Ak sa dnes medzi svetovými celebritami vyskytuje aj nejaké vedecké laboratórium, tak je to takmer určite CERN. Európske centrum časticového výskumu sa v poslednom čase opakovane dostalo na titulné stránky novín, a to najmä vďaka objavu Higgsovho bozónu. V CERN-e sa však okrem výroby a výskumu Higgsovho bozónu na obrovskom urýchľovači LHC (large hadron collider) robia aj iné experimenty. Takže ak si chce niekto urobiť aspoň trochu hlbšiu predstavu o súčasnej experimentálnej časticovej fyzike všeobecne a o CERN-e zvlášť, mal by sa asi niečo dozvedieť aj o týchto iných experimentoch.
Ak máme k dispozícii päťčlánkovú sériu, potom môžeme pri predstavovaní „nehiggsovských“ experimentov postupovať v zásade dvoma spôsobmi. Buď tak, že predstavíme päť rôznych experimentov, alebo tak, že sa budeme venovať piatim rôznym aspektom jedného experimentu. Rozhodli sme sa pre tú druhú možnosť, konkrétne pre podrobnejší opis experimentu NA62. Z dvoch dôvodov. Po prvé preto, že na tomto experimente pracuje niekoľko slovenských fyzikov, ktorí boli ochotní podeliť sa s nami o svoje skúsenosti. A po druhé preto, že experiment NA62 sa venuje rozpadom kaónov. Nuž a kaóny sú mimoriadne zaujímavé a poučné častice, o ktorých ale bežný človek pravdepodobne nikdy nepočul. Tak to skúsime napraviť.
.podivnosť
Kaóny sú najľahšie z takzvaných podivných častíc. Dôvodom podivného názvu podivných častíc je jedna ich podivná vlastnosť. Touto vlastnosťou je dlhý čas života. Niektoré nestabilné častice objavené začiatkom 50. rokov sa rozpadali za desatiny až desiatky nanosekúnd. A to boli naozaj podivne dlhé časy.
Dokonca treba povedať, že slovo „podivný“ nebolo v tomto prípade celkom výstižné. Oveľa výstižnejšie by bolo označiť ich časy života za šialene dlhé. Pretože to, čo fyzici očakávali, boli časy prinajmenšom biliónkrát kratšie.
Na základe čoho to očakávali? Na základe toho, ako často tieto podivné častice vznikali. Až dovtedy totiž vždy platilo, že čím častejšie nejaké nestabilné častice vznikajú (v zrážkach iných častíc), tým rýchlejšie sa rozpadajú (t. j. premieňajú sa na iné, ľahšie častice). Podivné častice znamenali brutálnu výnimku z tohto pravidla a vo fyzike výnimka pravidlo nepotvrdzuje, ale likviduje. Teda, spravidla je to tak, ale tento prípad bol výnimkou. Pravidlo sa nakoniec podarilo udržať pri živote, muselo sa však rafinovane skombinovať s iným pravidlom.
Tým iným pravidlom bol zákon zachovania jednej podivnej fyzikálnej veličiny. Zákony zachovania vo fyzike hovoria, že určité veličiny – napríklad celková energia, hybnosť alebo elektrický náboj – sa nemôžu meniť a ich hodnota zostáva stále rovnaká. Z toho okrem iného vyplýva, že v zrážke elektricky neutrálnych častíc nemôže vzniknúť jedna elektricky nabitá častica – odporovalo by to zákonu zachovania náboja. Dve nabité častice v takejto zrážke vzniknúť môžu, ale musia mať opačné elektrické náboje – aby bol celkový náboj nulový, tak ako na začiatku. A podobné je to s rozpadom – elektricky nabitá častica sa nemôže rozpadnúť na elektricky neutrálne častice.
V roku 1953 prišiel americký fyzik Murray Gell-Mann a nezávisle od neho japonský fyzik Kazuhoki Nishijima s pozoruhodnou myšlienkou: Čo ak by existovala nejaká zachovávajúca sa veličina – akýsi nový typ náboja – ktorej nositeľmi sú len podivné častice? V takom prípade by tieto častice nemohli vznikať v zrážkach obyčajných častíc jednotlivo, ale len v skupinkách s nulovou celkovou hodnotou tohto nového náboja (napríklad v pároch s opačnou hodnotou náboja). Ak by sa však podivné častice z takéhoto páru chceli každá zvlášť rozpadnúť na obyčajné častice, zákon zachovania by im to nedovolil.
Takéto vysvetlenie síce narážalo na jeden problém, ale nebolo to nič vážne. Išlo o to, že pri striktnom zachovaní nového náboja by (niektoré) podivné častice mali žiť nie veľmi dlho, ale večne. Vážny problém to nebol preto, lebo v istom zmysle žijú naozaj skoro večne. Pomer medzi očakávaným a pozorovaným časom života je rádovo taký ako pomer medzi jednou sekundou a trvaním civilizácie, alebo ako pomer medzi jedným týždňom a vekom vesmíru. A okrem toho existoval elegantný spôsob, ako zmeniť večný život podivných častíc na život len prakticky večný.
O jadrových silách bolo už dávno známe, že sú to v skutočnosti dva typy síl (presnejšie povedané interakcií). Jedným hovoríme silné a práve im zodpovedali tie očakávané krátke časy života podivných častíc. Druhým hovoríme slabé a im zas zodpovedajú tie pozorované dlhé časy života. Aby sme namiesto večne žijúcich podivných častíc dostali častice žijúce veľmi dlho, stačilo predpokladať, že nový náboj sa zachováva v prípade silných, nie však v prípade slabých interakcií.
Gell-Mann aj Nishijima sa preto smelo pustili do hľadania nového náboja, ktorého zachovanie v silných a nezachovanie v slabých interakciách by vysvetlilo správanie podivných častíc. Hľadanie spočívalo v tom, že s pokúsili priradiť všetkým známym časticiam nový náboj (obyčajným časticiam nulový, podivným nenulový) a potom skúmali, či sa tento náboj vo všetkých premenách častíc spôsobených silnými interakciami naozaj zachováva. A boli úspešní.
Gell-Mann nazval tento nový náboj podivnosťou a jej zavedením prestali byť podivné častice podivnými, aj keď ten názov im zostal. Nový náboj mu potom umožnil novú klasifikáciu elementárnych častíc a nakoniec ho doviedol až k objavu kvarkov. Rozlúsknutie prvého koánu kaónov, t. j. porozumenie ich dlhému času života, nás priviedlo až k objavu naozaj elementárnych častíc, z ktorých sa skladajú protóny, neutróny a nakoniec aj tie kaóny.
.zrkadlenie
Druhou významnou záhadou, ktorú so sebou priniesli kaóny, bol takzvaný tau-theta paradox. Išlo o to, že dva z kaónov – vtedy sa im hovorilo tau a theta – sa na seba takmer vo všetkých ohľadoch nevysvetliteľne podobali. Mali rovnakú hmotnosť, náboj, podivnosť, spin, skoro všetko. Jediné, v čom sa líšili, bola ďalšia zachovávajúca sa veličina, nazývaná parita.
Parita úzko súvisí so oveľa známejšími zachovávajúcimi sa veličinami, ako sú energia, hybnosť a moment hybnosti. Každá z nich súvisí s nejakou významnou symetriou nášho sveta, t. j. nemennosťou fyzikálnych zákonov, ktorými sa tento svet riadi. Fyzikálne zákony sa nemenia s časom a dôsledkom tohto faktu je zákon zachovania energie. Hybnosť a moment hybnosti sa zas zachovávajú v dôsledku nemennosti fyzikálnych zákonov pri posunutiach a otočeniach. Nuž a pomerne málo známa parita je tou fyzikálnou veličinou, ktorá sa zachováva v dôsledku nemennosti fyzikálnych zákonov pri zrkadleniach (t.j. vďaka zrkadlovej symetrii sveta).
Odkiaľ vedeli fyzici, že parity častíc tau a theta sú rozdielne? Z ich rozpadov.
Jedna sa rozpadala na dve častice zvané pióny a druhá na tri takéto častice. Parity príslušných dvoj- a trojpiónových stavov boli pritom známe, v prvom prípade bola parita kladná, v druhom záporná. Zo zákona zachovania parity teda vyplývalo, že parity častíc tau a theta sú rozdielne, a preto ide o rôzne častice. Ale prečo sa tieto rôzne častice vo všetkom okrem parity zhodujú? Na to nevedel nikto odpovedať. Nikto si dokonca nevedel ani len predstaviť nejaký rozumný dôvod, prečo by to tak malo byť.
Až prišli v roku 1956 dvaja mladí americkí Číňania – Li Čeng-tao a Jang Čen-ning – a povedali si, že možno je to celé „hluboké nedorozumění“, že v skutočnosti sú tau a theta jedna a tá istá častica a že v jednom z jej rozpadov sa parita jednoducho nezachováva. Keď sa v slabých interakciách nezachováva podivnosť, možno sa nemusí ani parita. Bola to odvážna myšlienka a väčšina fyzikov ju považovala za rovnaké kacírstvo, ako nezachovanie energie alebo hybnosti. Ale ukázala sa ako správna a po jej experimentálnom potvrdení získali obidvaja mladí muži už v nasledujúcom roku Nobelovu cenu (Gell-Mann si musel na tú svoju počkať až do roku 1969).
Rozlúsknutie druhého koánu kaónov, t. j. porozumenie tomu, že nie sú dve rôzne častice tau a theta, ale len jedna (dnes jej hovoríme kladný kaón), nás priviedlo k poznaniu o narušení jednej zo základných symetrií sveta. A to ešte nebol koniec.
.antisvet
Fyzici majú radi symetrie a časticoví fyzici obzvlášť. Celá teória elementárnych častíc je v istom zmysle založená na symetriách. Paradoxnou vlastnosťou časticovej fyziky pritom je, že mnohé z týchto symetrií sú takým alebo onakým spôsobom narušené. Zdá sa, že príroda má symetriu rada, ale zas nie bezvýhradne. A korunným svedkom tohto komplikovaného vzťahu prírody k symetriám sú práve kaóny.
Krátko po objavení narušenia zrkadlovej symetrie v rozpadoch kaónov si ľudia uvedomili, že vo svete častíc je narušená ešte jedna symetria, a to symetria medzi časticami a antičasticami. Inými slovami uvedomili si, že svet zložený z antičastíc by nebol úplne rovnaký ako náš svet. Podobali by sa, dokonca veľmi, ale nie úplne.
V čom by bol rozdiel? Nuž, existovali silné dôvody myslieť si, že práve v zrkadlení. Antisvet by sa od toho nášho líšil práve tak, ako sa od neho líši svet za zrkadlom. Dve narušené symetrie – zrkadlenie a zámena častíc na antičastice – mali spolu tvoriť novú, tentoraz už nenarušenú symetriu. Inými slovami, existovali vážne teoretické dôvody pre všeobecne zdieľané presvedčenie, že fyzikálne zákony sa nezmenia, ak zameníme častice za antičastice a pozrieme sa na ne do zrkadla.
Ale po skúsenostiach s kaónmi bolo jasné, že silným teoretickým dôvodom treba síce dôverovať, ale rozhodne ich treba aj experimentálne preverovať. James Cronin a Val Fitch preverili túto symetriu v roku 1964 v rozpadoch akých častíc? Nuž, neutrálnych kaónov. A zistili, že aj ona je síce len mierne, ale predsa len narušená. Nobelovu cenu za to dostali v roku 1980.
