Prokázáním existence Higgsova bosonu se dovršilo potvrzování částic předpovídaných Standardním modelem částic a interakcí. Objev vedl k ocenění Petera Higgse a Francoise Englerta Nobelovou cenou v minulém roce. Urychlovač LHC v laboratoři CERN sice zatím ještě stojí a pracuje se na vylepšování samotného urychlovače i jednotlivých experimentů, ale analýza dat získaných během tří let první etapy provozu probíhá a bude ještě řadu měsíců pokračovat. Dva experimenty, které jsou zaměřeny na zkoumání Higgsova bosonu (ATLAS a CMS), už identifikovaly řadu milionů jeho rozpadů. A s analýzou dalších dat nesoucích informace o různých možnostech jeho rozpadu neustávají. Zaměřují se na stále vzácnější způsoby, kterými se rozpadá. Ty mohou přinést nejvíce informací o podstatě a vlastnostech tohoto bozonu i o možné fyzice, která stojí za Standardním modelem.
Nejen rozpady Higgsova bosonu, ale několik další velmi vzácných rozpadů či společné produkce částic, které se pomocí experimentů využívajících urychlovač LHC podařilo poprvé pozorovat a zkoumat, ukazují perfektní shodu s předpověďmi Standardního modelu. To sice zmenšuje prostor pro pozorování známek nové fyziky za ním, ale stále je možnost, že se z větší statistikou a přesnější analýzou dat její projevy objeví.
Navíc se poměrně nedávno podařilo na urychlovačích v Japonsku a Číně pozorovat příznaky nových exotických částic, i když patří do zoologie postavené na složeninách z komponent Standardního modelu - kvarků. V daném případě objekt skládající se ze čtyř a pěti kvarků. Částice, které by mohly odpovídat těmto exotickým multikvarkovým systémům se pozorují i pomocí experimentů pracujících na urychlovači LHC. Možné pozorování takových exotů už bylo ohlášeno v minulosti několikrát a psalo se o tom docela často, viz například podrobný článek pro časopis Kozmos, který popisoval situaci v této oblasti před osmi lety. Ovšem tato pozorování byla zatím vždy později vyvrácena. Ke konečnému potvrzení objevů a hlavně jejich příslušné interpretace zatím nedošlo ani u těch z nedávné doby. Ani tentokrát ještě nejde o konečný důkaz a situace je stále otevřená, přesto nové pozorování naznačuje, že i bez nové fyziky v rámci Standardního modelu je stále prostor pro velmi zajímavé objevy.
Jestliže chceme začít povídání o výzkumu v laboratoři CERN, musíme začít u světa částic v něm u Standardního modelu hmoty a interakcí. Ten je tou fyzikální teorií, která reprezentuje naše současné poznání struktury hmoty a je excelentní při popisu právě i fyziky, která se pozoruje na urychlovači LHC. Náš průvodce světem částic je současnou reflexí podobnou té, která vyšla na Oslovi před šesti lety a mapovala situaci v době očekávání dobudování urychlovače LHC. I ze srovnání těchto dvou článků lze vidět, že rozvoj vědy i fyziky není zase tak plný zvratů, jak by to mohlo vypadat z populárně vědních článků na internetu.
Struktura hmoty z pohledu současné fyziky
V současné době téměř každý ví, že se náš svět skládá z atomů. Ty se pomocí chemických vazeb založených na elektrických silách (elektromagnetické interakci) váží do jednoduchých i velmi složitých molekul. Ví se také, že atomy nejsou nedělitelné, jak by mohl naznačovat jejich název, ale skládají se ze dvou částí. Jde o jádro, kolem kterého se nachází oblak elektronů. Jádro je velmi malé, jeho rozměry jsou o čtyři až pět řádů menší, než je rozměr samotného atomu. Skládá se z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů (dohromady se jim říká nukleony) a obsahuje téměř všechnu hmotnost atomu. Protony a neutrony jsou totiž zhruba 2000krát těžší než elektrony. Zatímco rozměr atomu je v řádu 10-10 m, rozměr jádra je v řádu 10-15 m u lehkých jader a 10-14 m u těžkých jader. Hustota atomového jádra tak je zhruba 1018 kg/m3. Hmota, kterou okolo sebe vidíme a ze které jsme i složeni, se tak skládá z obrovských prázdných prostor. Trochu přiblížit si to lze, když si představíme, že by se jádro lehkého prvku zvětšilo na velikost jednoho centimetru. Téměř veškerá hmotnost by byla umístěna v něm a až do vzdálenosti jednoho kilometru, což by byl rozměr atomu, by byl jen sem tam nějaký elektron s o tři řády nižší hmotností, než mají protony a neutrony v jádře. I naše těla jsou tak dominantně složena z prázdnoty.
Elektrony mají rozměr menší než 10-18 m, což je nejmenší rozměr, který dokážeme pomocí současných urychlovačů určit. Z našeho současného pohledu jsou tak bodovými objekty. Jiná situace je u protonů a neutronů. Ty mají rozměr zhruba 10-15 m, vždyť jádro nejlehčího atomu, kterým je vodík, je právě proton. Elektrony mají stejnou velikost náboje jako protony, jen elektrony mají náboj záporný a proton kladný. Celkový náboj jádra je tak dán počtem protonů a je kladný. Kladný náboj jádra vytvářený protony v něm drží elektrickou silou záporně nabité elektrony v atomu. Pokud je počet elektronů stejný jako počet protonů v jádře, bude atom neutrální. Počet elektronů v neutrálním atomu pak určuje chemické vlastnosti příslušného atomu (prvku).
Zoologie částic a interakcí
Jaká síla (interakce) drží elektrony v atomech, už bylo zmíněno, teď se podívejme na to, jaká síla drží protony a neutrony v jádře. Elektrická síla to být nemůže, protože v jádře jsou pouze nabité protony a stejně nabité částice se odpuzují. Síla působící v jádře musí být silnější než elektrická síla a zároveň musí mít jenom krátký dosah, který nepřekračuje rozměr jádra, jinak by její působení bylo na větších vzdálenostech patrné.
Právě krátký dosah těchto sil byl jedním z důvodů, proč japonský fyzik Hideki Yukawa přišel s představou, že je tato silná jaderná síla způsobena výměnnou interakci. Z jejího dosahu bylo možné ocenit hmotnost částice, kterou si protony a neutrony vyměňují, na zhruba desetinu hmotnosti nukleonu. Intenzivní hledání těchto částic vedlo k objevu dvou nových, které hmotností vyhovovaly. Prvním byla mion, který však neinteragoval silnou jadernou interakcí, pouze elektrickou. V tom se velice podobal už známému elektronu. Později se ukázalo, že i v řadě dalších ohledů je tato částice elektronu podobná a lze ji považovat za jeho těžšího „bratříčka“. Tím, že neinteragoval silnou jadernou silou, bylo jasné, že nemůže být tou správnou částicí, jejíž existenci předpověděl Hideki Yukawa. Tou se nakonec ukázala být ta druhá zmíněná částice. Ta dostala název mezon pí. Podobně, jako u neutronů a protonů, jde o částici s vnitřní strukturou, která interaguje silně. Byly nalezeny její tři nábojové varianty, s nábojem velikosti náboje elektronu jak kladným tak záporným, a také neutrální mezon pí. Později se našla celá řada mezonů s různou hmotností a vlastnostmi. Jejich výměna mezi nukleony způsobuje silnou jadernou sílu mezi nimi a formuje její vlastnosti. Ukázalo se například, že tato interakce nemusí být jen přitažlivá, ale na velmi malé vzdálenosti, menší než polovinu rozměru nukleonu, se stává odpudivou.
Fyzikové tak měli najednou dva druhy částic. Prvním typem byly elektron a mion, které neinteragovaly silnou jadernou silou. Tyto částice, bez silné interakce, se začaly označovat jako leptony. Druhou skupinou pak byly proton, neutron a nově objevené mezony pí. Ty silnou interakcí interagují a začaly se společně označovat jako hadrony.
Nukleony a mezony se liší v jedné podstatné vlastnosti, a tou je spin. Spin je fyzikální veličinou popisující vnitřní moment hybnosti daného mikroskopického objektu (částice či jádra). Ovlivňuje statistické chování částic, tedy to, jakým způsobem se částice chovají v případě jejich většího počtu. Jde o veličinu, která je specificky spojena s mikrosvětem a kvantovou fyzikou. Podobně jako řada jiných kvantových veličin může mít pouze přesně dané diskrétní hodnoty. Vyjadřuje se v jednotkách násobků tzv. redukované Planckovy konstanty (1,05∙10-34Js). Tyto násobky mohou být celočíselné (tedy 0, 1, 2, 3, …) a v takovém případě mluvíme o bosonech. Nebo mohou být poločíselné (tedy 1/2, 3/2, 5/2, …) a v takovém případě mluvíme o fermionech. V případě bosonu může být v jednom kvantovém stavu nekonečně mnoho stejných bosonů, v případě ferminou může být v jednom kvantovém stavu pouze jeden stejný fermion.
Zatímco neutrony a protony jsou fermiony se spinem ½ násobku redukované Planckovy konstanty (zjednodušeně se mluví o spinu ½), mezony pí mají spin 0 a jsou bosony. Hadrony, které jsou stejně jako proton a neutron fermiony, dostaly označení baryony. Hadrony podobné mezonům pí se nazývají mezony. V následujících letech se podařilo najít velké množství mezonů a baryonů, což spolu s jejich rozměry vedlo k otázce, jestli se neskládají z nějakých ještě elementárnějších částic. Dnes víme, že těmito částicemi jsou kvarky.
U leptonů byl počet nově objevených částic relativně velmi malý. První objev, který doplnil elektron a mion, byl spojen s vysvětlením záhady, která doprovázela rozpad beta. Při něm byly jako produkt rozpadu pozorovány dceřiné jádro a elektron. V případě takového rozpadu jádra pouze na dva objekty by se energie rozdělila mezi dceřiné jádro a elektron pokaždé stejně a v závislosti na poměru mezi hmotností jádra a elektronu. Elektron by tak měl vždy přesně danou jednu hodnotu energie. Ovšem, tak tomu nebylo, a při rozpadu beta se pozorovalo spojité rozdělení energie elektronů vzniklých v rozpadu beta, přičemž maximální hodnota energie odpovídala energii, kterou by měly mít všechny elektrony. Stejně tak nesouhlasil spin dceřiného jádra s tím, co by vycházelo z rozpadu beta se vznikem pouze elektronu. Zákon beta by v takovém případě narušoval všechny tři fundamentální zákony zachování. Tedy zákon zachování energie, zákon zachování hybnosti i zákon zachování momentu hybnosti. Situaci vyřešil v roce 1931 Wolfgang Pauli předpovědí existence neutrální částice s velmi malou hmotností, která neinteraguje silnou interakcí. Dostala název neutrino.
Existence této částice čekala na potvrzení až do roku 1956, kdy byly k dispozici velmi intenzivní zdroje neutrin v podobě reaktorů (podrobněji zde ). Důvodem pro velmi náročnou detekci neutrina je, že interagují pouze slabou interakcí. To je třetí typ interakce, který je součástí Standardního modelu. Je tak slabá, že nedokáže vázat žádné systémy dohromady. Na druhé straně jí však příroda dovolila narušovat některé zákony zachování, které silná i elektromagnetická interakce musí striktně dodržovat. Proto také beta rozpad probíhá slabou interakcí, která jediná umožňuje při něm probíhající přeměny. Podrobněji o tom, jak se detekují je zde.
K nabitým leptonům elektronu a mionu přibyl později ještě třetí, který dostal název tauon a jeho hmotnost je téměř dvakrát větší než hmotnost protonu, a tedy více než o tři řády větší než hmotnost elektronu. Zjistilo se, že existují také tři neutrální leptony, každý úzce svázán se svým nabitým leptonovým protějškem. Máme tak elektronové neutrino, předpovězené Paulim a dále neutrina mionové a tauonové. Dohromady tak máme šestici leptonů, která je rozdělena do tří dvojic, složených z nabité a neutrální částice.
Svět a antisvět
Ukázalo se také, že každá prozatím jmenovaná částice má partnera – antičástici. Ta má stejnou hmotnost, dobu života, spin, velikost náboje či magnetického momentu, ale liší se ve znaménku náboje či magnetického momentu. Existence první antičástice byla předpovězena pro případ elektronu v roce 1928. Paul Dirac se snažil najít relativistickou pohybovou rovnic pro částice se spinem 1/2. Jim nalezená rovnice však nabízela kromě řešení, která popisovala elektron, i řešení, která se dala interpretovat, jako částice s vlastnostmi elektronu, lišící se pouze znaménkem náboje. Tato antičástice dostala název pozitron a její existence byla potvrzena Paulem Andersonem v roce 1932. Později se zjistilo, že i všechny ostatní leptony nabité a neutrální mají své antičástice, takže máme kromě záporně nabitých mionů a tauonů i kladně nabité antimiony a antitauony. Kromě neutrin existují i odpovídající antineutrina.
Stejně tak mají své antičástice také hadrony, ať už baryony nebo mezony. Takže kromě protonu existuje i antiproton a kromě neutronu i antineutron. Neutron a antineutron mají sice nulový náboj, ale liší se znaménkem magnetického momentu a ještě jedné specifické kvantové fyzikální veličiny, která se označuje jako baryonové číslo. Baryony mají velikost baryonového čísla 1 a mezony 0. U dalších baryonů (i mezonů) se objevují další fyzikální kvantové veličiny (podivnost, půvab, …) v jejichž znaménku se hadrony, které mají nenulovou jejich hodnotu, mohou lišit. U mezonů je situace složitější. V předchozí části se zmiňovaly tři nábojové stavy mezonů pí. Kladný a záporný mezon pí jsou pár částice a antičástice. V případě neutrálního mezonu pí je antičástice totožná s částicí.
Když existují antiprotony a antineutrony, můžeme z nich v principu poskládat antijádra. Přidáním pozitronů (antičástice elektronu) pak získáme antiatomy. V principu je pak možné poskládat antimolekuly, antihmotu a antisvět. Realizace takového vytváření v našem vesmíru však naráží na řadu fundamentálních překážek. První a základní je, že při setkání částic a antičástic dochází k jejich anihilaci. Při anihilaci původní pár částice a antičástice zaniká. Například pár elektronu a pozitronu se přemění na dva fotony, pár protonu a antiprotonu se přemění na několik mezonů. Z toho důvodu je přítomnost antihmoty v našem vesmíru jen velmi omezená, po svém vzniku brzy anihiluje. Pozitrony mohou vznikat v řadě procesů, například jedním z typů rozpadu beta. Antiprotony pak dominantně ve srážkách vysokoenergetických částic kosmického záření s jádry atomů v zemské atmosféře. Při těchto srážkách, stejně jako při srážkách protonů či jader urychlených na velmi vysoké energie na urychlovači, vznikají i další antičástice. Z důvodů dodržení zákonů zachování náboje a zmíněných nových kvantových fyzikálních veličin vzniká vždy částice společně s antičásticí.
Nejen antiprotony a antineutrony jsou tak produkovány ve srážkách protonů nebo jader urychlených na kinetické energie významně překračující hodnoty jejich klidové energie. Mají tak relativistické rychlosti, tedy takové, které se blíží rychlosti světla. Kvantová fyzika umožňuje, aby se část kinetické energie při srážce přeměnila na klidovou energii nově vzniklých částic. Například páru proton a antiproton nebo neutron a antineutron. Intenzivní produkce antiprotonů pomocí srážek relativistických protonů s těžkými jádry se využívá v laboratoři CERN. Tyto protony se pak zpomalovačem, který funguje jako inverzní urychlovač, zpomalují a po zachycení v magnetické pasti se využívají k produkci antivodíku. Pozitrony, které se k nim přidávají, se produkují v rozpadech beta plus radioaktivního jádra sodíku 22. Podrobněji o produkci antihmoty v laboratoři CERN zde.
Pokud v magnetické pasti zachytí antiproton pozitron, vzniká neutrální antivodík. Zatímco nabité antiprotony a pozitrony se magnetickým polem snadno v pasti udrží, s neutrálním antivodíkem nastává problém. Ten však není neřešitelný. Antivodík má magnetický moment, je vlastně malou magnetkou. A magnetka se dá také zachytit magnetickým polem. Ovšem v tomto případě je konstrukce pasti pro zachycování magnetek antivodíků velice náročné. Proto trvala tak dlouho a teprve v posledních dvou letech začala pracovat v laboratoři CERN u experimentu ALPHA, který se produkci a studiu antivodíku intenzivně věnuje. Tam se v současné době daří zachycovat v speciální magnetické pasti a udržet stovky antivodíků až stovky sekund. To umožnilo první studium spektra vyzařování antivodíku, které vzniká při přechodech elektronů v jeho atomovém obalu, a jeho srovnání s vyzařováním vodíku. Tím, které je astronomům dobře známo při studiu spousty vesmírných procesů a objektů. Zatím je přesnost měření malá, ale jak bude postupně růst počet zachycených antivodíků a doba jejich udržení, bude možné pomocí jeho velmi přesné spektrometrie zjistit, do jaké míry jsou vlastnosti hmoty a antihmoty totožné. Zatím se podařilo připravit pouze nejlehčí antiatom – zmíněný antivodík.
