První elementární částice

V Thomsonově objevu elektronu před 100 lety byla dvojí ironie. Jednak byl triumfem spíše teoretického úsudku než experimentální virtuozity. Když byl J. J. Thomson povolán do Cavendishovy laboratoře jako profesor experimentální fyziky, byla jeho pověst založena na jeho matematické práci. Jeden z jeho asistentů později vzpomínal: „J. J. měl velice nešikovné prsty, takže jsem ho raději odrazoval od toho, aby na přístroje vůbec sahal.“ Jeho rozhodující měření z r. 1897 poměru hmoty a náboje částice, která tvoří katodové paprsky, nebyla tak přesná jako měření, která zhruba v téže době provedl Walter Kaufmann v Berlíně. Pro Thomsona (vychovaného v atomistické intelektuální tradici Newtona, Prouta a Daltona) bylo přirozené z pozorování, že poměr hmoty k náboji je malý a nezávislý na materiálu katody, jež částice katodových paprsků emitovala, vyvodit, že tato částice je základní složkou atomu, „látkou, z níž jsou vytvořeny chemické elementy“.

Thomsonovým snad nejlepším úspěchem bylo o dva roky později experimentální potvrzení, že částice emitované z povrchu kovů ve fotoelektrickém a termoelektrickém jevu mají tentýž poměr hmoty a náboje jako katodové paprsky. To podpořilo jeho tvrzení, že jde o stejné částice. Zhruba v této době začali fyzikové nazývat novou částici jménem vypůjčeným z teorie elektrolýzy: elektron.

Thomson zhruba změřil elektrický náboj elektronu, z čehož bylo možné bezprostředně odvodit náboj iontů – atomů, které buď ztratily, anebo získaly jeden či více elektronů. Spolu s dřívějšími měřeními poměru hmoty a náboje různých iontů při elektrolýze to dalo hodnoty hmot iontů, a tedy i atomů, které souhlasily s hodnotami odvozenými jinými způsoby. To je druhá a větší ironie: objev elektronu pomohl potvrdit existenci atomů, avšak protože elektrony mohly být z atomu vyraženy, objev zároveň ukázal, že atomy nejsou to, zač byly vždycky považovány: nejsou nedělitelnými složkami hmoty. Dnes bychom řekli, že nejsou elementárními částicemi.

Když byla v laboratoři Ernsta Rutherforda r. 1911 objevena atomová jádra, předpokládalo se, že nejsou elementární, protože se vědělo, že některá radioaktivní jádra emitují elektrony a další částice, a také náboje a hmoty jader mohly být vysvětleny předpokladem, že se skládají ze dvou typů částic: z lehkých, záporně nabitých elektronů a těžkých, kladně nabitých protonů.

Myšlenka, že veškerá hmota se skládá právě ze dvou typů elementárních částic, byla v roce 1920 tak všepronikající a houževnatá, že to je dnes těžké pochopit. Např. když r. 1932 James Chadwick objevil elektricky neutrální neutron, všeobecně se předpokládalo, že se skládá z jednoho protonu a jednoho elektronu. V práci, v níž Chadwick objev neutronu oznámil, vyslovil názor: „Je pochopitelně možné předpokládat, že neutron je elementární částicí. Tento názor nemá dnes co nabídnout, vyjma možnost vysvětlit statistiku takových jader, jako je ¹⁴N.“ (Mohli bychom si pomyslet, že to byl docela dobrý důvod: „statistikou“ Chadwick odkazoval na důkaz z molekulárních spekter, která vylučovala, aby se jádra ¹⁴N skládala jen z protonů a elektronů, ať už jsou či nejsou spolu vázány v neutronech.) Teprve objev nezávislosti jaderných sil r. 1936 jasně ukázal, že na neutrony a protony musíme pohlížet stejně; jestliže jsou protony elementární, pak neutrony musejí být elementární též. Dnes – mluvíme-li o protonech a neutronech – házíme je do jednoho pytle jako nukleony.

To byl jen začátek velkého narůstání seznamu tzv. elementárních částic. První novou částicí, která byla objevena, byl pozitron, antičástice k elektronu. V teorii Paula Diraca z let 1928 – 30 se pozitron objevil jako díra v moři elektronů záporných energií. Dnes je tato interpretace zastaralá a na pozitron se díváme jako na svéprávnou částici. Mion (druh těžkého elektronu) do seznamu přibyl r. 1937 (ačkoli na jeho podstatu se přišlo mnohem později) a silně interagující částice zvané piony, kaony a hyperony byly objeveny koncem čtyřicátých let. Slabě interagující částice zvaná neutrino byla navržena r. 1930, avšak objevena byla až r. 1955. Koncem padesátých let urychlovače a bublinové komory vedly k odkrytí množství nových silně interagujících částic včetně těžších sourozenců pionů, kaonů, nukleonů a hyperonů.

Podle principu, že i když existují více než dva typy elementárních částic, nemělo by jich ve skutečnosti být mnoho, spekulovali teoretici, že většina z těchto nových částic budou částice složené z několika málo typů částic elementárních. Ale podle čeho bychom mohli rozhodnout, zda elektron nebo kterákoliv jiná z těchto částic patří mezi ty elementární? Jakmile byla tato otázka položena, bylo jasné, že stará odpověď — že částice jsou elementární, jestiže z nich nemůžete nic vyrazit — není adekvátní. Elektrony a pozitrony vznikají ve vzájemných srážkách nebo ve srážkách s atomovými jádry, ale nemůžeme na ně nahlížet jako na částice vyražené z elektronu. Piony pocházejí ze vzájemných srážek protonů, protony a antiprotony pocházejí ze vzájemných srážek pionů, takže co je složeno z čeho?

V padesátých letech z tohoto dilematu učinili někteří teoretici princip známý jako „jaderná demokracie“. Tento princip tvrdil, že na každou částici mohu nahlížet jako na vázaný stav jakýchkoli jiných částic, pokud zůstanou v platnosti zákony zachování. Tento postoj se o desetiletí později odrazil u Wernera Heisenberga v řeči před německou fyzikální společností, když vzpomínal: „V experimentech let padesátých a šedesátých ... byly objeveny mnohé nové částice s krátkými i dlouhými dobami života, a už nebylo možné dát jednoznačnou odpověď na otázku, z čeho se tyto částice skládají, neboť tato otázka již neměla racionální význam. Např. proton může být vytvořen z neutronu a pionu, nebo lambda hyperonu a kaonu, anebo ze dvou nukleonů a antinukleonu. Bylo by ze všeho nejjednodušší říkat, že proton se skládá ze spojité hmoty, a všechny tyto odpovědi by byly stejně korektní nebo stejně falešné. Rozdíl mezi elementární a složenou částicí tak zásadně vymizel. A to je nesporně nejdůležitější experimentální objev posledních padesáti let.“

Dlouho předtím, než Heisenberg vyslovil tento spíše přehnaný soud, se rozšířilo jiné pojetí elementární částice. Z hlediska kvantové teorie pole, jak ji vyvinuli v období 1926 – 1934 W. K. Heisenberg, W. Pauli a další, nejsou základními složkami přírody částice, ale pole. Foton je chuchvalec energie elektromagnetického pole a elektron je chuchvalec energie jiného pole, zvaného elektronové. Je přirozené definovat elementární částici jako takovou částici, jejíž pole se objevuje ve fundamentálních rovnicích pole. Nezáleží na tom, jestli je částice těžká nebo lehká, stabilní nebo nestabilní — jestliže se její pole objevuje mezi rovnicemi pole, elementární je, jinak ne.

To je krásná definice, pokud známe rovnice pole. Fyzikové je však dlouho neznali, až na jednu výjimku – kvantovou elektrodynamiku, teorii elektronů, pozitronů a fotonů. Dost velké množství teoretické práce se v 50. a 60. letech vynaložilo na pokusy najít nějaký objektivní způsob, jak rozhodnout, zda daný typ částic je elementární nebo složený, když teorie těchto částic není známa. Ukázalo se, že je to možné za jistých okolností v nerelativistické kvantové mechanice. Bylo např. možné ukázat, že jádro deuteria tráví většinu svého času jako vázaný stav protonu a neutronu. Není to zrovna úspěch budící nadšení — každý již předpokládal, že deuteron vázaný stav je — ale klad této ukázky spočívá v tom, že spoléhá jen na nerelativistickou kvantovou mechaniku a data pro rozptyl netronů na protonech za nízkých energií, aniž by se činily jakékoli specifické předpoklady o jaderných silách anebo o tom, co se stane při vysokých energiích. Bohužel argumenty tohoto druhu nemohly být rozšířeny na elektrony nebo na jiné částice, s nimiž se setkáváme ve fyzice elementárních částic.

To, že schází jakýkoli empirický způsob, jak rozlišit částici složenou a elementární, neznamená, že by toto rozlišení nebylo užitečné. V sedmdesátých letech se po všeobecném přijetí kvantové polní teorie elementárních částic, známé jako standardní model, zdálo, že rozlišení mezi elementárními a složenými částicemi se stalo mnohem jasnějším. Standardní model popisuje pole kvarků (složek nukleonů, hyperonů, pionů atd.), pole leptonů (elektronu, mionu a později objeveného leptonu tau spolu s jim příslušnými neutriny), fotonu a 11 podobných částic — 8 gluonů, které vytvářejí silné síly, jež drží kvarky pohromadě v nukleonech, a částic W⁺, W^– a Z^o, které vytvářejí slabé síly odpovědné za radioaktivní procesy zahrnující neutrina. Takže to jsou, alespoň dnes, elementární částice: kvarky, leptony a foton se svými sourozenci. Proton, neutron a stovky dalších silně interagujících částic objevených po druhé světové válce nejsou vůbec elementární. Skládají se z kvarků a gluonů nikoli proto, že bychom z nich mohli kvarky a gluony vyrazit, o čemž se domníváme, že to není možné, ale proto, že se takto objevují v teorii.

Jedna neurčitá stránka standardního modelu je mechanizmus, jímž elementární částice získávají hmotu. V nejjednodušší verzi modelu závisejí tyto hmoty na síle interakce různých elementárních částic s novým polem, které je všudypřítomné ve vesmíru, avšak tyto konstanty jsou volné parametry teorie. Protože nám chybí lepší teorie, bylo by přirozené předpokládat, že všechny tyto konstanty jsou zhruba rovny konstantě určující sílu interakce elektronu a dalších nabitých částic s elektromagnetickým polem, tj. náboji elektronu. V takovém případě by všechny elementární částice měly hmoty buď zhruba rovné nule, anebo zhruba rovné hmotám částic W⁺, W^– a Z^o. Tak tomu však zdaleka není — téměř všechny elementární částice jsou mnohem lehčí než částice W⁺, W^– a Z^o. Nejlehčí ze všech hmotných elementárních částic je elektron; jeho hmota je 180 000krát menší, než je hmota Z^o. Nikdo neví, kde se vzalo číslo této velikosti. Z tohoto hlediska je elektron nejzáhadnější ze všech částic.

Přes všechny zmíněné objevy si elektron drží status elementární částice, ale nyní víme, že je jedním ze tří elektricky nabitých leptonů. Skutečnost, že elektrony jsou důležité v obyčejném životě, zatímco mion a částice tau nikoli, odráží fakt, že elektron je nejlehčí z těch tří, a tudíž stabilní. Energie navíc v mionu a částici tau může být uvolněna, když se tyto částice rozpadnou na elektrony a neutrina. Takže se rozpadají a v hmotě kolem nás se nevyskytují, zatímco rozpad elektronu na mion nebo tauon by porušoval zachování energie. V principu však můžeme elektron přeměnit na mion nebo tauon, jestliže se srazí s příslušným neutrinem vysoké energie. Neexistují žádné známky, že by elektrony hrály fundamentálnější roli v zákonech fyziky, než ji hrají ostatní leptony a kvarky.

Úspěchy kvantové teorie pole a standardního modelu vrhají zajímavé světlo na rané koncepce elektronu. Ve své slavné práci o relativistické kvantové mechanice z r. 1928 P. A. M. Dirac uzavřel, že elektrony musí mít určitý impulzmoment neboli spin rovný polovině v jednotkách, které jsou přirozené v atomové fyzice. Tento fakt byl objeven o několik let předtím a dosud se zdál být docela záhadný, takže předpověď byla pojímána jako velký úspěch.

Ani dnes si každý nevšimne, že ačkoli Diracova teorie byla velkým krokem v našem porozumění elektronu, nebyly jeho argumenty o spinu elektronu korektní. Diracova analýza nespočívala v žádné speciální vlastnosti elektronu, ale Dirac pouze předpokládal, že je elementární částicí, a usoudil, že to znamená, že musí být popsána relativistickým zobecněním nerelativistické Schrödingerovy  mechaniky.

Jak Dirac zdůraznil, kdyby částice měla jakýkoli jiný spin než jedna polovina, vedlo by to k problémům se zápornou pravděpodobností. Proto Diracovo uvažování směřovalo k závěru, že všechny elementární částice musí mít spin jedna polovina. Dnes víme o částicích jako W⁺, W^– a Z^o, které jsou (právě tak jako částice s nulovou hmotou – foton a gluony), každým coulem tak elementární jako elektron, ale mají spin jedna. Potíž s Diracovými úvahami spočívá v tom, že relativistická kvantová mechanika nemusí být formulována jako relativistické zobecnění kvantové mechaniky. Kvantová teorie pole poskytuje obecnější přístup, který připouští elementární částice jakýchkoli spinů.

Úspěch standardního modelu by mohl být koncem příběhu určení elementárních částic, ale na sklonku sedmdesátých let se naše chápání kvantové teorie pole posunulo. Ukázalo se, že částice při dostatečně nízkých energiích mohou být popsány poli, která vystupují v tzv. efektivních teoriích polí, ať už tyto částice jsou anebo nejsou skutečně elementární. Např. přestože nukleonová a pionová pole nevystupují ve standardním modelu, můžeme procesy zahrnující nízkoenergetické piony a nukleony počítat spíše pomocí efektivní kvantové teorie pole pionových a nukleonových polí než polí kvarků a gluonů. V této teorii se piony a nukleony objevují jako elementární, avšak jádra nikoli. Když takto používáme teorii pole, zavádíme jednoduše všechny obecné principy relativistických kvantových teorií se všemi relevantními symetriemi; neděláme ve skutečnosti žádné předpoklady o základních strukturách fyziky.

Z tohoto hlediska jsme pouze oprávněni říci, že kvarky, gluony, stejně jako foton, částice W⁺, W^– a Z^o a elektron i ostatní leptony jsou elementárnější než piony a nukleony, protože jejich pole se objevují v teorii – ve standardním modelu, který se užívá v mnohem větším rozsahu energií než efektivní teorie pole popisující nukleony a piony při nízkých energiích. Nemůžeme dospět k žádnému konečnému závěru o elementaritě kvarků a gluonů nebo o samotných elektronech. Standardní model sám je pravděpodobně pouze efektivní kvantovou teorií pole, která slouží jako přiblížení k nějaké základní teorii, jejíž detaily by měly být odhaleny při vyšších energiích, než jsou ty, které jsou dosažitelné moderními urychlovači a které nemusejí vůbec zahrnovat kvarková a leptonová pole.

Je např. možné, že kvarky a elektrony a ostatní částice standardního modelu jsou samy složeny z ještě elementárnějších částic. Jedna z možností jak se podívat na velikost těchto částic, je změřit magnetický moment vytvářený jejich spinem. Nenulová velikost sama však ještě není známkou toho, že částice není elementární. Např. v kvantové elektrodynamice (která je nyní částí standardního modelu) se elektron objevuje jako elementární částice, nicméně je obklopen mrakem krátce žijících fotonů a elektronpozitronových párů, který mu dává konečný rozměr. Důležitá věc je, zda měřené efekty konečných rozměrů elektronu jsou rovny těm vypočteným z kvantové elektrodynamiky. Dosud se zdá, že jsou. Experimenty ukazují, že magnetický moment elektronu je 1,001159652188(4) Bohrova magnetonu, zatímco kvantová elektrodynamika dává 1,00115965214(3). Tato pozoruhodná shoda ukazuje, že jsou-li elektrony složené částice, pak energie jejich vazby musí být mnohem vyšší než jakékoli energie dosahované v dnešních experimentech fyziky vysokých energií.

Nebudeme schopni dát konečnou dopověď na otázku, které částice jsou elementární, dokud nebudeme mít teorii sil a hmoty. Kdybychom takovou teorii měli, mohli bychom zjistit, že elementární struktury ve fyzice nejsou vůbec částice. Mnozí teoretici se domnívají, že takovou základní teorií je něco na způsob teorie superstrun, v níž elektrony, kvarky ap. jsou prostě různé nízkofrekvenční mody vibrace strun. Z hlediska superstrun nejsou pole jako elektromagnetické a elektronové základní, objevují  se pouze jako aproximativní popis jevů, platný pro energie, které jsou příliš nízké na to, aby excitovaly vyšší mody vibrace struny. Zdá se v principu nemožné identifikovat jeden soubor strun jako skutečně elementární, protože – jak bylo shledáno – různé teorie strun s různými typy strun jsou ve skutečnosti ekvivalentní.

V tom všem je poučení. Úkolem fyziky není odpovědět na soubor fixních otázek o přírodě, takových, jako je rozhodování, které z částic jsou elementární. Nevíme předem, na co bychom se správně měli ptát, a často na to nepřijdeme, dokud nejsme blízko odpovědi.

/Nature 386, 213–215, 1997/