Poslední z nejmenších

Mělo by pro náš svět nějaké důsledky, kdyby se nějakou shodou okolností stalo, že by – dejme tomu – elektron byl hmotnější, než je? Byl by náš svět jiný? Hmotnější elektrony by mohly být zachyceny protony a vesmír po velkém třesku by se skládal ze samých neutrálních částic, a tedy by nevznikly atomy, atomová jádra, molekuly ... a ani lidské bytosti. Objevy jednotlivých elementárních částic a hledání, jak spolu jednotlivé části této skládanky či hádanky souvisí, je velkým dobrodružstvím (i když pro většinu fyziků spíše tvrdou prací) fyziky elementárních částic. Posledním velkým úspěchem je netrpělivě a dlouho očekávané potvrzení existence kvarku t. red.

Elementární částice, tak jak jsme je znali na počátku tohoto století, se na konci století změnily z atomových jader, protonů, neutronů a elektronů na částice, kterým říkáme kvarky. I když jejich přímá evidence jako volných částic nebyla nikdy experimentálně potvrzena, a pravděpodobně ani nebude, přesto o jejich existenci uvnitř nukleonů a mezonů nemáme žádné pochybnosti. Pro jejich existenci svědčí nejenom bohatost hadronů (mezonů a baryonů), které se skládají z kvarků a antikvarků, ale i přímé důkazy srážek mezi kvarky. Tyto srážky se projevují – jako ostatně všechny srážky na malých vzdálenostech (E. Rutherford objevil atomové jádro rozptylem alfa-částice na velké úhly) – rozptylem na velké úhly a kvarky způsobují spršku částic, kterou pozorujeme v experimentálních zařízeních (viz obr. obrázek).

Nyní známe šest kvarků a jejich antikvarky, a dále považujeme za elementární částice i šest leptonů (elektrony, miony, taony a k nim přidružená tři neutrina) a jejich antičástice. Těchto šest kvarků a leptonů (fermionů se spinem 1/2) tvoří základ tzv. standardního modelu elementárních částic. K nim ještě patří bosony (částice s celočíselným spinem), které zprostředkovávají vazby a interakce mezi fermiony (obr. obrázek), foton, intermediální bosony, gluon a zatím nepotvrzená částice Higgsův boson.

Standardní model tvoří základ současné fyziky elementárních částic a experimenty v posledních letech stále více potvrzují jeho platnost. Jedno z podstatných potvrzení přišlo z experimentů CDF a D0 na urychlovačích vstřícných svazků proton-antiproton v laboratoři FERMILAB u Chicaga.

Kvark označený jako top vyplnil prázdné místo ve standardním modelu a uzavřel poslední ze tří rodin kvarků. Standardní model pro tento kvark předpověděl elektrický náboj 2/3 elektronu, podobný, jaké mají kvarky u a c. Hmoty kvarku však tento model nepředpovídá. Experimentálni hranice hmoty se posouvala od původních 40 a 70 GeV/c², z experimentů na urychlovači v CERN, až na skutečnou evidenci kvarku t s hmotou okolo 170 GeV/c². Urychlovač vstřícných svazků ve FERMILAB dosahuje srážek s těžišťovou energií 1 800 GeV, zatímco urychlovač v CERN dosáhl maximální energii přibližně poloviční. Proto bylo možné, aby v anihilacích páru antiprotonu a protonu vznikl pár tak těžkých kvarků (t – top, t' – antitop) teprve po spuštění urychlovače ve FERMILAB. Uvědomme si, že tento kvark je základní elementární částice, jehož hmota je srovnatelná s hmotou atomu zlata, zatímco lehké kvarky (u, d) mají hmotu menší než setina hmoty protonu.

Experimenty CDF a D0, které vedly k objevu tohoto kvarku (obr. obrázek), představují komplexy detektorů částic, které jsou schopny registrovat většinu vzniklých částic v interakcích antiproton – proton. Po několikaletém úsilí se podařilo v minulém roce registrovat srážky, které měly spršky sekundárních částic s velmi velkými příčnými impulzy proti původnímu směru svazků antiproton–protonů a tak odpovídaly rozptylu kvarků na velké úhly. Mezi těmito srážkami byly pak nalezeny takové, kde energetická bilance odpovídala vzniku částice s hmotou 150 – 200 GeV/c² a kvark t byl na světě. Kvark t vzniká v párech t – t' a oba se převážně rozpadají na lehčí kvark b a intermediální boson W. Kvark b pak vytváří spršku částic a intermediální boson se rozpadá na nabitý lepton (elektron, muon) a neutrino, nebo na pár kvark – antikvark způsobující spršku částic. Pozorované způsoby rozpadu kvarku t a jejich četnost pak potvrzují základní vlastnosti kvarku t, které předvídá standardní model.