Pro těžší izotopy antivodíku nebo dokonce těžší prvky potřebujeme připravit těžší antijádra. Problémem je, že zatím dokážeme produkovat antijádra složená z více antinukleonů pouze s velmi malou efektivitou. Využívá se to, že při srážce dvou těžkých jader může vzniknout i více antinukleonů (antiprotonů a antineutronů). Ty pak náhodou a s velmi malou pravděpodobností mohou letět z místa srážky téměř stejným směrem a s téměř totožnou velikostí rychlosti. Může se tak stát, že se sváží silnými jadernými silami do antijádra. Čím více antinukleonů antijádro obsahuje, tím menší je pravděpodobnost jeho vzniku touto metodou. Zatím nejtěžším vyprodukovaným antijádrem je antihelium-4 se dvěma antiprotony a dvěma antinukleony. To se podařilo před dvěma roky vyprodukovat a pozorovat při srážkách zlata na americkém urychlovači RHIC v Brookhavenu (podrobněji zde). K tomu, aby vzniklo 18 antihelií -4 byla potřeba miliarda vhodných srážek zlata a experiment musel běžet měsíce s velmi intenzivním svazkem. Neexistuje vhodné jádro (dostatečně stabilní), které by mělo pět nukleonů, a produkce antijádra s šesti antinukleony už má při použití popsané metody extrémně malou pravděpodobnost produkce. Kdy a jestli se podaří produkovat těžší antijádra, je tak velmi otevřená otázka. Stejně tak je nejisté, jestli se podaří získat těžší antiatomy než je antivodík. Závisí to na možnosti produkce těžších antijader, jejich uchovávání a získávání antiatomů z nich. Otázka produkce antihmoty a jejího uchovávání je klíčová pro její případné využití například pro mezihvězdné lety, ale to už je pro jiné vyprávění.
Jak prokázat existenci nové částice?
Než pokročíme dále v přehledu částic, které patří do Standardního modelu, podívejme se, jak je možné tyto částice lovit. Většina nově hledaných částic má velmi krátké doby života. Jak produkci a existenci takových částic prokázat? O tom, jak je produkovat, jsme už psali. Pokud mají srážející se částice či jádra dostatečnou kinetickou energii přesahující klidovou energii spojenou s klidovou hmotností dané částice, kterou chceme produkovat, umožňuje kvantová fyzika její vznik. Pochopitelně při dodržení všech zákonu zachování. Teď se podívejme, jak jejich vznik prokázat. Částice po vzniku existují jen velmi krátce a pak se rozpadají na sekundární částice. Ty už žijí déle a mohou doletět k detektorům, kterými obklopíme místo srážky. Podrobnější popis toho, jak detektory vypadají a fungují, je zde.
Pokud tyto částice zachytíme a určíme jejich parametry: energii, hybnost, náboj …, můžeme určit i vlastnosti původní částice, v rozpadu které sekundární částice vznikly. Zákon zachování náboje umožňuje z nábojů sekundárních částic určit náboj původní částice. Energie a hybnosti sekundárních částic nám umožňují pomocí kinematických vztahů speciální teorie relativity určit klidovou energii původní částice. Spiny a úhlová rozdělení sekundárních částic pak umožňují zjistit spin původní částice. Stejně tak lze ze součtu baryonových čísel, podivnosti, půvabu a dalších už zmiňovaných kvantových fyzikálních veličin určit hodnoty těchto fyzikálních veličin u původní částice.
Jeden velice zajímavý aspekt kvantových vlastností mikrosvěta je spojen s velice krátce žijícími částicemi. V kvantové fyzice existují vzájemně svázané fyzikální veličiny, jejichž hodnoty nelze určit současně s neomezeně velkou přesností. Součin nejistot jejích určení má svou nejmenší hodnotu. Pokud tedy jednu veličinu určíme extrémně přesně, druhá bude určena velmi nejistě. A toto se nedá změnit žádným vylepšením metod měření. Tento vztah se týká například současného určení polohy a hybnosti (tedy dané souřadnice a odpovídající složky hybnosti). Platí to však také pro určení energii a času. Jestliže má částice krátkou dobu života, je její časová souřadnice velmi málo neurčitá. Takže neurčitost v hodnotě její energie (tedy i klidové energie) je velká. Čím je kratší doba života, tím je větší nejistota v určení klidové energie (klidové hmotnosti) částice. Budeme-li tak počítat klidovou hmotnost původní částice z energií a hybností těch sekundárních, nedostaneme přesnou vždy stejnou hodnotu, ale pík s šířkou, která je dána dobou života částice. A z této šířky lze i tuto dobu života určit.
Kvarková struktura hadronů
Zmínili jsme se, že byla postupně objevena řada částic interagujících silnou jadernou silou – hadronů. A to jak baryonů, tak i mezonů. Mezi první objevené částice patřily baryony, které při srážkách s dostatečnou energií vznikaly s velmi vysokou pravděpodobností, což svědčilo, že vznikají silnou interakcí. Měly větší hmotnost než nukleony a jen velmi krátkou dobu života, po které se právě na tyto nukleony rozpadaly. Vysoká rychlost jejich rozpadu svědčila o tom, že se silnou interakcí také rozpadají. Ta doba rozpadu byla v řádu 10-24 s a částice tak mohly být pozorovány jen jako popsané rezonanční píky při měření klidové energie původní částice pomocí energií a hybností produktů rozpadu. Začaly se tak označovat jako rezonance. Nešlo je totiž pozorovat přímo, ale jen jako píky (rezonance) v závislostech pravděpodobností reakce na energii srážky nebo v hmotnosti vypočtené z energií a hybností sekundárních částic.