A to je na úvod o kaónoch asi všetko. Hádam sme čitateľov presvedčili, že skúmanie rozpadov kaónov – čomu sa venuje aj vyššie spomínaný experiment NA62 – môže byť celkom zaujímavou témou pre ďalšie články tejto série.
Ak máme k dispozícii päťčlánkovú sériu, potom môžeme pri predstavovaní „nehiggsovských“ experimentov postupovať v zásade dvoma spôsobmi. Buď tak, že predstavíme päť rôznych experimentov, alebo tak, že sa budeme venovať piatim rôznym aspektom jedného experimentu. Rozhodli sme sa pre tú druhú možnosť, konkrétne pre podrobnejší opis experimentu NA62. Z dvoch dôvodov. Po prvé preto, že na tomto experimente pracuje niekoľko slovenských fyzikov, ktorí boli ochotní podeliť sa s nami o svoje skúsenosti. A po druhé preto, že experiment NA62 sa venuje rozpadom kaónov. Nuž a kaóny sú mimoriadne zaujímavé a poučné častice, o ktorých ale bežný človek pravdepodobne nikdy nepočul. Tak to skúsime napraviť.
.podivnosť
Kaóny sú najľahšie z takzvaných podivných častíc. Dôvodom podivného názvu podivných častíc je jedna ich podivná vlastnosť. Touto vlastnosťou je dlhý čas života. Niektoré nestabilné častice objavené začiatkom 50. rokov sa rozpadali za desatiny až desiatky nanosekúnd. A to boli naozaj podivne dlhé časy.
Dokonca treba povedať, že slovo „podivný“ nebolo v tomto prípade celkom výstižné. Oveľa výstižnejšie by bolo označiť ich časy života za šialene dlhé. Pretože to, čo fyzici očakávali, boli časy prinajmenšom biliónkrát kratšie.
Na základe čoho to očakávali? Na základe toho, ako často tieto podivné častice vznikali. Až dovtedy totiž vždy platilo, že čím častejšie nejaké nestabilné častice vznikajú (v zrážkach iných častíc), tým rýchlejšie sa rozpadajú (t. j. premieňajú sa na iné, ľahšie častice). Podivné častice znamenali brutálnu výnimku z tohto pravidla a vo fyzike výnimka pravidlo nepotvrdzuje, ale likviduje. Teda, spravidla je to tak, ale tento prípad bol výnimkou. Pravidlo sa nakoniec podarilo udržať pri živote, muselo sa však rafinovane skombinovať s iným pravidlom.
Tým iným pravidlom bol zákon zachovania jednej podivnej fyzikálnej veličiny. Zákony zachovania vo fyzike hovoria, že určité veličiny – napríklad celková energia, hybnosť alebo elektrický náboj – sa nemôžu meniť a ich hodnota zostáva stále rovnaká. Z toho okrem iného vyplýva, že v zrážke elektricky neutrálnych častíc nemôže vzniknúť jedna elektricky nabitá častica – odporovalo by to zákonu zachovania náboja. Dve nabité častice v takejto zrážke vzniknúť môžu, ale musia mať opačné elektrické náboje – aby bol celkový náboj nulový, tak ako na začiatku. A podobné je to s rozpadom – elektricky nabitá častica sa nemôže rozpadnúť na elektricky neutrálne častice.
V roku 1953 prišiel americký fyzik Murray Gell-Mann a nezávisle od neho japonský fyzik Kazuhoki Nishijima s pozoruhodnou myšlienkou: Čo ak by existovala nejaká zachovávajúca sa veličina – akýsi nový typ náboja – ktorej nositeľmi sú len podivné častice? V takom prípade by tieto častice nemohli vznikať v zrážkach obyčajných častíc jednotlivo, ale len v skupinkách s nulovou celkovou hodnotou tohto nového náboja (napríklad v pároch s opačnou hodnotou náboja). Ak by sa však podivné častice z takéhoto páru chceli každá zvlášť rozpadnúť na obyčajné častice, zákon zachovania by im to nedovolil.
