Pokud jde o zásadní vědecké objevy, rok 2016 si rozhodně nemůže stěžovat. Máme teprve březen a tenhle rok se už naprosto nesmazatelně zapsal do historie. Zní to skoro neuvěřitelně, ale stále více se zdá, že šokující, převratné objevy ještě letos neřekly poslední slovo. Na sociálních sítích i v médiích houstne atmosféra a stále více se šušká o tom, že mají nějaký zásadní průšvih v CERNu. Průšvih v tom nejlepším smyslu tohoto slova, který bude rozsáhle přepisovat učebnice.
Je ovšem paradoxní, že se v CERNu zřejmě schyluje k objevu, který je naprosto nečekaný. Asi není nutné zdůrazňovat, že CERN je mašina na zázraky dnešní doby. Dlouho lovili Higgsův boson, až ho nakonec polapili. Pokoušejí se tam odhalit povahu temné hmoty, pátrají tam po dalších dimenzích a nezlobili by se, kdy se jim povedlo zkolabovat hmotu do titěrných černých děr. To všechno a ještě mnohem více podivuhodných věcí v CERNu dělají, přemýšlejí o tom a doufají, že by se jim něco z toho mohlo povést.
Jenže objev, který teď vyvstává z náznaků a zvěstí, máme-li věřit komentářům, snad vůbec nikdo nečekal. Proto ten šok. Najednou se totiž zjevila velice slušná možnost, že existuje elektricky neutrální částice, která je čtyřikrát těžší než svrchní (top) kvark – v tuto chvíli nejtěžší mezi kvarky – a která se rozpadá na páry fotonů. Takovou částici ale žádný teoretik do té doby nepředpověděl. A nikdo tím pádem nepostavil experiment, který by právě takovou částici hledal. Ve vědě už to ale tak chodí. Někdy nenajdete to, co usilovně hledáte, ale narazíte na něco, co by vás ani ve snu nenapadlo.
Jak už jsme na OSLU psali v loňském prosinci, jde o to, že týmy detektorů CMS a ATLAS objevily v proton – protonových srážkách neočekávaný nadbytek párů vysokoenergetických fotonů. Klidová energie částice, která se na ně rozpadla a dá se spočítat z jejich energií a hybností vychází na 750 GeV. Reakce řady expertů částicové fyziky prý tehdy byla podobná, jako když americký fyzik a nobelista Isidor Isaac Rabi v roce 1936 objevil mion, těžší variantu elektronu: „Who ordered that?“ Pokud neznámá částice, nejspíš boson, doopravdy existuje, tak důsledky budou ohromné. Mohl by to být největší objev částicové fyziky od kvarků, jejichž existenci fyzici potvrdili v sedmdesátých letech. Doposud zveřejněné důkazy jsou nicméně stále slabé, nepřesvědčivé.
Na druhou stranu, leccos ukazuje, že se vážně něco děje. Lidé v CERNu od prosince nemluví o ničem jiném. Teoretičtí fyzici se vybičovali k neuvěřitelné aktivitě. Za pouhých pár týdnů pověsili na weby více než 200 publikací, v nichž se snaží dotyčnou záhadnou částici teoreticky vysvětlit. Někteří se jim posmívají, že si chtějí především nasbírat citace. Nic takového by se ale nedělo, kdyby situace nebyla doopravdy vážná. Vyrojila se spousta hypotéz. Hodně se mluví o tom, že by mohlo jít o těžší variantu Higgsova bosonu, hodně vzrušení vyvolaly řeči, podle nichž by to mohl být nějaký typ gravitonu. V takovém případě bychom nejspíš měli na dohled objev dalších prostorových dimenzí.
Všichni jsou nažhavení, co se bude dít dál. Velký hadronový srážeč LHC po svém restartu a vylepšení zatím stihl jenom relativně málo srážek o rekordních energiích. Momentálně tam mají zimní klid. Už za pár dní ale začne ostře sledovaný mítink v Italských Alpách, kde mnozí očekávají zásadní vystoupení týmů detektorů LHC s čerstvými analýzami podezřelých dat. A už v dubnu se Velký hadronový srážeč zase pustí do práce a bude srážet částice jako o život. Pokud je momentální poprask kolem neznámé částice jenom jeden velký omyl, tak by to tak do léta mělo vyjít najevo. A pokud to omyl nebude, tak čekejte velké věci. A zůstaňte na příjmu.
Literatura
Nature 531: 139–140.
Jak se vyznat v přehršli různých částic
Autor: Vladimír Wagner (31.08.2014)
Co nám řeklo pozorování antiprotonů pomocí zařízení AMS o temné hmotě?
Autor: Vladimír Wagner (13.07.2015)
Na Velkém hadronovém srážeči chytili pentakvarky
Autor: Stanislav Mihulka (14.07.2015)
Možná jsme konečně objevili exotické částice gluebally
Autor: Stanislav Mihulka (15.10.2015)
Dramata částicové fyziky: Na urychlovačích se rýsují velké věci
Autor: Stanislav Mihulka (16.12.2015)
Diskuze:
Opatrnost
Martin Kovář,2016-03-10 10:44:45
Já bych možná trochu mírnil nadšení čtenářů. To, co dnes můžeme viděl jako exces při 750 GeV, může se vzrůstající statistikou postupně zmizet. Zatím může jít nějakou náhodnou fluktuaci. Rozhodně nelze na dané předběžné výsledky z LHC spoléhat.
Bohužel, tuto chybu dělá i celká řada fyziků, kteří reagují ve stylu "publish or perish". Celkem by mě zajímalo, co bude většina z nich říkat, až se situace objasní (nemůžou mít pravdu všichni).
Pro pana Wagnera nebo pana Brože:
Sice se mluví o excesu při 750 GeV. Niméně, pokud by šlo o rozpad nějaké nám neznámé částice na 2 fotony, neměla by tato mít klidovou energii někde kolem 1,5 TeV?
Re: Opatrnost
Marcel Brokát,2016-03-10 11:40:43
...ne nutně, jelikož v mikrosvětě neplatí komutativní zákon, myslím...
Re: Opatrnost
Pavel Brož,2016-03-10 12:19:10
On už to tady zmiňoval Vladimír, to, co se reálně pozoruje, je nadbytek vysokoenergetických fotonů při dostatečně energetických srážkách, přesněji řečeno nadbytek párů vysokoenergetických fotonů. Samotný vznik takovýchto párů fotonů i s tak velkými energiemi není nic, co by se příčilo Standardnímu modelu, naopak, existuje dost už dobře známých procesů, které v průběhu těch vysokoenergetických srážek takovéto dvojice produkují, nejde tedy o nic "nelegitimního". Problém je pouze v tom, že se jich údajně pozoruje více, než kolik by jich podle už známých procesů mělo být generováno. Přitom každý z té dvojice fotonů má nějakou energii, nemusí a obecně nejsou stejné ani mezi sebou navzájem, ani srážku od srážky, a dokonce ani součet jejich energií není stejný v různých srážkách. Nicméně z energie a směrů těch dvou fotonů se dá vypočíst tzv. invariantní hmotnost, která by odpovídala hmotnosti potenciální rodičovské částice, pokud by v soustavě stála, tedy její klidové hmotnosti. Ve skutečnosti, pokud se tam nějaká částice rozpadá, tak se obecně v laboratorní soustavě pohybuje, většinou relativistickou rychlostí, což ve shodě s teorií relativity ovlivňuje její hmotnost v té soustavě, a to je i důvod, proč i součty energií těch dvou fotonů se srážku od srážky různí. Vypočtená invariantní hmotnost je ale nezávislá na soustavě, a právě ona určuje, jaká by měla být hmotnost té mateřské částice.