Později se podařilo pozorovat částice, baryony a mezony, které také vznikaly s velkou pravděpodobností, tedy silnou interakcí. Jejich doba života, než se rozpadly na známé částice, však byla v řádu 10-10 s. Bylo tak jasné, že se nemohou rozpadat silnou interakcí. To byla velmi neobvyklá vlastnost a tak se začaly označovat jako podivné částice. Jejich rozpad, podobně jako rozpad beta, je způsobován slabou interakcí. To, že rozpad neprobíhá silnou, ale pouze slabou interakcí, naznačovalo, že existuje nějaká fyzikální veličina spojená s těmito podivnými částicemi, která se v silných interakcích zachovává a podivné částice se tak na normální baryony silnou interakcí rozpadat nemohou. Slabá interakce naopak zákon zachování této veličiny narušuje a umožňuje příslušné rozpady, ty jsou však mnohem pomalejší. Postupně se začalo objevovat stále více podivných baryonů a mezonů. Podivné baryony se začaly označovat jako hyperony. Neutrální hyperon lambda je podobný neutronu a v jádře může neutron nahradit. Taková jádra s hyperonem se označují jako hyperjádra. Nejdříve byla objevena v kosmickém záření a později se začala produkovat pomocí urychlovačů. Dnes známe velký počet hyperjader, která obsahují jeden nebo dva hyperony. V roce 2010 bylo dokonce produkováno první antihyperjádro, jde o antihypertriton. Kromě lambda hyperjader byly pozorovány i náznaky existence sigma hyperjader. Z pohledu astrofyziky je zajímavé, že hmota složená z hyperonů by se mohla nacházet v nitru neutronových hvězd.
Jaderní fyzikové tak najednou měli velký počet hadronů a řada faktů naznačovala, že se jedná o částice, které nejsou elementární, ale skládají se z jiných ještě elementárnějších částic. Zmíněno už bylo, že hadrony mají rozměr, který je v řádu rozměru nejmenších jader. Zároveň velikost jejich magnetického momentu naznačovala, že to nejsou částice bez struktury. Zvlášť markantní je to u neutrálního neutronu. Objekt, který je neutrální a neskládá se z částí s různým nábojem (celkově je součet těchto dílčích nábojů nulový), nemůže mít magnetický moment. A neutron nenulový magnetický moment má.
Zároveň se ukázalo, že pozorované částice se podle svých vlastností seskupují do různých skupin – multipletů. Rozdíl hmotnosti částic v nich pak dodržoval pravidelné zákonitosti. Nezávisle na sobě navrhli Murrai Gell-Man a George Zweig, že vlastnosti příslušných multipletů normálních i podivných hadronů lze vysvětlit pomocí tří částic, kterým dal Gell-Man název kvarky. Tyto kvarky se dnes označují jako u, d a s. Kvark s je právě ten, který nese podivnost. Také kvarky mají své antičástice, tedy antikvarky. Baryony pak jsou složeny ze tří kvarků a antibaryony ze tří antikvarků. Mezony jsou složeny z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Dost dlouho trvalo, než bylo přijato, že kvarky jsou reálnými částicemi a ne pouze matematickými pomůckami pro klasifikaci hadronů. Důvodem bylo to, že kvarky měly náboj o velikosti 1/3 a 2/3 elementárního náboje. A částice s takovým nábojem nebyly nikde v přírodě pozorovány.
Teprve později se pomocí rozptylu elektronů s velmi vysokými energiemi, které umožnily „zviditelnit“ kvarky uvnitř hadronu a určit jejich vlastnosti (tedy i náboj), podařilo prokázat jejich reálnou existenci. Po poznání teorie popisující silnou interakci, která drží kvarky v hadronech, se navíc zjistilo, že jednou z jejích vlastností je tzv. uvěznění, které zabraňuje existenci volného kvarku, který nebyl vázán do hadronu. Kvarky jsou, stejně jako elektrony, fermiony a mají tedy poločíselný spin. Pokud se složí tři kvarky s poločíselným spinem, získá se objekt s poločíselným spinem. A baryony jsou opravdu také fermiony. Naopak spojení dvou poločíselných kvarků (tedy i pár kvark a antikvark) vytvoří objekt s celočíselným spinem. A mezony jsou opravdu bosony. Stejně jako u elektronů, je jejich rozměr menší než 10-18 m, a z našeho současného pohledu jsou bodové.
Ukázalo se také, že musí existovat úplně nová fyzikální veličina, kterou kvarky mají, a nemají ji jiné doposud pozorované částice. První náznak vyplýval z toho, že existovaly baryony, jako například Δ++ rezonance, které obsahovaly tři stejné kvarky (v tomto případě tři u kvarky) ve stejném stavu. Navíc je u všech tří orientace projekce spinu stejná. To je jasné z toho, že Δ++ rezonance má spin 3/2, tedy vnitřní spiny u kvarků, které jsou 1/2 se musí sečíst. Ovšem kvarky jsou fermiony a tři úplně stejné nesmí být v jednom stavu. Musí být tedy nějaká nová fyzikální veličina, v jejíž hodnotě se odlišují. Tato nová veličina byla označena jako barva. Může být trojího druhu červená, modrá a zelená. Každý kvark může tak nabývat tří různých hodnot barvy. Tři kvarky u v Δ++ rezonanci tak mají každý jinou barvu a tyto fermiony se tak od sebe liší a mohou být ve stejném stavu.
Ukázalo se, že barva je nábojem silné interakce, která drží kvarky v hadronech pohromadě. Podobně, jako stejně velký kladný a záporný náboj vytvoří elektricky neutrální objekt, vytvoří tři různé barvy dohromady neutrální objekt z pohledu barevného náboje. Tato vlastnost je důvodem označení této fyzikální veličiny názvem barva. Vždyť tři základní barvy vytvoří barvu bílou. Zároveň antikvarky mají antibarvu a systém složený z barvy a odpovídající antibarvy je tak neutrální z pohledu barevného náboje. Neutrální z pohledu silné interakce jsou tak jak baryony, tak i mezony.
Různé částice dostaneme jak kombinací různých kvarků, například proton má složení uud a neutron udd. Ale může se lišit orientací projekce spinů tří kvarků baryonu. V případě protonu a neutronu jsou opačné a celkový spin nukleonů, daný vektorovým součtem spinů jednotlivých kvarků, je 1/2. Existují však i rezonance Δ+ a Δ0, které mají stejné kvarkové složení, jako nukleony, ale všechny tři kvarky v nich mají stejnou orientaci projekce spinu a spin těchto Δ rezonancí je 3/2. Existuje tak baryonový oktuplet se spinem 1/2, ve kterém jsou i naše známé nukleony, a dekuplet se spinem 3/2, kde jsou už zmíněné delta rezonance.