Takéto vysvetlenie síce narážalo na jeden problém, ale nebolo to nič vážne. Išlo o to, že pri striktnom zachovaní nového náboja by (niektoré) podivné častice mali žiť nie veľmi dlho, ale večne. Vážny problém to nebol preto, lebo v istom zmysle žijú naozaj skoro večne. Pomer medzi očakávaným a pozorovaným časom života je rádovo taký ako pomer medzi jednou sekundou a trvaním civilizácie, alebo ako pomer medzi jedným týždňom a vekom vesmíru. A okrem toho existoval elegantný spôsob, ako zmeniť večný život podivných častíc na život len prakticky večný.
O jadrových silách bolo už dávno známe, že sú to v skutočnosti dva typy síl (presnejšie povedané interakcií). Jedným hovoríme silné a práve im zodpovedali tie očakávané krátke časy života podivných častíc. Druhým hovoríme slabé a im zas zodpovedajú tie pozorované dlhé časy života. Aby sme namiesto večne žijúcich podivných častíc dostali častice žijúce veľmi dlho, stačilo predpokladať, že nový náboj sa zachováva v prípade silných, nie však v prípade slabých interakcií.
Gell-Mann aj Nishijima sa preto smelo pustili do hľadania nového náboja, ktorého zachovanie v silných a nezachovanie v slabých interakciách by vysvetlilo správanie podivných častíc. Hľadanie spočívalo v tom, že s pokúsili priradiť všetkým známym časticiam nový náboj (obyčajným časticiam nulový, podivným nenulový) a potom skúmali, či sa tento náboj vo všetkých premenách častíc spôsobených silnými interakciami naozaj zachováva. A boli úspešní.
Gell-Mann nazval tento nový náboj podivnosťou a jej zavedením prestali byť podivné častice podivnými, aj keď ten názov im zostal. Nový náboj mu potom umožnil novú klasifikáciu elementárnych častíc a nakoniec ho doviedol až k objavu kvarkov. Rozlúsknutie prvého koánu kaónov, t. j. porozumenie ich dlhému času života, nás priviedlo až k objavu naozaj elementárnych častíc, z ktorých sa skladajú protóny, neutróny a nakoniec aj tie kaóny.
.zrkadlenie
Druhou významnou záhadou, ktorú so sebou priniesli kaóny, bol takzvaný tau-theta paradox. Išlo o to, že dva z kaónov – vtedy sa im hovorilo tau a theta – sa na seba takmer vo všetkých ohľadoch nevysvetliteľne podobali. Mali rovnakú hmotnosť, náboj, podivnosť, spin, skoro všetko. Jediné, v čom sa líšili, bola ďalšia zachovávajúca sa veličina, nazývaná parita.
Parita úzko súvisí so oveľa známejšími zachovávajúcimi sa veličinami, ako sú energia, hybnosť a moment hybnosti. Každá z nich súvisí s nejakou významnou symetriou nášho sveta, t. j. nemennosťou fyzikálnych zákonov, ktorými sa tento svet riadi. Fyzikálne zákony sa nemenia s časom a dôsledkom tohto faktu je zákon zachovania energie. Hybnosť a moment hybnosti sa zas zachovávajú v dôsledku nemennosti fyzikálnych zákonov pri posunutiach a otočeniach. Nuž a pomerne málo známa parita je tou fyzikálnou veličinou, ktorá sa zachováva v dôsledku nemennosti fyzikálnych zákonov pri zrkadleniach (t.j. vďaka zrkadlovej symetrii sveta).
Odkiaľ vedeli fyzici, že parity častíc tau a theta sú rozdielne? Z ich rozpadov.