Invariantní hmotnost se dá spočíst pro jakékoliv dvě částice bez ohledu na to, jestli vznikly rozpadem nějaké mateřské částice nebo jestli vznikly jinak, např. v průběhu nějakého komplikovaného kaskádového procesu. V dnešních urychlovačích jsou energie srážejících se částic natolik vysoké, že srážka dvou vysokoenergetických částic vygeneruje až tisíce dceřinných částic (to jsou ta známá "košťata" částicových stop na snímcích z detektorů). Celý ten proces vzniku všech těch tisíců dceřinných částic z původních dvou srážejících se částic je velice komplikovaný, a jeho analýza mj. zahrnuje i statistické sledování vlastností (hybností, energií, náboje, spinu, atd.) produktů té srážky. Představte si, že vám v takovýchto srážkách celkem běžně vznikají dvojice fotonů s vysokými energiemi. Tyto fotony můžou, nebo nemusí vznikat rozpadem jedné částice - pokud nevznikají rozpadem jedné částice, mohou např. vznikat v odlišných místech celého kaskádového rozpadu. V obou případech, tj. ať už pochází z jedné mateřské částice nebo ne, můžete spočítat invariantní hmotnost této dvojice fotonů. Tato invariantní hmotnost ale bude znamenat klidovou hmotnost mateřské částice jen tehdy, pokud ty fotony opravdu vznikly rozpadem jedné částice, zatímco pokud vznikly jiným procesem, tak vypočtená invariantní hmotnost neznamená nic než nějaké vypočtené číslo bez vztahu k nějaké existující částici.
Jak tyto dva případy od sebe odlišíme? Můžeme např. vynést četnost pozorovaných dvojic fotonů v závislosti na z nich vypočtené invariantní hmotnosti do grafu. Pokud v tomto grafu tato četnost bude opisovat nějakou plynule se měnící křivku, tak můžeme zůstat v klidu, není potom zjevný důvod pro předpoklad, že dvojice fotonů tam vznikají rozpadem jedné mateřské částice, mnohem spíše půjde o jejich vznik v oddělených uzlech rozpadové kaskády. Tím samozřejmě není řečeno, že vše je OK, protože ta byť plynule se měnící křivka může být v naprostém rozporu s křivkou teoretickou, tím chci jen říct, že pokud na té křivce nevidíme žádný pík, tak nemáme důvod ke spekulacímo nové částici. Pokud na té vykreslené křivce ale uvidíme pík pro nějakou hodnotu invariantní hmotnosti, tak bychom měli zpozornět, protože takový pík může velmi pravděpodobně znamenat, že v celém tom složitém rozpadovém procesu může přechodně vznikat částice právě s touto klidovou energií, a že ten lokální přebytek fotonů může být dán právě rozpady této částice.
Toto je samozřejmě jenom hrubé přiblížení toho, jak se ta data skutečně zpracovávají, principiálně jde ale právě o ten přebytek četnosti dvojic fotonů pro jistou hodnotu té invariantní hmotnosti. Ten přebytek je údajně pozorován právě pro tu invariantní hmotnost cca 750 GeV, žádné násobení dvěma (na rozdíl od známé výpravy Čecha Karla Němce na dobytí severního ledového pólu) už netřeba.
Spis
Mojmir Kosco,2016-03-10 06:43:25
By mne zajimalo jak se urcuje ze se jedna o elementarni castici a ne o nejakou skladacku z jinych elementarnich castic
Mikro vesmír
Jakub Matouš1,2016-03-09 23:11:46
Napadla mě zajímavá teorie, částice v urychlovači se sráží takovou energii že by mohly okamžiku srážky zakřivit čas i prostor. Samozřejmě jde o zlomek okamžiku z našeho pohledu. Co když v okamžiku srážky vznikne mikro vesmír (konec konců tolik energie na prostor bylo jen krátce po vzniku vesmíru) tento mikro vesmírek by měl vlastní prostor i čas nezávislí na našem. Takže zatímco by v našem světě okamžitě rozpadl, v něm by uběhlo třeba několik vteřin.
Re: Mikro vesmír
Xavier Vomáčka,2016-03-09 23:30:50
Energie, kterou získá částice v CERNu, je pidi oproti některým částicím kosmického záření. Zemi trefí částice kosmického záření se stejnou energii (jako v CERNu) s intenzitou 1 částice na metr čtverční za sekundu, milionkrát energičtější částice metr čtvereční párkrát za rok a částice s miliardkrát (!) vyšší energií jednou za století (opět na metr čtvereční). Takže asi tak. Vzhledem k Ocamově břitvě bych z tohoto určitě nevyvozoval nějaké dalekosáhlé hypotézy.
Re: Re: Mikro vesmír
Jakub Matouš1,2016-03-11 23:36:24
Tak úmyslně jsem použil termín Krátce což, ale z pohledu trvání vesmíru je dost benevolentní výraz aby se energie odpovídala dané srážce. :)
Na Oslu byl nedávno článek (http://www.osel.cz/8556-v-cernu-srazili-tezka-jadra-s-rekordni-energii.html) O srážkách těžkých atomů kdy energie uvolněná při srážce odpovídala srážce s čmelákem a to se na zemi moc často neděje.
Na fyziku v kvantové fyzice moc nejde aplikovat Ocamova břitva, protože kvantová fyzika je v rozporu s obecnou fyzikou. A Ocamova břitva je založena na logickém uvažování v obecné fyzice.
Samozřejmě že vím že má teorie nelze nijak ověřit a klidně bych mohl tvrdit že při srážkách vznikne jednorožec a vyšlo by to nastejno.
Takže my šlo mou teorii o změnu pohledu vesmír(y).
Re: Mikro vesmír
Pavel Brož,2016-03-12 11:42:00
Myšlenkou záměrného vzniku dceřinného vesmíru se zabývali i velice věhlasní fyzici. Samozřejmě ne pro energie dosažitelné na LHC (což řádově 10^13 eV), ani pro nejvyšší energie kosmického záření (což je řádově 10^20 eV), ale pro energie vysoce přesahující Planckovu energii (tedy vysoce přesahující řádově 10^28 eV). Pokud se Planckovu energii podaří v důsledku srážky lokalizovat v oblasti o velikosti Planckovy délky (řádově 10^-35 metrů), tak má vzniknout miniaturní černá díra, a podle některých scénářů není vyloučeno, že by tato černá díra dala vznik dočasné červí díře, na jejíž druhé straně by se začal rozpínat dceřinný vesmír. Ten by se záhy po svém vzniku kauzálně oddělil od toho našeho vesmíru v důsledku zániku nestabilní červí díry, která by přechodně oba vesmíry po kratičkou dobu (řádově blízkou Planckovu času) spojovala.
Dlužno říct, že toto všechno jsou jenom dost divoké spekulace, protože dodnes neexistuje experimentálně ověřená kvantová teorie gravitace, superstrunové teorie nevyjímaje. Nicméně na základě některých z mnoha dnešních semifenomenologických teorií, které se snaží zatím jen neorganicky kombinovat důsledky plynoucí jak z klasické gravitace, tak z kvantové teorie, by takový scénář byl myslitelný. Třeba takový Stephen Hawking si zaspekuloval, že teoreticky by mohlo být možné nastavením vhodných parametrů srážky ovlivňovat i některé vlastnosti dceřinného vesmíru, jako je třeba rychlost rozpínání či jiné. Podle něj by pak dostatečně vyvinuté civilizace takto vyráběly dceřinné vesmíry, a dokonce by mohly při jejich tvorbě preferovat vesmíry s podmínkami vhodnými pro budoucí život, čímž by daly vznik jakémusi Darwinovskému výběru v jejich vzniku. Stephen Hawking si prý dokonce zavtipkoval, že třeba náš vlastní vesmír může být docela podařenou seminární prací nějakého studenta z našeho rodičovského vesmíru :-)
To všechno jsou samozřejmě jenom divoké spekulace, kterým se většinou naslouchá jen kvůli vědecké váženosti jejich autorů, jako jsou Stephen Hawking a další. Praktická hodnota takovýchto spekulací je srovnatelná, ne-li nižší, s pohádkou o Červené Karkulce vyprávěné malému potomkovi večer před spaním. Akorát si myslím, že ten příběh o Karkulce bude pro toho potomka mnohem zajímavější než příběh o stvoření dceřinného vesmíru v urychlovači částic.
Mikro vesmír
Jakub Matouš1,2016-03-09 23:11:43
Napadla mě zajímavá teorie, částice v urychlovači se sráží takovou energii že by mohly okamžiku srážky zakřivit čas i prostor. Samozřejmě jde o zlomek okamžiku z našeho pohledu. Co když v okamžiku srážky vznikne mikro vesmír (konec konců tolik energie na prostor bylo jen krátce po vzniku vesmíru) tento mikro vesmírek by měl vlastní prostor i čas nezávislí na našem. Takže zatímco by v našem světě okamžitě rozpadl, v něm by uběhlo třeba několik vteřin.
Částicová fyzika.
Vlastislav Výprachtický,2016-03-09 21:20:17
Dalším experimentováním se asi částicová fyzika nezboří, půjde spíše o přechod - proměnu energie ve hmotu a naopak. Shluky energie mohou v extrémních podmínkách být v tomto směru rozhodující, rovněž shluk částic / černé díry/ k těmto tézím vedou.
Úplnost standardního modelu
Jiří Novák,2016-03-09 17:39:20
Dá se nějak testovat, zda je standardní model úplný? Tj. lze jednoho dne dosáhnout stavu, kdy už budou částice známy prokazatelně všechny? Nebo se mohou objevovat v dalších experimentech další částice (tak jak by se teoreticky daly tvořit nové a nové umělé prvky)?
Re: Úplnost standardního modelu
Vladimír Wagner,2016-03-09 18:06:44
Vaše srovnání nových částic s novými prvky (izotopy prvků) spíše odpovídá novým hadronům (baryonům a mezonům, případně multikvarkům). Takových lze opravdu na základě Standardního modelu vytvořit velké množství a spousta z nich ještě potvrzena nebyla a určitě bude (viz ten popis v http://www.osel.cz/7744-jak-se-vyznat-v-prehrsli-ruznych-castic.html). Ovšem tyto objevy nic u Standardního modelu nezmění a nemění nic na jeho úplnosti. Počet jeho elementárních částic už se nezmění (tedy počet kvarků, leptonů a intermediálních bosonů). Ovšem víme, že existují jevy, které Standardní model nevysvětlí a musí tedy existovat obecnější teorie, která je širší a obsahuje jako svoji část ten Standardní model. A ta může přinést úplně nové částice. K těm by patřila ta nová částice, pokud by se její existence potvrdila.
Re: Úplnost standardního modelu
Pavel Brož,2016-03-10 00:14:29
Odpovědět na otázku, jestli je Standardní model úplný, vyžaduje taky se vypořádat s otázkou, co přesně pod Standardním modelem myslíme. Standardní model je totiž spíše název pro jakousi „rodinu“ v jistém smyslu blízkých teorií než název pro jednu jedinou teorii. Alternativně jej sice lze popisovat také jako jednu jedinou dostatečně obecnou teorii s mnoha parametry, přičemž ale musíme mít na paměti, že současné experimenty nevylučují nulovost mnoha z těchto parametrů.
Lépe to ale bude ilustrovat na příkladech. Původní Standardní model počítal s nulovými hmotnostmi neutrin. Rozšíření na jejich nenulové hmotnosti nebylo těžké, obě varianty teorie, jak s nulovými tak s nenulovými hmotnostmi neutrin byly logicky konzistentní, takže se vlastně dalo říct, že Standardní model byl ekvivalentní té obecnější verzi, a do té doby používaná verze s nehmotnými neutriny vlastně pouze znamenala, že některé z těch parametrů, konkrétně hmotnosti neutrin, byly nulové. Když se později zjistilo, že neutrina mají nenulovou hmotnost, tak se o tom dalo referovat (a také i referovalo) dvojím způsobem – zatímco ti, kteří pojmenování Standardní model používali pro tu verzi s nehmotnými neutriny, referovali jako o objevu mimo rámec SM, tak ti druzí tvrdili, že se pouze ukázalo, že některé parametry SM jsou oproti předchozímu předpokladu nenulové.
Podobně lehce, jako se dal SM rozšířit na nenulové hmotnosti neutrin, se dá rozšířit ještě některými dalšími způsoby. Jedním z nich je např. zahrnutí tzv. sterilních neutrin – to jsou neutrina, která na rozdíl od těch běžných neinteragují ani slabou interakcí, a interagovaly by pouze gravitačně (také proto se jim říká sterilní, protože jsou ve srážkových experimentech nedetekovatelná). O hmotnosti sterilních neutrin, pokud je do Standardního modelu zahrneme, teorie neříká vůbec nic, proto to taky byl jeden z hypotetických kandidátů na temnou hmotu. Sterilní neutrina mohou být užitečná pro teorii, protože by mohla vysvětlit enormně nízkou hodnotu hmotnosti neutrin (ve srovnání s ostatními částicemi) s pomocí tzv. houpačkového mechanismu (v angličtině seesaw mechanism), pak by ale jejich hmotnosti mohly být řádově 10^15 GeV, tedy dvanáct řádů nad možnostmi LHC. Existují jisté nepřímé mechanismy jejich detekce, dokonce se před pár lety trochu spekulovalo o jejich možné existenci, ale obecně se o nich moc nemluví – bavit se totiž o něčem nesrovnatelně hůře detekovatelném než jsou dokonce i obyčejná neutrina totiž tak trochu zavání duchařinou. Sterilní neutrina by se navíc z podstaty své „neinteraktivity“ nemohla rozpadat, a už vůbec pak ne na dvojici fotonů. Plus navíc musí mít poloviční spin stejně jako obyčejná neutrina, kdežto částice, která se rozpadá na dvojici fotonů, musí mít spin 0 nebo 2. Spin 2 má mít graviton, což je zřejmě důvodem, proč se v článku zmiňuje, ve skutečnosti ale graviton stejně jako foton musí být nehmotný, kdežto invariantní hmotnost potenciálně objevené částice má být oněch cca 750 GeV. Pokud tou částicí tedy není skalární (= s nulovým spinem) boson, pak jím musí být boson se spinem 2, který ale kromě toho spinu nemá s gravitonem vůbec nic společného.
Dalším způsobem, jakým se dá Standardní model snadno rozšířit, je uvažovat v něm více než jeden Higgsův boson. Hovoří se pak o tzv. rozšířeném Higgsově sektoru. Tyto varianty existovaly už od samého počátku Standardního modelu, ale nebyl důvod se jimi nějak extra moc zaobírat, protože požadovanou službu (konkrétně umět díky své interakci „zhmotnit“ ostatní částice) uměla poskytnout už ta nejjednodušší verze SM, ve které se počítalo pouze s jedním Higgsem. Jedním z mnoha takových pokusů, navíc zatepla naroubovaným na poslední výsledky z LHC, je např. tento článek:
http://arxiv.org/pdf/1603.01208.pdf
(netvrdím, že je to reprezentativní vzorek, je jen první, který jsem teď narychlo vygoogloval).
Těch možností samozřejmě existuje hodně, a mnoho z nich je ve skutečnosti naprosto mimo Standardní model. Pokud se v budoucnu ta částice s hmotností cca 750 GeV skutečně potvrdí, tak vůbec nemusí jít o nějaký další Higgsův boson, a Standardní model pak bude nutné modifikovat podstatně více, než jen rozšířením jeho Higgsova sektoru. Může se ale také ukázat, že opravdu stačí jen rozšířit Higgsův sektor ve Standardním modelu, což lze provést celkem organicky bez nějakého zásadního překopávání té teorie. Otázka, která z těch dvou možností (pokud vůbec nějaká) se v přírodě skutečně realizuje, je dnes stále ještě otevřená.
Re: Re: Úplnost standardního modelu
Pavel Brož,2016-03-10 00:19:14
Teď jenom koukám, že by bylo dobře upřesnit jednu mou větu výše, protože v původní verzi je matoucí:
"Sterilní neutrina mohou být užitečná pro teorii, protože by mohla vysvětlit enormně nízkou hodnotu hmotnosti OBYČEJNÝCH neutrin (ve srovnání s ostatními částicemi) s pomocí tzv. houpačkového mechanismu (v angličtině seesaw mechanism), pak by ale hmotnosti TĚCH STERILNÍCH mohly být řádově 10^15 GeV, tedy dvanáct řádů nad možnostmi LHC."
Chyba
Vladimír Wagner,2016-03-09 15:53:35
V článku je zásadní chyba. Zachycené fotony z této srážky nemají každý energii 750 GeV, Mají energie většinou různé. Ale klidová energie částice, která se na ně rozpadla a dá se spočítat z jejich energií a hybností vychází 750 GeV. Překlad textu "many pairs of γ-ray photons produced with combined energies of 750 gigaelectronvolts" opravdu neznamená, že bychom měli dva fotony, každý s energií 750 GeV. Ono i klidová energie (hmotnost) top kvarku je 174 GeV a tedy její čtyřnásobek je téměř 700 GeV, což ukazuje, že těch 750 GeV je míněna klidová energie (hmotnost) částice.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
