Jak se loví kvantové příšerky a proč už jich více nebude 3

Odpovědi na proč a jak funguje vesmír. Psáno pro Tima, mého syna, ale určitě si to rádi přečtou i jiní.

Drahý Time,

dneska zakončíme naše společné pátrání po kvantových příšerkách. Zatímco co dříve si fyzikové vystačili s aparaturou, která se jim vešla na stůl, dneska se podíváme k zařízením, jejichž rozměry se počítají v kilometrech. Jsou to urychlovače, zařízení, které pomocí elektrických polí urychlují různé druhy částic k rychlostem blízkým rychlosti světla. Cílem je srazit dva svazky těchto částic, případně je vystřelit proti nehybnému terči a potom pozorovat, co se bude dít.

Urychlujeme

S částicemi je to podobné jako se starým porcelánovým prasátkem na spoření. Můžeš dovnitř nahlížet štěrbinou na zádech prasátka, ale když chceš opravdu vědět, co je uvnitř, musíš vzít kladívko a prasátko rozbít. Zatímco dříve vědcům k objevům stačila jenom malá kladívka v podobě alfa a beta částic a našli proton i neutron, když chtěli zkoumat hlubší podstatu, museli sáhnout po větším kladivu. A tím je právě urychlovač, přístroj fungující na podobném principu jako katoda, díky které J.J.Thomson v roce 1897 objevil elektrony. 

Když chceš rozhýbat elektricky nabitou částici, kterou může být třeba elektron, proton nebo i ionizovaný atom, zkráceně iont, potřebuješ elektrické pole. V podstatě jsou to dvě elektrody o rozdílném napětí a čím větší napětí, tím vyšší rychlost částic a také vyšší energie. Pak potřebuje druhou složku - magnetické pole, které částice usměrní a nedovolí jim rozletět se do všech stran. První urychlovače, elektrostatické, vznikly krátce před druhou světovou válkou, ale až v 50. letech minulého století se objevili dva hlavní typy - lineární a kruhový.

Ty kruhové dokážou dosáhnout vyšších energií, v současnosti největší urychlovač stojí ve Švýcarsku, nebo spíše pod Švýcarskem a kousek též pod Francií, je to kruh o poloměru skoro 4,3 km.

Objev kvarků

V 60. letech minulého století začali vědci tušit, že proton i neutron zřejmě budou mít v sobě ještě nějakou další strukturu, že to nejsou nedělitelné částice. Právě ve Standfordském lineárním urychlovači (zkráceně SLAC) probíhali experimenty, kdy elektrony sráželi s protony a sledovali, co se stane. Výsledky ukazovaly na to, že elektrony se nesrážejí s protonem, ale až s něčím menším uvnitř protonu. Klíčový rozptylový experiment byl ve SLAC proveden v roce 1968 a jev, který byl pozorován dostal jméno hluboký nepružný rozptyl.

Tou dobou už  fyzikové, jak Murray Gell-Man a George Zweig nezávisle na sobě předpověděli výskyt těchto částic a dokázali pro ně vypracovat matematický model (jenom pro zajímavost, je to SU(3) symetrie. Bohužel jejich model byl pozorováním vyvrácen a až další fyzik, Richard Feynman přišel na to, že s elektrony se ve skutečnosti srážely s partony. Vysvětlit parton bude obtížné, jsou to fiktivní částice, kvarky a gluony dohromady, jak to tam všechno díky kvantovým fluktuacím víří a míchá se dohromady. Feynman tedy potvrdil, že v podstatě kvarky existují a Gell-Man jim dal jméno a matematický aparát. Právě za matematiku kolem  SU(3) symetri dostal v roce 1969 Nobelovu cenu za fyziku. to když se podařilo objevit předpovězenou částici ?-, složenou ze tří podivných kvarků.

Kvarky jsou (možná prozatím) částice bez jakékoliv známe vnitřní struktury. Kvarky jsou také jediné nám známe částice, které podléhají vlivům všech 4 základních interakcí (opáčko - gravitace, elektromagnetická síla, slabá a silná jaderná interakce). Kvarky mají elektrický náboj ±1/3, nebo ±2/3 a jejich spin je 1/2 (ano, jsou to fermiony). Protože jsou uvnitř protonu i neutronu 3 kvarky, z toho 2 stejného typu, podle Pauliho vylučovacího principu se musí něčím lišit a to je jejich barva, kterou jsou červená, modrá a zelená, které dají dohromady dají bílou a. Takže v oblasti barvy je potom výsledná směska neutrální. To by byly i dva kvarky, konec konců, ale ještě potřebujeme magnetický moment protonu a na to už nám dva kvarky nestačí, vítězná kombinace je uud.