Že experimentální evidence kvarku t nebyla jednoduchá, je vidět z toho, že přibližně na bilion interakcí antiproton – proton vzniká jeden pár t – t'.

Další experimentální potvrzení bylo pozorování kvarku b, který se po vzniku z kvarku t váže např. s antikvarkem u' na mezon B. Tento mezon má dobu života ~10^–13 sec a je-li dostatečně rychlý, můžeme jeho rozpad pozorovat ve vzdálenostech několika set mikrometrů od bodu vzniku. Takovéto případy byly v interakcích při vzniku kvarku t skutečně pozorovány a potvrdily tak nejen existenci kvarku t, ale i jeho hlavní způsob rozpadu na kvark b a intermediální boson W. V současné době celková statistika pozorovaných kvarků t není příliš veliká, v experimentu D0 ~ 27 a v experimentu CDF ~70. Oba experimenty se shodují v tom, že hmota kvarku t leží v intervalu 150 – 200 GeV/c² (170 ± 15 GeV/c²).

Uzavírají se tak tři rodiny základních elementárních částic. Experimenty na elektron–pozitronových urychlovačích (LEP v CERN, SLAC) s energií hmoty intermediálního bosonu Z ukázaly z rozpadu tohoto bosonu, že mohou existovat pouze tři druhy neutrin (intermediální boson se rozpadá na páry kvark – antikvark, lepton – antilepton nebo neutrino – antineutrino). A tak se magické číslo 3 vztahuje jak na rodinu leptonů, tak na rodinu kvarků.

Bohatost kvarkových struktur dovoluje vysvětlit existenci stovky mezonů a baryonů, pozorovaných v interakcích částic. Kvarky jsou vázány v hadronech silami podobnými, jako je elektromagnetické pole, i když mnohem silnějšími a působícími na krátkých vzdálenostech. Podobně jako kvanta elektromagnetického pole jsou fotony, kvanta pole, které váže kvarky, označujeme jako gluony. A opět si můžeme představit přímé interakce jak mezi kvarky, tak i mezi gluony. Ukazuje se např., že v protonu přibližně polovinu hybnosti nese pole gluonů.

Hadrony, dříve elementární částice, jsou složeny z kvarků a antikvarků a různé vlastnosti kvarků pak určují vlastnosti pozorovaných hadronů. Kvarky a gluony mají ještě další vlastnost, které říkáme “barva″ (tři různé “barvy″), nicméně tato vlastnost se v hadronech neprojevuje, tj. hadrony jsou složeny tak, že “barvy″ kvarků a gluonů se navzájem eliminují, takže hadrony jsou “nebarevné″. Přesto z množství vzniklých kvarků, např. z elektron–pozitronových anihilací, existence této vlastnosti jasně vyplývá.

Experimentální evidence kvarku t tak uzavírá velkou kapitolu struktury hmoty. V rámci standardního modelu však schází ještě jedna částice, tzv. Higgsův boson, kterým se vysvětlují nenulové hmoty intermediálních bosonů Z a W i ostatních fermionů. Hmota této hypotetické částice však je předpovídána v oblasti několika set GeV/c². Proto si na objev této částice ještě nějakou chvíli počkáme.

S novými znalostmi se řada pozorování vysvětluje, ale vznikají také nové otázky i problémy. Standardní model nám nevysvětluje velké rozdíly hmoty částic, ani nám neodpovídá na otázku existence tří rodin. Vedle hmot kvarků má řadu volných parametrů, které např. popisují různé rozpady kvarků, a tedy i hadronů, a které jsou určovány z experimentů. Uvědomíme-li si, že veškerá dosud známá hmota ve vesmíru se skládá z protonů, neutronů a elektronů (kvarky u, d), pak z tohoto hlediska jsou ostatní dvě rodiny kvarků a leptonů zbytečné. Jejich existence dává tušit další vnitřní vztahy mezi těmito nejelementárnějšími částicemi. Není vyloučeno, že i kvarky mohou mít i vlastní vnitřní strukturu, jak navrhují některé modely.

Teprve začátek příštího století však posune znalosti o elementárních částicích podstatně dále. V roce 2005 bude v CERN spuštěn nový urychlovač vstřícných svazků proton – proton s energii 14 TeV, která umožní odpovědět na základní otázky standardního modelu (existence Higgsova bosonu, původ narušení tzv. CP invariance, tj. asymetrie hmoty a antihmoty, ...). Na urychlovači LHC budou dva základní detektory ATLAS a CMS. A budeme při tom – laboratoře v AV ČR, na UK a ČVUT jsou do experimentu ATLAS zapojeny také.