Jedna sa rozpadala na dve častice zvané pióny a druhá na tri takéto častice. Parity príslušných dvoj- a trojpiónových stavov boli pritom známe, v prvom prípade bola parita kladná, v druhom záporná. Zo zákona zachovania parity teda vyplývalo, že parity častíc tau a theta sú rozdielne, a preto ide o rôzne častice. Ale prečo sa tieto rôzne častice vo všetkom okrem parity zhodujú? Na to nevedel nikto odpovedať. Nikto si dokonca nevedel ani len predstaviť nejaký rozumný dôvod, prečo by to tak malo byť.
Až prišli v roku 1956 dvaja mladí americkí Číňania – Li Čeng-tao a Jang Čen-ning – a povedali si, že možno je to celé „hluboké nedorozumění“, že v skutočnosti sú tau a theta jedna a tá istá častica a že v jednom z jej rozpadov sa parita jednoducho nezachováva. Keď sa v slabých interakciách nezachováva podivnosť, možno sa nemusí ani parita. Bola to odvážna myšlienka a väčšina fyzikov ju považovala za rovnaké kacírstvo, ako nezachovanie energie alebo hybnosti. Ale ukázala sa ako správna a po jej experimentálnom potvrdení získali obidvaja mladí muži už v nasledujúcom roku Nobelovu cenu (Gell-Mann si musel na tú svoju počkať až do roku 1969).
Rozlúsknutie druhého koánu kaónov, t. j. porozumenie tomu, že nie sú dve rôzne častice tau a theta, ale len jedna (dnes jej hovoríme kladný kaón), nás priviedlo k poznaniu o narušení jednej zo základných symetrií sveta. A to ešte nebol koniec.
.antisvet
Fyzici majú radi symetrie a časticoví fyzici obzvlášť. Celá teória elementárnych častíc je v istom zmysle založená na symetriách. Paradoxnou vlastnosťou časticovej fyziky pritom je, že mnohé z týchto symetrií sú takým alebo onakým spôsobom narušené. Zdá sa, že príroda má symetriu rada, ale zas nie bezvýhradne. A korunným svedkom tohto komplikovaného vzťahu prírody k symetriám sú práve kaóny.
Krátko po objavení narušenia zrkadlovej symetrie v rozpadoch kaónov si ľudia uvedomili, že vo svete častíc je narušená ešte jedna symetria, a to symetria medzi časticami a antičasticami. Inými slovami uvedomili si, že svet zložený z antičastíc by nebol úplne rovnaký ako náš svet. Podobali by sa, dokonca veľmi, ale nie úplne.
V čom by bol rozdiel? Nuž, existovali silné dôvody myslieť si, že práve v zrkadlení. Antisvet by sa od toho nášho líšil práve tak, ako sa od neho líši svet za zrkadlom. Dve narušené symetrie – zrkadlenie a zámena častíc na antičastice – mali spolu tvoriť novú, tentoraz už nenarušenú symetriu. Inými slovami, existovali vážne teoretické dôvody pre všeobecne zdieľané presvedčenie, že fyzikálne zákony sa nezmenia, ak zameníme častice za antičastice a pozrieme sa na ne do zrkadla.
Ale po skúsenostiach s kaónmi bolo jasné, že silným teoretickým dôvodom treba síce dôverovať, ale rozhodne ich treba aj experimentálne preverovať. James Cronin a Val Fitch preverili túto symetriu v roku 1964 v rozpadoch akých častíc? Nuž, neutrálnych kaónov. A zistili, že aj ona je síce len mierne, ale predsa len narušená. Nobelovu cenu za to dostali v roku 1980.
A to je na úvod o kaónoch asi všetko. Hádam sme čitateľov presvedčili, že skúmanie rozpadov kaónov – čomu sa venuje aj vyššie spomínaný experiment NA62 – môže byť celkom zaujímavou témou pre ďalšie články tejto série.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.