I kvarky mají svoji rodinu

Nejenom kvarky, nadpis je trochu zavádějící, ale dostává nás konečně k druhé části otázky, proč už těch příšerek nebude více. V rámci našeho poznání a Standardního modelu částic existují tři různé rodiny, které se liší, jak jinak, svoji hmotností. První rodinu známe z běžného provozu, z každodenního života, jsou to elektron, neutrino a kvarku nahoru a dolů. Druhou rodinu známe třeba ze spršek kosmických částic a samozřejmě z urychlovačů, jsou to mion (těžší brácha elektronu), mionové neutrino a kvarky podivný a půvabný. A třetí rodinu, kterou známe už jenom z urychlovačů tvoří tauon (ještě těžší brácha elektronu, je těžší než proton), taunové neutrino a kvarky spodní a svrchní. Tyto nejtěžší částice se vyskytovaly také když byl vesmír opravdu hodně mladý, potom už ne. A nic dalšího, žádnou další rodinu nebo generaci částic neznáme.

Samozřejmě, kvarky se mohou různě kombinovat, mohou být dvojice kvark a antikvark - to jsou mezony, trojice s různými barvami potom tvoří baryony (např. proton, neutron), existují i tetra a penta kvarky - tedy exotické částice ze čtyřech nebo pěti kvarků a antikvarků. Když do baryonů vrazíme podivný kvark, dostaneme hyperony, prostě celou další zoo různých složenin.

Zajímavá je ale historie objevů další kvarků. Podivný kvark je jediný, u kterého není jasné, kdo ho vlastně objevil. Poprvé o něj vědci zavadili, když zkoumali spršky částic z vesmíru, mezony kaony už v roce 1947, jenomže tehdy nikdo netušil, že se jedná o kvarky. A kaony se chovaly podivně, proto Gell-Man zavedl nové kvantové číslo podivnost a za okamžik objevu podivného kvarku se pokládá rok 1968, kdy byly objeveny i kvarky nahoru a dolů.

Za objevy dalších kvarků už vděčíme urychlovačům, půvabný kvark byl objeven v roce 1974 nezávisle na sobě dvěma skupinami fyziků, jednu vedl Samuel Ting a druhou Burton Richter. Říká se tomu listopadová revoluce ve fyzice a znamenalo to definitivní potvrzení hypotézy kvarků. Spodní kvark našli ve Fermilabu v roce 1977, skupinu vedl Leon Lederman. Poslední kvark, svrchní našli v roce 1995 na urychlovači Tevatron. Je zajímavé, že hmotnost svrchního kvarku je podobná jako u atomu wolframu. Tyto objevy mají společnou jednu důležitou věc - předcházelo jim pozorování porušení symetrie různého typu. Symetrii si můžeš představit jako tebe a tvůj obraz v zrcadle a pro fyziku jsou symetrie velmi důležité, stejně jako jejich porušení, ale o tom někdy příště. Jenom právě za objev porušení CP symetrie dostali Nobelovu cenu dva japonští fyzikové, Makoto Kobajaši a Tošihide Maskawa.

Statistika a nepřímá pozorování

Celý tento článek jsme se bavili o tom, že vědci něco našli, ale neřekli jsme, jak to našli. V těch urychlovačích existují přesná místa, kde se sledují srážky částic a jejich výsledky. Celá řada částic má jenom velmi krátkou dobu života, než zmizí, častokrát nacházíme jenom výsledné produkty rozpadů těchto částic. A hlavně těch výsledků musí být celá řada, aby se s jistotou vědělo, že se nejedná pouze o náhodu. Nejlepší na tom je, že můžeš částicovou vědu dělat i doma. Existují programy distribuovaných výpočtů. Jedná se o to, že třeba LHC za dobu svého provozu nasbíral neuvěřitelné množství dat a neexistuje dostatečně silný počítač, který by je v reálném čase analyzoval- Místo toho můžeš pomoci ty, Time, se svým počítačem, když si nainstaluješ program LHC@home a můžeš volnou kapacitu tvého počítače darovat vědě a pomáhat analyzovat data z LHC. Co říkáš, zkusíš to?