Další možností jsou excitované stavy hadronů, kdy nejsou všechny kvarky v základním stavu, ale ve vyšších stavech. Spin hadronu je tak dán vektorovým součtem nejen spinů kvarků, ale i jejich orbitálních momentů. Je to do značné míry podobné excitovaným stavům atomů, kdy jsou některé elektrony ve vyšších stavech než základním. Nebo excitovaným stavům jader, kdy je ve vyšším stavu některý z nukleonů. Dostáváme tak velký počet hadronů s různými spiny a dalšími charakteristikami. Kvantová fyzika nabízí ještě další podivuhodnou možnost. Nemusí existovat jen čisté stavy, ale také směs různých stavů. Tyto stavy musí mít některé vlastnosti stejné (například náboj či spin), ale jinak mohou být i značně odlišné. Některé mezony jsou tvořeny dvojicí kvark a jeho antikvark. V tom případě je náboj nula a i další řada veličin, u kterých se částice a antičástice liší ve znaménku, se vynulují. Existují tak mezony, které jsou stavy složené z několika různých čistých stavů v různém poměru. Například tedy s dvojic u a anti-u, d a anti-d, s a anti-s. Situace je mnohem složitější, než vyplývá ze zjednodušeného popisu, který jste právě přečetli. Ale i z něho je jasné, že kvarkový model popisuje a předvídá přehršel hadronů, jak baryonů, tak mezonů.
Možnosti se ještě dramaticky rozšířily, když se zjistilo, že existují ještě další tři těžší kvarky c, b a t. Kvark t je tak těžký, že se rozpadá (přesněji řečeno přeměňuje) rychleji než se stačí vázat do hadronů. I tak však je velký počet nových baryonů a mezonů, které tyto těžké kvarky obsahují. Pokud obsahují více těžkých kvarků, jsou těžké a možnost jejich objevu tak například poskytuje právě urychlovač LHC. Některé nálezy už má za sebou, ale řada dalších jeho experimenty teprve čeká.
Standardní model částic a interakcí
Hmota se tedy skládá podle současného poznání ze dvou typů částic. Jde o šestici leptonů, třech nabitých a třech neutrálních, a šestici kvarků (u, d, s, c, b a t). Ovšem, abychom z nich mohly postupně získat hadrony, jádra, atomy i molekuly, musíme mít i interakce (síly), které budou mezi nimi působit. Podívejme se nyní blíže na ně. V předešlém textu jsme mluvili o třech silách: silné, elektromagnetické a slabé. Úplně jsme pominuli gravitaci. Ta je extrémně slabá a není součástí standardního modelu. Její kvantový popis čeká na teorii nové fyziky za Standardním modelem.
Standardní model tak obsahuje popis tří interakcí. Jejich podstata spočívá ve výměně částic. Ty mají celočíselný spin a jsou tedy bosony. Zároveň však mají částice různých interakcí velmi rozdílné vlastnosti, které definují vlastnosti příslušné interakce. Bosonem zprostředkujícím elektromagnetickou interakci je dobře známý foton. Klidová hmotnost fotonu je nulová a dosah elektromagnetické interakce je nekonečný. Elektromagnetickou interakci popisuje kvantová elektrodynamika. Slabá interakce je zprostředkována bosony W+, W- a Z0. Jejich klidové hmotnosti překračují osmdesát hmotností protonů. I to je důvod, proč je tato interakce tak velmi slabá a má tak malý dosah svého působení, který je v řádu tisíciny rozměru protonu (10-18m). Ukázalo se, že slabá interakce velice souvisí s elektromagnetickou interakcí. Její popis je možný jen společně a dokáže to teorie elektroslabé interakce, která v sobě pochopitelně zahrnuje i kvantovou elektrodynamiku. Ukázalo se, že foton a bosony W+, W- a Z0 spolu velmi úzce souvisí. A bylo potřeba vysvětlit, proč má foton klidovou hmotnost nulovou a hmotnost bosonů slabé interakce je tak velká. Stejně, jako je třeba najít důvod, proč jeden ze čtyř bratrů v rodině je velice vyzáblý drobeček, a tři ostatní jsou statní pořezové. Tímto důvodem rozdílů u bosonů elektroslabé interakce se ukázal být Higgsův mechanismus. Ten zavádí novou interakci, která působí mezi bosony slabé síly, zahrnuje tak v sobě nutnost existence nové částice – Higgsova bosonu. Ten se od bosonů elektroslabé i silné interakce, které mají spin 1, diametrálně liší, jde o tzv. skalární boson, který má spin 0. To je jedna ze základních vlastností, která jej pomáhá identifikovat.
A právě potvrzení existence Higgsova bosonu a studium jeho vlastností byl hlavní úkol urychlovače LHC. A ten se ho úspěšně zhostil, stejně jako řady dalších úkolů při zkoumání Standardního modelu. Standardní model a teorie elektroslabých interakcí dokáží předpovědět řadu vlastností Higgsova bosonu a různé formy jeho rozpadu a jejich pravděpodobnosti. Nedokáže však předpovědět jeho hmotnost. Oba experimenty LHC zaměřené na hledání Higgsova bosonu našly higgse s hmotností zhruba 125 GeV/c2 (hmotnost protonu je necelý jeden GeV/c2). Jak už bylo zmíněno, podařilo se jim pozorovat rozpady milionů těchto částic v řadě různých reakcí. Bylo možné určit nejen jeho hmotnost, ale i náboj, spin, paritu, dobu života i pravděpodobnosti řady různých jeho rozpadů. A vše srovnat s předpověďmi Standardního modelu. Pozorované vlastnosti nově objevené částice plně odpovídají předpovědím Standardního modelu pro „standardního“ higgse.
Nejpřesvědčivější důkazy toho, že se jedná o higgse, a to higgse, který předpovídá nejjednodušší varianta higgsova mechanismu, je zkoumání vazby mezi higgsem a dašími částicemi Standardního modelu. Ta by měla být tím větší, čím je částice těžší, protože Higgsův mechanismus stojí za její hmotností. Tato vazba se dá určit ze zkoumání společné produkce higgse a dané částice či rozpadů higgse. Ukazuje se, že závislost vazbové konstanty mezi higgsem a částicí na hmotnosti částice, zjištěná ze studia společné produkce, odpovídá přesně té, kterou předpovídá Standardní model.
Z trojice sil v Standardním modelu zůstává silná interakce. Ta je způsobována výměnou osmice gluonů. Tyto částice mají sice nulovou klidovou hmotnost, ale charakter silné interakce i vlastnosti těchto částic se dramaticky liší například od interakce elektromagnetické. Silná interakce působí mezi částicemi, které mají náboj silné interakce a tím je zmíněná barva. Ve Standardním modelu jsou těmito částicemi kvarky a také gluony. Což je podstatný rozdíl od elektromagnetické interakce. Foton, který ji zprostředkuje, elektrický náboj nenese. Teorií, která popisuje silnou interakci, je kvantová chromodynamika. Silná interakce roste se vzdálenosti kvarků. Při jejich vzdalování se tak v určitém okamžiku musí dodat energie, která stačí k produkci páru kvarku a antikvarku. Vzniklý kvark a antikvark se spojí s oddělovanými částmi původního hadronu a dostaneme místo jednoho dva hadrony. Nelze však získat volný kvark. Tomuto jevu se říká „uvěznění“ a jde o fundamentální vlastnost silné interakce. Dosah silné interakce je v řádu rozměrů hadronů. Mezi hadrony, například nukleony v jádře, působí silná jaderná síla, která je způsobována výměnou mezonů. Její podstata však leží v silné interakci způsobené gluony – jde o tzv. zbytkovou interakci. Mezi silnou jadernou interakcí a silnou interakcí je podobný vztahu mezi molekulární vazbou a elektromagnetickou interakcí.
Standardní model tak obsahuje částice hmoty, kterými jsou leptony a kvarky, částice interakcí, kterými jsou foton, bosony W+, W- a Z0, gluony a také Higgsův boson. Zároveň jsou jeho součástí také teorie elektroslabé interakce a kvantová chromodynamika. Může vzniknout otázka, zda je počet kvarků a leptonů konečný. Je třeba zmínit, že to, že je počet leptonů a kvarků stejný, vyplývá z podstaty Standardního modelu (jeho fundamentálních symetrií). Zároveň platí, že třeba doba života Z0 bosonu, který se rozpadá i na dvojice neutrino a antineutrino, závisí na tom, jaký je počet neutrin. Každý další typ lehkého neutrina zkrátí dobu života této částice. A přesně změřená doba života tohoto bosonu ukazuje, že existují pouze tři lehká neutrina a jím odpovídající nabité leptony a kvarky. Jedinou otevřenou možností je existence neutrin s extrémní hmotností, což je však dosti exotické rozšíření Standardního modelu. Pochopitelně však není úplně vyloučené.
Kvantová fyzika dává řadu možností, jak se může nová fyzika za Standardním modelem projevit v procesech částic Standardního modelu. Umožňuje rozpady částic prostřednictvím hypotetických částic nové fyziky s velkou hmotností. To se projeví ve zkrácení doby života částic Standardního modelu. Nejvíce by se to mohlo projevit u částic Standardního modelu s největší hmotností, například kvarku t, bosonů W+, W- a Z0 a Higgsova bosonu. Zvláště pak u velice exotických a vzácných typů rozpadů, které narušují zákony zachování, například parity. Zároveň se projeví tím více, čím je hmotnost těch hypotetických částic menší a blíže energetického dosahu LHC. Dosavadní analýza dat získaných všemi experimenty LHC a stále podrobnější studium i velice vzácných rozpadů, však velice přesně odpovídá předpovědím Standardního modelu a není vidět rozdíly, které by mohly ukazovat na existenci fyziky za ním. To je na jedné straně obrovský úspěch Standardního modelu. Na druhé straně to však naznačuje, že nová fyzika se začne projevovat až u energií, které jsou o mnoho řádů vyšší, než jsou energie dosažitelné na LHC. A může tak nastat situace, že je stále mimo dosah v současnosti představitelných a realizovatelných urychlovačů. Ovšem detailnější analýza už na LHC získaných dat a srážení při dvojnásobných energiích s velmi vysokou statistikou by v budoucnu mohla nějaké příznaky nové fyziky a existence nových exotických částic ukázat.
Co nového by nás mohlo čekat v rámci Standardního modelu?
Zdá se tedy, že v rámci Standardního modelu už vše známe a v následujícím období lze z pohledu nových částic čekat pouze objevy stále těžších baryonů a mezonů. Tedy těch, které obsahují stále více těžších kvarků c a b nebo se kvarky v nich nacházejí ve stále excitovanějším stavu. Takhle jednoduché to ovšem není. Kvarkový model, který je součástí Standardního modelu, připouští existenci i daleko exotičtějších objektů složených z kvarků. Neutrálními objekty z pohledu náboje silné interakce jsou také ty, které obsahují dvě dvojice kvarku a antikvarku, tedy tetrakvarky – dohromady mají kvarky čtyři. Další možností je trojice kvarků, k níž se přidá dvojice kvark a antikvark, dohromady tak máme pět kvarků, daný objekt se nazývá pentakvark. Podobným způsobem lze vytvářet další multikvarkové systémy. Vždy tak, aby se skládaly z trojic kvarků a dvojic kvarku a antikvarku, což zajišťuje, že jsou z pohledu náboje silné interakce neutrální.
Takové multikvarkové systémy se už hledají dlouho a již několikrát byl objev tetrakvarku či pentakvarku ohlášen. Podle způsobu, jak jsou kvarky uspořádány, můžeme dostat dimezonové či dibaryonové systémy nebo mezonové molekuly. Zatím se však žádný z těchto exotických systémů nedočkal nezvratného prokázání a v řadě případů byla pozdějšími měřeními s větší statistikou, přesnějšími nebo kritičtějšími rozbory dat předkládaná interpretace pozorování jako projev tetrakvarku nebo pentakvarku zpochybněna. Problém je, že je třeba jednak nezvratně prokázat, že pozorování částice není zdánlivé, ale také ukázat, že se nedá interpretovat jako některý z bezpočtu klasických baryonů a mezonů. Je tak třeba co nejpřesněji určit hmotnost, spin, paritu a další vlastnosti částice, které mohou klasické interpretace vyloučit. Podrobněji se o těchto systémech psalo v článku zmiňovaném na začátku. Bohužel výpočty vlastností, například hmotnosti, klasických hadronů i exotických multikvarkových systémů pomocí kvantové chromodynamiky jsou velmi náročné a zatím mají velmi omezenou přesnost. I to je důvod problémů s přesnou interpretací některých nově objevených silně integrujících částic.
Je však třeba říci, že existuje několik kandidátů, jejichž pozorování jsou velmi přesvědčivá a možné interpretace klasickými baryony nebo mezony jsou postupně vylučovány. Jako příklad může sloužit částice, která je označována jako X(3872). V závorce je hmotnost částice v MeV/c2. Ta byla objevena před deseti lety v rozpadech B+ mezonů experimentem BELLE v japonské laboratoři KEK. Později byla existence této částice potvrzena a určeny některé její parametry, které vylučovaly interpretaci některými klasickými hadronovými stavy. Nové informace přinesla analýza dat získaných experimentem LHCb, který pracuje na urychlovači LHC. Ten vyloučil alternativní hodnoty spinu, parity a nábojové parity a ponechal pouze jednu možnost. To vyloučilo další možnosti vysvětlení této částice pomocí klasického hadronu. Zůstala tak pouze jediná možnost klasické interpretace, a tím se silně posílila pravděpodobnost, že jde o něco exotického, jako tetrakvark nebo mezonová molekula. Je tedy vidět, že se i LHC experimenty zapojily do lovu na exotické multikvarkové systémy.
Nejnověji ohlásily kandidáta na tetrakvark experimenty BESS III a BELLE. V jejich případě by mohlo jít o částicí složenou z c kvarku, c antikvarku, d antikvarku a u kvarku. Označily ji jako Zc(3900), kde v závorce je hmotnost v jednotkách MeV/c2. Částice byla objevena při studiu jiného podivného objektu Y(4260). Ten byl produkován ve srážkách elektronu a pozitronu a rozpadal se na dva nabité mezony pí (jeden kladný a druhý záporný) a J/ψ mezon. Při studiu klidové hmotnosti spočtené z energií a hmotností dvou částic (jednoho mezonu pí a J/ψ mezonu) se objevil pík u hmotnosti zmíněných 3900 MeV/c2. Jeho parametry naznačují, že by mohlo jít o zmíněný exotický tetrakvark.
Nedávno svou trochou do mlýna na multikvarkové systémy přispěl i německý synchroton COSY v Julichu, který naznačuje existenci částice označené jako d*(2380). Její existenci je však třeba potvrdit a zjistit, zaa jde o multikvarkový systém nebo dibarionovou „molekulu“ (viz zde).
Tím, že gluony interagují silnou interakcí, mohly by se taky stát součástí složených silně interagujících systémů. Možná by mohly existovat systémy složené pouze z gluonů – označují se jako glueball nebo i hybridní systémy složené z kvarků a gluonů. Objevily se sice možní kandidáti, ale situace s jejich potvrzením je zatím horší než u multikvarkových systémů. I v této oblasti by mohly experimenty na LHC sehrát svou roli.
Závěr – příště hurá za Standardní model
Pokud se chceme vypravit do světa zatím hypotetických a často velice exotických částic a nezabloudit tam, musíme dobře znát svět těch již potvrzených, které jsou součástí Standardního modelu. Proto jsem si dovolil začít seriál o částicích a posledních výsledcích laboratoře CERN a zvláště urychlovače LHC velice podrobným popisem těch, které jsou součástí Standardního modelu. Jak bylo popsáno, prokázaly první tři roky činnosti urychlovače LHC extrémní úspěšnost Standardního modelu. Podařilo se nejen objevit jeho poslední chybějící částici, Higgsův boson, ale ukázalo se, že jeho vlastnosti přesně odpovídají předpovědím Standardního modelu. Studium řady i velice vzácných reakcí a rozpadů s extrémní přesností potvrzují předpovědi této teorie a zmenšují prostor pro projevy hypotetické nové fyziky za Standarním modelem.
Přesto však je řada teoretických evidencí a experimentálních faktů, které naznačují, že nová fyzikální teorie, která sice Standardní model obsahuje, ale je mnohem obecnější a širší, musí existovat. Jde například o vysvětlení toho, z čeho se skládá temná hmota ve vesmíru, nebo nalezení kvantové teorie gravitace. A nejpřesvědčivějším důkazem platností případných návrhů hypotetické nové fyziky by byl objev nových částic, které předpovídá. A tak se v dalších dílech cyklu podíváme na tyto hypotetické částice z předkládaných návrhů nové fyziky. Zároveň se také blíže podíváme, co nám získané znalosti o různých částicích řeknou o vývoji vesmíru a různých objektů v něm. A co nám k tomu říká nebo může říci laboratoř CERN a její urychlovač LHC. I když není vyloučeno, že pro konečný objev příznaků nové fyziky budou potřeba větší urychlovače, jejichž plány popisuje třeba Marek Taševský.
Diskuze:
