Aktuální číslo:

2019/12

Téma měsíce:

Odpady

Poslední z nejmenších

Objev top–kvarku neznamená konec fyziky elementárních částic
 |  5. 8. 1996
 |  Vesmír 75, 425, 1996/8

Na vědu se nesmíme dívat úzkoprse a vidět jen to, co poskytuje okamžitě. Měli bychom se dívat dopředu několik let, několik desítek let, století či více a představovat si nepředstavitelné.

Al Gore, 1. února 1994

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 (mezonůbaryonů), které se skládají z kvarkůantikvarků, 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.

Ve Fermiho národní laboratoři byla v únoru 1996 ukončena první etapa experimentů na Tevatronu

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Kvantová fyzika

O autorovi

Vladislav Šimák

RNDr. Vladislav Šimák, DrSc., (*1934) vystudoval Matematicko-fyzikální fakultu UK. Ve Fyzikálním ústavu AV ČR se zabývá fyzikou elementárních částic.

Doporučujeme

Recyklace plastového odpadu

Recyklace plastového odpadu

Zdeněk Kruliš  |  9. 12. 2019
Plastové odpady a jejich neblahý vliv na životní prostředí jsou poslední dobou námětem mnoha populárních i populárně- -naučných článků tištěných i...
Odpad, nebo surovina?

Odpad, nebo surovina?

Vladimír Wagner  |  9. 12. 2019
Pokud se ukáže hrozba rostoucí koncentrace CO2 pro vývoj klimatu opravdu tak veliká, jak předpokládají některé scénáře, bude třeba zrychlit cestu...
Modré moře pod blankytnou oblohou

Modré moře pod blankytnou oblohou

Jaromír Plášek  |  9. 12. 2019
Při pohledu na blankytnou oblohu1 si většina čtenářů určitě vzpomene, že za její barvu může jakýsi Rayleighův rozptyl slunečního světla.2 V...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné