrálního mezonu pí a elektronu nebo mionu. Na druhé straně jsou kanály rozpadu tohoto mezonu, které jsou extrémně málo pravděpodobné. Z těch, které byly zatím pozorovány má nejmenší pravděpodobnost rozpad na nabitý pí mezon a dvojici neutrino a antineutrino. Pravděpodobnost tohoto kanálu je 10^-10 (tedy 10^-8 %). A právě studium tohoto rozpadu bylo hlavním cílem studie experimentu NA62, jejíž výsledky byly prezentovány na velké konferenci ICHEP 2020. Ta je věnována částicové fyzice a letos se organizuje v Praze, i když kvůli koronavirové epidemii online.

Příklad jednoho z Feynmanových diagramů extrémně vzácného rozpadu K mezonu na pí mezon a pár neutrino a antineutrino. V dalším může být místo elektronu mion.  Jaké bude neutrino a antineutrino, závisí na tom, který virtuální nabitý lepton se vytvoří. Vše probíhá čistě přes slabou interakci a graf obsahuje uzavřenou smyčku s velmi těžkými virtuálními bosony W, proto je jeho pravděpodobnost extrémně malá. (Zdroj Pavel Brož).

Příklad jednoho z Feynmanových diagramů  ještě vzácnějšího rozpadu K mezonu na pí mezon a pár elektron a pozitron. V dalším může vznikat pár mion a antimion. Virtuální neutrino musí odpovídat vznikajícím leptonům.  Vše opět probíhá čistě přes slabou interakci a graf opět obsahuje uzavřenou smyčku s velmi těžkými virtuálními bosony W, proto je jeho pravděpodobnost extrémně malá. (Zdroj Pavel Brož).

Zvětšit obrázek

Celkový přehled nejjednodušších možných diagramů pro rozpad nabitých K mezonů na napitý pí mezon a pár neutrino a antineutrino. Všechny obsahují uzavřené smyčky. (Zdroj NA62, Radoslav Marchevski, ICHEP2020).

Prezentace Radoslava Marchevského na konferenci ICHEP 2020 i s odkazem na její nahrávku je zde.

Jak bylo zmíněno, produkuje se pomocí svazku z SPS okolo 60 milionů mezonů K za sekundu. Data, která byla analyzována byla pořízena v letech 2016 – 2018. To je doba před zahájením přestávky v činnosti urychlovačů v laboratoři CERN a realizací jejich rekonstrukce.

Celkově byla získána data o rozpadu 6ˑ10¹² rozpadech mezonů K. Je třeba zdůraznit, že hledání extrémně málo pravděpodobného rozpadu K⁺ → π⁺νν na pozadí obrovského množství jiných rozpadů je velmi náročné. Zvláště, když neutrina nelze kvůli jejich extrémně malé pravděpodobnosti interakce detekovat. Identifikují se tak pouze pomocí chybějící energie a hybnosti.

Právě experiment NA62 je speciálně postaven tak, aby dokázal přesně identifikovat K mezony. K tomu slouží čerenkovovský detektor. Následně křemíkové pixelové detektory s velice dobrým časovým rozlišením umožní určit jeho parametry. Následující sestava detektorů umožňuje určit parametry nabitých sekundárních částic vzniklých v rozpadu K mezonů a jejich identifikaci potvrdí další čerenkovovský detektor. Okolo jsou také speciální detektory (kalorimetry), které umožní identifikovat částice, které vytvářejí nežádoucí pozadí.

Pro zjišťování rozdílu mezi předpovědí vycházející ze Standardního modelu a výsledku pozorovaném v experimentu není důležité pouze zlepšování přesnosti experimentu, ale neméně potřebné je i dosažení co nejvyšší přesnosti výpočtů ve Standardním modelu. A právě u tohoto kanálu se daří dosahovat extrémní přesnosti určení teoretické hodnoty. Současná hodnota je pravděpodobnosti rozpadu do tohoto kanálu je (0,84 ± 0,10)ˑ10^-10. Velice dobrá přesnost teoretické hodnoty zvyšuje pravděpodobnost nalezení a prokázání odchylky mezi Standardním modelem a reálnou experimentální hodnotou, ze které bychom se mohli něco dozvědět o exotické fyzice mimo Standardní model.

Náročnost analýzy experimentu je důvodem, proč se musela některá data vyřadit a celkový počet analyzovaných rozpadů mezonů K byl nižší. Celkově se nakonec podařilo nají 20 případů hledaného rozpadu. Dosažená nejistota konečné hodnoty pravděpodobnosti rozpadu do zkoumaného kanálu 1,0ˑ10^-10 byla nakonec okolo 35 % a v mezích těchto nejistot velice dobře odpovídala zmíněné předpovědi Standardního modelu.

Výhledy do budoucna

Pohled na historii modelové předpovědi a experimentálního studia pravděpodobnosti rozpadu nabitého podivného mezonu K+ na nabitý pí mezon a pár neutrino a antineutrino. (Zdroj Experiment NA62).

Komplex urychlovačů v laboratoři CERN se připravuje pro další období urychlování. Vylepšení urychlovačů i jednotlivých experimentů umožní dosáhnout lepších výsledků nejen ve srážkách vstřícných svazků na LHC. Kvalitativní posun lze čekat i u experimentů využívajících svazek z urychlovače SPS dopadající na pevný terč. Experiment NA62 předpokládá nárůst statistiky produkce nabitých mezonů K i případů velmi vzácných rozpadů, například popisovaný rozpad na napity pí mezon a pár neutrino a antineutrino. Neurčitost by se mohlo podařit snížit k hodnotě okolo 10 %. Zároveň by se mohlo podařit pozorovat kanály rozpadu tohoto mezonu s ještě nižší pravděpodobností realizace na úrovni 10^-11. Jde například o extrémně potlačené rozpady na nabitý mezon pí a dvojici nabitých leptonů (elektronů nebo mionů). Extrémně přesné studium těchto rozpadů by mohlo konečně umožnit identifikovat odchylky od Standardního modelu a přinést data pro výběr teorie sjednocení interakcí. Jde o nádherný příklad, že velmi zajímavé výsledky mohou přinést i experimenty využívající daleko nižší energie, než jsou na LHC. V následujících letech se jistě s experimentem NA62 a jeho novými zajímavými výsledky setkáme.

Poznámka: Výsledky z experimentu NA62 jsou jednou z mnoha zajímavých prezentací na konferenci věnované částicové fyzice ICHEP 2020 (40th International Conference on High Energy Physics). Tato konference měla v současné době probíhat v Kongresovém centru v Praze. Kvůli epidemii se přesunula na internet a probíhá online. Výhodou je, že jsou všechny přednášky zaznamenávány a je možné si je kdykoliv pustit na youtube. Příkladem může být včerejší přednáška pro širší veřejnost, která se věnovala pozorování gravitačních vln a přednesl ji Barry Barish.

Pro zajímavost ještě přednáška pojatá jako procházka světem urychlovačů a přednesená v roce 2006 ještě před zahájením provozu urychlovače LHC: