Pro studium vzácných a velmi málo pravděpodobných jevů je důležité pozorovat co největší počet srážek. Veličina, která charakterizuje dosažený celkový počet srážek je integrální luminosita. Její podrobný popis nabízí článek Jak se daří urychlovači LHC. Integrální luminosita udává, jak málo pravděpodobné reakce máme šanci pozorovat. Trochu si to přibližme na tom, že se budeme snažit zasáhnout velmi malou část atomového jádra. Plocha geometrického průřezu celého jádra je zhruba 10-28 m2. A jednotka o takové velikosti je jednotkou tzv. účinného průřezu, což je veličina určující pravděpodobnost reakce. Nazývá se barn = 10-28 m2. Jestliže budeme chtít zasáhnout plošku v jádře, která je ještě o patnáct řádů menší než samotný průřez jádra, budeme mít ještě 1015 krát menší pravděpodobnost. Patnáct řádů je označováno předponou femto a účinný průřez pro zmíněnou trefu do plošky o patnáct řádů menší než geometrický průřez jádra bude femtobarn. A právě jevy s tak malou pravděpodobností umožnila produkovat integrální luminosita postupně dosažená v tomto roce (viz obrázek vpravo). Podařilo se to díky tomu, že se urychlovačem prohánělo již 2800 shluků protonů, přičemž v každém shluku bylo 100 miliard protonů. V místě srážek byly tyto shluky natlačeny do svazku podobného extrémně tenké niti s poloměrem pouhého zlomku milimetru (pouhé desítky mikrometrů). I díky tomu každou sekundu práce urychlovače probíhalo zhruba 600 milionů srážek. Aby bylo hned vidět, jak nepravděpodobné jevy lze při dané integrální luminositě pozorovat, tak se uvádí v takových jednotkách, aby po vynásobení pravděpodobností (účinným průřezem) dané reakce jsme dostali počet reakcí, který se uskuteční. Tedy v jednotkách inverzní barny (inverzní femtobarny = fb-1).
Právě vysoká integrální luminosita, které se podařilo v letošním roce dosáhnout, umožnila učinit značný pokrok v hledání Higgsova bosonu. Nebyl sice konečně zachycen, ale experimenty ATLAS a CMS určily řadu intervalů hmotností, ve kterých se nevyskytuje. Experiment LHCb prokázal význačné rozdíly mezi hmotou a antihmotou, které naznačují projevy úplně nové fyziky. Nejdříve se však podíváme na některé výsledky experimentu ALICE při studiu velmi horké a husté hmoty ve srážkách jader olova, které probíhají vždy koncem roku.
Viskozita
Supratekutá kapalina, kterou se ukázalo být kvark-gluonové plazma i při hustotách energie a teplotách dosahovaných při srážkách na LHC, má extrémně nízkou viskozitu. To je fyzikální veličina popisující odpor tekutiny, tedy plynu nebo kapaliny, proti změně tvaru nebo tečení. Je odrazem vnitřního tření a závisí na přitažlivých silách mezi částicemi, jež tekutinu tvoří. Čím větší tato síla je, tím vyšší je viskozita a tím hůře tekutina teče. Převrácená hodnota viskozity se označuje jako tekutost, pro kterou tedy platí, že je vyšší, tím menší jsou síly mezi částicemi tvořícími tekutinu, a ta pak lépe teče.
Ideální kapalina s viskozitou blízkou nule teče extrémně dobře. Voda teče hůře, ale stále lépe než například viskóznější med. Asfalt pak při pokojové teplotě teče extrémně pomalu, což je projevem extrémně vysoké viskozity. Tu změřil experiment, který v roce 1927 zahájil Thomas Parnell na Univerzitě v Queenslandu tak, že nechal asfalt odkapávat. Pokus stále probíhá a zhruba jednou za deset let odkápne jedna kapka. Zatím jich bylo osm. V mezičase Parnell zemřel a v jeho experimentu nyní pokračuje John Mainstone. Jedná se o nejdéle nepřetržitě běžící experiment v historii vědy. Oběma výzkumníkům přinesla Ig Nobelovu cenu, udělovanou vědeckým počinům, které nutí zároveň ke smíchu i zamyšlení. Experiment určil, že viskozita asfaltu je zhruba 230 miliardkrát větší než viskozita vody. Poslední kapka odkápla v roce 2000 a další by se měla oddělit někdy teď. Toto odkápnutí by se už mohlo zachytit kamerou.
Zajímavý je ještě jeden příběh z historie zkoumání viskozity, a to z jejího počátku. V druhé polovině devatenáctého století se James Clerk Maxwell zabýval kinetickou teorií plynů a na jejím základě popsal viskozitu plynů. Z teorie mu vyplynulo, že viskozita lineárně závisí na součinu hustoty, střední volné dráhy atomů v plynu a jejich střední kvadratické rychlosti. Jestliže se zvýší hustota, klesne ve stejném poměru střední volná dráha atomů a viskozita se nezmění. Jestliže se mění tlak a nemění teplota, bude se měnit hustota, ale jak již bylo řečeno, nebude se měnit viskozita. Se změnou teploty se však mění střední kvadratická rychlost atomů a mění se i viskozita. Maxwell tedy předpověděl, že viskozita se bude měnit se změnou teploty a nebude se měnit se změnou tlaku a hustoty. Požádal experimentátory (jednalo se o G. G. Stokse a Sabina), aby jeho předpověď ověřili. Výsledky, které experimentální fyzikové obdrželi, však jeho předpovědím odporovaly. Pozorovali závislost viskozity plynu na tlaku. Maxwell však považoval svoji teorii za natolik krásnou, že se s tím nemohl smířit. Proto si sám postavil potřebné experimentální zařízení a Maxwell experimentátor potvrdil Maxwella teoretika. Později se našla i chyba, které se jeho kolegové v předchozích pokusech dopustili.
Viskozita kapalin může být i extrémně vysoká, jako například u zmiňovaného asfaltu. Pro velké hodnoty neexistuje žádné omezení. Pro velmi nízké hodnoty viskozity, které jsou charakteristické pro tekutiny s vlastnostmi blízkými ideální supratekuté kapalině, omezení existuje. Je dáno kvantovou fyzikou a vyplývá z toho, že střední volná dráha nemůže být menší než vlnová délka částic, které tekutinu tvoří. Hodně populárně řečeno, pokud by tomu tak bylo, nestihla by si částice mezi srážkami ani „uvědomit“, že je částice a není pouze vlnou. Viskozita tak nemůže mít nižší hodnotu než tu, která odpovídá dané vlnové délce. Může tedy být extrémně malá, ale ne úplně nulová. Její naměřená hodnota také velmi silně závisí na podmínkách měření.
Jak se ukázalo v předchozích experimentech na urychlovači RHIC, je kvark-gluonové plazma, které je formou jaderné hmoty vznikající při velmi vysoké teplotě a hustotě, ve stavu blízkém ideální kapalině s extrémně malou viskozitou (viz zde). Cílem právě probíhajícího měsíčního srážení jader olova je pokračování v úspěšném studiu tohoto velice zajímavého extrémního stavu hmoty. Zde je podrobný článek o vlastnostech kvark-gluonového plazmatu a prvních výsledcích, které byly získány předběžnou analýzou měsíčního srážení jader olova uskutečněného koncem minulého roku.
Podrobnější analýza těchto dat umožnila zjistit spektra hybností i velmi těžkých částic. Ty žijí velice krátce a jsou identifikovány pomocí částic, na které se rozpadají. Přesná rekonstrukce dráhy těchto produktů rozpadu a určení jejich energie, umožňuje určit klidovou hmotnost původní částice. Tato její vlastnost se označuje jako invariantní, protože je stejná ve všech soustavách pohybujících se rovnoměrně přímočaře. A právě zrekonstruovaná invariantní hmotnost umožňuje identifikovat původní částici. Počet těchto částic je dán podmínkami, které byly ve hmotě tvořené původními kvarky, jejichž spojením vznikly. Jejich spektra hybností (energií) pak umožňují získat informaci o teplotě hmoty, ze které byly vyzářeny. Velmi zajímavé informace nesou částice obsahující jeden nebo více podivných kvarků s, které se produkují v daleko větším množství v případě vzniku kvark-gluonového plazmatu, než když tato forma hmoty nevznikne. A právě analýza dat získaných při srážkách jader olova v minulém roce poskytla cenné informace o produkci baryonů Ξ (ksí), z nichž každý kromě kvarku d obsahuje i dva kvarky s, a baryonů Ω tvořených třemi kvarky s.
Rozdíl mezi hmotou a antihmotou
Velice zajímavým výzkumným počinem tohoto roku je zkoumání rozdílů mezi hmotou a antihmotou experimentem LHCb. Poznání tohoto rozdílu je nutné pro pochopení existence našeho vesmíru. Na jeho počátku bylo totiž stejné množství hmoty a antihmoty, ale v určitém období jeho raného vývoje se vytvořil určitý přebytek hmoty nad antihmotou. Když pak došlo k anihilaci, při které vzniklo elektromagnetické záření, dnes pozorované jako reliktní mikrovlnné záření, zanikla veškerá antihmota a zůstal jen ten přebytek hmoty. Je zodpovědný za to, že existují galaxie, hvězdy, planety i my. Tento přebytek hmoty nad antihmotou se označuje jako baryonová asymetrie vesmíru a její velikost byla zhruba taková, že na jednu miliardu případných budoucích protonů bylo miliarda antiprotonů mínus jeden. Protony jsou nejlehčí baryony a antiprotony nejlehčími antibaryony.
Tato asymetrie mezi hmotou a antihmotou je podmíněna odlišitelností světa od antisvěta. Jinak řečeno neplatí, že v případě záměny všech částic za antičástice budou probíhat všechny procesy stejně. Toto narušení tzv. nábojové C-symetrie, které bylo pozorováno v řadě procesů, nastává pouze při procesech, které probíhají slabou interakcí. V téměř všech případech je toto narušení nábojové symetrie kompenzováno stejně velkým narušením v opačném směru, které se pozoruje při zrcadlové symetrii. To znamená, že pokud zaměníme částice za antičástice a zároveň je zobrazíme v zrcadle, bude vše probíhat úplně stejně. Svět bude vypadat úplně stejně jako antisvět v zrcadle a oba tyto světy nebudou od sebe odlišitelné. Zrcadlová symetrie souvisí se zákonem zachování veličiny, která se označuje jako parita P. O kombinované CP symetrii mluvíme tehdy, když je zrcadlový antisvět stejný jako svět.
Ke vzniku přebytku hmoty nad antihmotou nestačí jen odlišnost hmoty a antihmoty (narušení C-symetrie), ale také musí existovat rozdíl mezi světem a antisvětem v zrcadle (narušení CP-symetrie). Tato rozdílnost, i když velmi slabá, byla pozorována v rozpadech neutrálních mezonů a antimezonů K0. Asymetrie v rozpadech těchto částic umožňuje sdělit mimozemšťanům, se kterými bychom komunikovali pouze rádiově na dálku, co je antihmota a co označujeme jako levé či pravé. Narušení CP-symetrie existuje už ve standardním modelu hmoty a interakcí, který je současnou fyzikální teorií popisující strukturu hmoty. Podrobný popis CP-symetrie a jejího využití pro komunikaci s mimozemšťany je v tomto článku.
Velikost narušení CP-symetrie, která se dostává ze standardního modelu, nestačí na vysvětlení vzniku přebytku hmoty v raném vesmíru. Proto je k tomu potřeba nová fyzika, která se začne projevovat při velmi vysokých teplotách a hustotách energie. A právě projevy rozdílů mezi hmotou a antihmotou v zrcadle má hledat experiment LHCb. Ten se zaměřuje na studium mezonů obsahujících druhý nejtěžší kvark b. Mezi nimi jsou i mezony a antimezony B0, které se chovají podobně jako mezony K0. Jen jsou těžší a i narušení CP-symetrie předpovídané standardním modelem je u nich větší.
Už v první analýze získaných dat se objevuje rozdíl v rozpadech mezonů a antimezonů B0 na dvojici nabitého mezonu K a mezonu pí, který umožňuje určovat rozdíl mezi hmotou a antihmotou a narušení CP symetrie.
Průlom a nahlédnutí do nové fyziky se však podařil experimentu LHCb u jiných mezonů. Mezony a antimezony D0 obsahují místo druhého nejtěžšího kvarku b lehčí kvark c. Takže zatímco hmotnost mezonu B0 je zhruba 5,2 GeV/c2 (je více než pětkrát těžší než proton), mezon D0 má hmotnost pouhých zhruba 1,9 GeV/c2 (je jen dvakrát těžší než proton). Podle standardního modelu by mělo být narušení CP symetrie v rozpadech D0 mezonů velmi malé. Experiment LHCb, stejně jako u rozpadů B0 mezonů a antimezonů, studoval rozpady D0 mezonů a antimezonů tentokrát na dvojici nabitých mezonů K+K- a pí+pí-. Vybíraly se pouze případy, kdy mezon D0 vznikal spolu s pí+ mezonem v rozpadu D*+ mezonu a antimezon D0 pak spolu s pí- mezonem v rozpadu D*- antimezonu. Tím máme jasnou identifikaci, kdy se jednalo o částici a kdy o antičástici.
Pozorovaný rozdíl v chování částic a antičástic je 0,8 %, tedy osmkrát větší než předpovídá standardní model. Přesnost hodnotou odpovídá zhruba třem standardním odchylkám nad hodnotou určenou standardním modelem. V tomto případě je pravděpodobnost, že jde o výsledek statistické fluktuace velice malá, ale ne úplně zanedbatelná. Proto se očekává velmi podrobná analýza nejnovějších dat, která by měla výsledky zpřesnit.
Připomeňme, že podobně velký rozdíl mezi rozpady mezonu a antimezonu D0 pozoroval i experiment CDF na urychlovači Tevatron. Ovšem tam byla díky nižší statistice větší nepřesnost. Společné pozorování LHCb a CDF ale dodává tomuto výsledku vyšší váhu. Také experiment CDF nemá provedenu úplnou analýzu všech dat a tak lze očekávat u obou experimentů výrazné zvýšení přesnosti a jasné prokázání projevů nové fyziky.
Toto pozorování rozpadů mezonu a antimezonu D0 je zatím nejvýraznější známkou projevu fyziky za standardním modelem a mohlo by být prvním krokem ke zjištění, které hypotézy popisující tuto fyziku jsou správné.
Hledání Higgsova bosonu
Hledáním Higgsova bosonu se zabývají dva největší experimenty postavené na urychlovači LHC. Prvním je ATLAS a druhým CMS. Každý z nich se zaměřuje na jiné typy rozpadu Higgsova bosonu a představuje lepší test jiné oblasti jeho hmotností. Experiment CMS například studuje rozpad Higgsova bosonu na dva fotony, dva tau leptony, dva b kvarky, dva W bosony nebo dva Z bosony.
Standardní model nedokáže předpovědět hmotnost Higgsova bosonu. V případě, že je však jeho hmotnost dána, může spočítat pravděpodobnosti jeho produkce a různých typů jeho rozpadu. Je tak možné stanovit pravděpodobnosti produkce Higgsova bosonu, které charakterizuje veličina účinný průřez, a pravděpodobnost jeho rozpadu na daný soubor částic pro jeho předem definovanou hmotnost. Jestliže vydělíme pozorovanou pravděpodobnost tou spočtenou, měli bychom při správnosti standardního modelu dostat jedničku. Pokud ovšem zjistíme, že se neprodukuje pro danou hmotnost ani s daleko nižší pravděpodobností, můžeme existenci „klasického“ Higgsova bosonu odpovídajícího standardnímu modelu pro danou hmotnost vyloučit. Pokud limitu na produkci „higgse“ pro danou hmotnost snížíme dostatečně, třeba na úroveň dvou standardních odchylek reprezentujících 95% úroveň pravděpodobnosti, je existence standardního higgse vyloučena. Společná analýza dat z obou experimentů dokázala vyloučit dost rozsáhlou oblast hmotností.
Na obrázku vlevo je to celá část křivky pod úrovní y = 1. Oblast, kterou vyloučil LHC leží mezi hmotností 140 GeV/c2 a 475 GeV/c2 (v obrázku je vyznačena červeně). Pro představu 1 GeV/c2 je o něco málo více než hmotnost protonu. Oblast vyloučena urychlovačem LEP, který byl předchůdcem LHC v laboratoři CERN se táhne až po hmotnost 114 GeV/c2 (v obrázku vyznačeno zeleně). Některé části zmíněných oblastí byly souběžně vyloučeny pomocí urychlovače Tevatron (v obrázku modře).
Higgse s hmotností větší než 400 GeV/c2 je vyloučen z teoretických důvodů souvisejících s teorií elektroslabé interakce a experimentálním určením jejich parametrů. Stále není vyloučena možnost, že má higgs hmotnost mezi 114 GeV/c2 a 140 GeV/c2. Na tu se bude soustředit podrobná analýza všech dostupných dat, která byla získána v roce 2011.
Bylo zmíněno, že higgs se identifikuje pomocí produktů jeho rozpadu. Ovšem stejná kombinace výsledných částic může nastat náhodným spojením jiných procesů a rozpadů. Toto pozadí lze spočítat pomocí standardního modelu a v obrázku je vyznačeno přerušovanou čarou. Tento výpočet má jistou nepřesnost, která je v grafu vyznačena zeleně (jedna standardní odchylka) a žlutě (dvě standardní odchylky, které reprezentují 95 %).
Ještě je třeba zmínit, že oba experimenty ATLAS a CMS pozorují mírný přebytek případů v oblasti mezi 130 až 140 GeV/c2. Ovšem jen podrobnější analýza nebo nová měření a zvýšení statistiky mohou rozhodnout, jestli jde opravdu o příznak existence Higgsova bosonu nebo jen o statistickou fluktuaci v pozadí.
Velikost pozadí a zaručení co nejpřesnějšího určení parametrů částic, které mají v rozpadu higgse vznikat, závisí na typu zkoumaného rozpadu, rozlišovací schopnosti detektorů, přesnosti kalibrací a kvality analýzy. Vhodným výběrem rozpadů, stálým zpřesňováním znalostí používaných detektorů a jejich kalibrací by se i s využitím dosud nezanalyzované části dat z tohoto roku měl higgs najít ve zmíněné dosud nevyloučené oblasti hmotností. Pokud k tomu nebudou letošní data ještě stačit, tak zcela určitě už bude dostatečné předpokládané navýšení statistiky nabraných dat v roce příštím. Takže se buď standardní higgs objeví nebo se prokáže jeho neexistence. A to bude opravdu zajímavá situace a prostor pro novou fyziku a nápady teoretiků. Bude totiž nutné vymyslet něco, co zastoupí higgse ve standardním modelu.
Tevatron
Na Oslovi se už psalo o tom, že poslední zářijový den ukončil svou činnost urychlovač Tevatron, který umožňoval před spuštěním urychlovače LHC nejenergetičtější srážky částic na světě. Přesný popis tohoto urychlovače a dvojice experimentů CDF a D0, které na něm studovaly strukturu hmoty, nabízí článek Tevatron a LHC. V Tevatronu, který pracoval od roku 1983, se na rozdíl od LHC srážely protony s antiprotony urychlované na kinetickou energii převyšující hodnotu 1 TeV, což je 1000 GeV. Hmotnost těchto částic tak přesahovala tisícinásobek jejich klidové hmotnosti. Asi největším objevem tohoto amerického úspěšného urychlovače bylo prokázání existence nejtěžšího šestého kvarku t.
Ale jak se i na Oslovi psalo (zde a zde), podařilo se mu doplnit řadu nových hadronů, které obsahují druhý nejtěžší kvark b. Protože se nejtěžší kvark t rozpadá rychleji, než stihne s jinými kvarky vytvořit vázaný hadron, jsou tyto hadrony těmi nejtěžšími, a tím i nejexotičtějšími. Jde hlavně o baryony, tedy částice, které jako proton nebo neutron obsahují tři kvarky. Na obrázku jsou baryony, které obsahují kvarky u, d, s a b se spinem 1/2. První úroveň tvoří baryony, které neobsahují kvark b. Ty byly známy už před výzkumy na urychlovači Tevatron. V druhé úrovni je již dříve potvrzený baryon Λb, ty další byly postupně objevovány a zkoumány právě pomocí urychlovače Tevatron (viz zmíněné předchozí články). V červenci 2011 se podařilo doplnit předposlední částici v této úrovni. Jedná se o neutrální baryon Ξb0, který je složen z jednoho u, jednoho s a jednoho b kvarku. Jeho potvrzení bylo velmi složité. Částice se velmi rychle rozpadá, stihne urazit pouze zhruba milimetr. Navíc samotný rozpad je značně komplikovaný a náročný pro identifikaci. Zkoumáním produktů zhruba 500 bilionů srážek protonů s antiprotony se experimentu CDF podařilo najít 25 případů vzniku a rozpadu tohoto baryonu. Jeho zjištěná hmotnost je 5,79 GeV/c2, je tedy zhruba šestkrát těžší než proton. Experimentu se navíc podařilo zachytit nové typy rozpadu už známých nabitých baryonů Ξb.
Neobjeven tak zůstává jediný baryon na této úrovni, tedy s jedním kvarkem b. Jedná se o neutrální baryon Σb0. Jeho prokázání se může ještě podařit i fyzikům na Tevatronu, protože zpracování získaného velkého objemu dat stále pokračuje a bude trvat ještě řadu měsíců. Případně se toho zhostí, stejně jako hledání prvních baryonů se dvěma kvarky b, urychlovač LHC.
Dalším důležitým úkolem urychlovače Tevatron bylo hledání Higgsova bosonu. Bylo však neúspěšné a planým se ukázal být i letošní poplach. K pátrání po higgsu tak přispěl zejména zmíněným vyloučením některých jeho hmotností.
Závěr
V tomto roce tedy urychlovač LHC definitivně převzal štafetu ve zkoumání nejjemnější a nejhlubší struktury hmoty od urychlovače Tevatron. Obě zařízení v letošním roce přinesly velmi zajímavé výsledky. Snad zatím nejdůležitější je pozorování projevů nové fyziky experimentem LHCb, projevující se v rozdílech mezi rozpady mezonu a antimezonu D0, nabízející tak cestu k vysvětlení vzniku přebytku hmoty nad antihmotou v raném vesmíru. Dá se předpokládat, že v příštím roce bude LHC pracovat stejně úspěšně jako letos a dočkáme se dalších zajímavých výsledků. A třeba i toho dlouho očekávaného Higgsova bosonu.
Poznámka: Pokud se někdo úplně ztratil v chaosu různých částic, Ariadninu nit najde v tomto článku. S tím jak vypadá a funguje samotný urychlovač a jeho experimenty vás obeznámí článek Proč urychlovač LHC a jeho experimenty vypadají tak, jak vypadají . O tom, že se nemusíme bát objektů, které vyprodukuje (třeba mikroskopických černých děr) vás snad přesvědčí příspěvek Ohrožuje spuštění LHC naši existenci?
Diskuze:
