Jednou z prvých otázok nesúcich fyzikálnu príchuť, ktorú si môžeme položiť, je „Prečo veci padajú na zem?“. Ale samotné padajúce jablko by Newtona nepriviedlo bližšie k povahe gravitácie, keby sa okrem neho nepozrel aj na jemné detaily pohybu planét obiehajúcich okolo Slnka. Zmena polohy planéty na oblohe na pohľad nijako nesúvisí s padaním telies k zemi. V tom je Newtonov objav spoločnej reči pre nebeskú mechaniku i tiažovú silu úžasný.
Fyzika elementárnych častíc je v niečom podobná. Ak by sme sa pozerali iba na priebeh chemických reakcií, nepotrebovali by sme štandardný model, ani neobjavili jeho slávnu poslednú súčiastku, Higgsov bozón. Celkom určite by nám postačila teória elektrónov, atómových jadier a svetla. Vo veľkom hadrónovom urýchľovači LHC v CERN-e, podzemnom laboratóriu na okraji Ženevy, sa rýchlosťou blízkou svetelnej zrážajú dva protibežné zväzky protónov. Načo je to dobré? Ich obrovská pohybová energia sa s istou pravdepodobnosťou môže v zrážke premeniť na novú ťažkú časticu. Podobne ako planéty pre pochopenie gravitácie, objav takýchto nových častíc často zásadne mení a prehlbuje naše porozumenie fyzikálnych zákonov. Porozumenie nielen na úrovni odhaľovania čoraz jemnejšej štruktúry okolitej látky, ale často s priamymi odkazmi na kozmológiu, časový vývoj vesmíru a pôvod hmoty v ňom.
.čo je štandardný model a prečo nestačí?
V štandardnom modeli máme sedemnásť elementárnych častíc. Napríklad elektrón – súčasť všetkých neutrálnych atómov, ktoré nás obklopujú. Elektrón spolu s dvoma ťažšími časticami a troma neutrínami patrí medzi šesť leptónov. Aj kvarkov je šesť. Tie tvoria viazané stavy v jadrách atómov, protón a neutrón, ale aj kaóny, pióny a veľa iných častíc. Ďalej poznáme fotón, zodpovedný za elektromagnetizmus a tým aj svetlo, a gluón, spôsobujúci silnú väzbu kvarkov v protónoch a neutrónoch. Ťažké W a Z zohrávajú dôležitú úlohu pri zriedkavých rozpadoch častíc zložených z kvarkov. A nakoniec Higgsov bozón, súčiastka pridaná do teórie z technických príčin súvisí s hmotnosťou ostatných častíc.
Napriek všetkému úsiliu sa dosiaľ nepodarilo nájsť nijakú predpoveď štandardného modelu, ktorá by bola v preukázateľnom rozpore s experimentom. Neznamená to však, že by sme s ním mohli byť spokojní. Dôvody nespokojnosti možno rozdeliť do dvoch skupín. Tie prvé spočívajú v tom, že štandardný model vôbec neopisuje niektoré pozorované javy. Nejde pritom len o gravitáciu (o tej sa z časticových experimentov skôr nedozvieme). Chýba nám napríklad častica tvoriaca tmavú hmotu obklopujúcu galaxie. Tušíme, že je tam. Z merania obežných rýchlostí hviezd okolo jadier galaxií, z ich vzájomného gravitačného pôsobenia, ako aj z rýchlosti rozpínania vesmíru. Tušíme, že sa skladá z častíc a neinteraguje so svetlom. Takéto častice v štandardnom modeli sú. Higgsov bozón, ako aj Z sa však takmer okamžite rozpadajú a ani neutrína nie sú vhodným kandidátom. Nejde pritom o nijakú maličkosť. Takáto tmavá hmota by podľa najnovších zistení európskej družice Planck Explorer mala tvoriť takmer 27 percent z celkovej hmotnosti vesmíru.
Druhú skupinu dôvodov tvori veľké množstvo otázok, ktoré nám v štandardnom modeli prirodzene prichádzajú na um a zatiaľ ostávajú bez odpovede. Napríklad hmotnosť Higgsovho bozónu by mala byť (z technických príčin) oveľa väčšia ako pozorujeme. Prečo nie je? Odkiaľ sa vzali zvláštne neceločíselné elektrické náboje kvarkov? Prečo sú horné či dolné kvarky, neutríno aj elektrón v troch kópiách rôznych hmotností?
Časticoví fyzici sa niektoré z týchto otázok snažia zodpovedať, pričom vymýšľajú viac či menej exotické rozšírenia štandardného modelu. Tie môžu spočívať napríklad v pridaní niekoľkých priestorových rozmerov prejavujúcich sa len na veľmi malých vzdialenostiach, alebo v predpoklade vnútornej štruktúry dosiaľ elementárnych častíc. Jednými z najpopulárnejších sú takzvané supersymetrické modely. Supersymetria je rozšírením časopriestorových symetrií fyzikálnych zákonov, ako sú posunutia či otočenia v priestore a čase. Supersymetrická teória potrebuje viacero Higgsových bozónov (prinajmenšom tri neutrálne a jeden elektricky nabitý) a každej známej častici veští ťažkého supersymetrického partnera. Najľahší spomedzi takýchto supersymetrických dvojníkov by za veľmi rozumných predpokladov mohol byť stabilnou časticou nerozpadajúcou sa na ľahké častice štandardného modelu. Presne takú časticu by sme potrebovali na vysvetlenie tmavej hmoty okolo galaxií! Supersymetria tiež rieši niektoré ďalšie problémy. Napríklad „malosť“ hmotnosti Higgsovho bozónu.
.častice zložené z kvarkov a nová fyzika v ich rozpadoch
Ak supersymetrickí partneri, alebo iné nové častice, nie sú príliš ťažkí, energia zrážok na LHC by na krátky okamih mala umožniť ich vznik. V najbližších desiatkach rokov bude preto veľmi zaujímavé sledovať, či sa stopy po nich objavia v nazbieraných dátach. Ak by sa tak stalo, nebude ľahké hneď rozhodnúť, o aký typ novej fyziky ide. Práve preto sú okrem priamej produkcie nových častíc na urýchľovači veľmi dôležité aj nepriame signály či doplňujúce merania. Tie môžeme získať čo najpresnejším zmeraním nejakého javu, zameriavajúc sa na možné odchýlky spôsobené novou fyzikou.
Takýmto experimentom je aj NA62, ktorý tiež prebieha v CERN-e. Ide o experiment, v ktorom sa nepokúšame nové častice „vyrobiť“ ani len na krátky okamih, a preto nepotrebujeme obrovské energie (a teda ani obrovský urýchľovač). Naopak, experiment NA62 prebieha pri relatívne veľmi nízkych energiách. V podstate v ňom sledujeme, ako sa určitá veľmi ľahká častica, nazývaná kaón, rozpadá na ešte ľahšie častice. Ale ako sa môže existencia veľmi ťažkých častíc prejaviť v experimentoch, v ktorých tieto častice vôbec nemôžu vzniknúť? No, to je práve zaujímavé.
Aby sme pochopili, čo sa vlastne v tomto experimente meria, predstavíme si niekoľko častíc zložených z kvarkov. Tých je podľa štandardného modelu šesť – tri takzvané horné, up (u), charm (c) a top (t), a tri dolné down (d), strange (s) a bottom (b). V protóne môžeme nájsť trojicu uud, v neutróne ddu. Existujú aj iné častice, ktoré, na rozdiel od protónu a neutrónu, nepozostávajú z troch kvarkov, ale z kvarku a antikvarku. Príkladom takýchto častíc (mezónov) sú pióny a kaóny. Tak sa dostávame k hlavným postavám nášho príbehu.
Kaóny boli prvé z takzvaných podivných častíc, obsahujúcich podivný s kvark. Elektricky nabitý kaón je viazaným stavom up a anti-strange kvarku, zatiaľ čo v pióne nájdeme up a anti-down. Vyzerá to tak, že keby sme v kaóne vymenili podivný antikvark za ľahší anti-down, dostali by sme pión. Takáto výmena je naozaj možná, a to pri rozpade podivného antikvarku vnútri kaónu. Výsledný anti-down pritom musia sprevádzať aj ďalšie častice.
Jednou z možností, ako tento rozpad môže nastať, je rozpad na antikvark sprevádzaný neutrínom a antineutrínom (vďaka nulovému elektrickému náboju a veľmi malej hmotnosti takmer neviditeľné častice). Na svete je rozpad K+→ π+νν. Takýto rozpad je veľmi vzácny. Podľa štandardného modelu sa týka v priemere iba jedného z desiatich miliárd kaónov!
Cieľom NA62 je zmeranie frekvencie výskytu tohto rozpadu, teda koľko spomedzi všetkých rozpadov kaónu je na pión a neutrína. A hoci to tak na prvý pohľad nevyzerá, existencia nových častíc sa na tejto frekvencii môže prejaviť veľmi výrazne.
.Feynmanove diagramy
Ak sa vo fyzike elementárnych častíc snažíme vypočítať pravdepodobnosť nejakej reakcie, akou je napríklad rozpad alebo zrážka častíc, v istom štádiu sa stretneme s veľmi užitočnou grafickou reprezentáciou jednotlivých príspevkov. Môžeme si ju predstaviť ako stavebnicu s bezodnou zásobou niekoľkých typov základných kociek. Tieto voláme interakčné vrcholy a vyzerajú ako bodky, z ktorých trčia tri alebo štyri čiary. Každá z čiar pritom zodpovedá niektorej z elementárnych častíc.
Teória diktuje, ktoré častice sa môžu a ktoré sa nemôžu stretnúť v jednom vrchole. Vrcholy potom vieme spájať tak, že spojíme koncové body vybraných čiar. Výsledkom takéhoto spájania je Feynmanov diagram. Ten úzko súvisí s pravdepodobnosťou priebehu reakcie, ktorá je určená čiarami voľne trčiacimi z diagramu. Čím je diagram jednoduchší, teda z čím menšieho počtu vrcholov sa skladá, tým významnejší je jeho príspevok v celkovej pravdepodobnosti reakcie.
Ak sa v rámci štandardného modelu nakreslia najjednoduchšie Feynmanove diagramy prispievajúce k rôznym typom rozpadu kaónu a spočítajú sa príslušné pravdepodobnosti, dostaneme už spomínanú pravdepodobnosť rozpadu kaónu na pión a neutrína rovnú jednej ku desiatim miliardám.
(Dôvod je ten, že i tie najjednoduchšie diagramy opisujúce rozpad K+→ π+νν pozostávajú najmenej zo štyroch vrcholov, čo je viac, než diagramy prislúchajúce iným rozpadom. Nuž a čím väčší počet vrcholov, tým menšia pravdepodobnosť.)
Ak by však v prírode existovali aj iné elementárne častice než tie, ktoré sú obsiahnuté v štandardnom modeli, mohli by k tomuto rozpadu prispievať svojimi čiarami a vrcholmi. Inými slovami, existencia nových častíc znamená existenciu nových Feynmanových diagramov, ktoré opisujú jednotlivé rozpady. A za určitých okolností sa môže stať, že k rozpadu K+→ π+νν prispejú tieto nové diagramy viac, než k iným typom rozpadu. Za takých okolností by sa mohlo stať, že namiesto jedného by sa na pión a neutrína rozpadlo niekoľko z desiatich miliárd kaónov.
Ak by sa to naozaj stalo (a experiment NA62 zisťuje, či sa to stane), tak by sme vďaka Feynmanovým diagramom získali nielen informáciu o existencii nových častíc, ale aj predstavu o ich hmotnosti. Nuž a hmotnosť práve týchto častíc môže v niektorých supersymetrických modeloch novej fyziky priamo súvisieť s hmotnosťou častíc tmavej hmoty, na detekciu ktorej striehne veľké množstvo iných experimentov. Samotný experiment NA62 nemôže viesť k objavu supersymetrie ani potvrdeniu inej novej fyziky. Môže však priniesť cennú informáciu o hmotnostiach a sile interakcií nových častíc, ktorých objav očakávame na súbežne prebiehajúcom experimente LHC.
.autor je fyzik.
Fyzika elementárnych častíc je v niečom podobná. Ak by sme sa pozerali iba na priebeh chemických reakcií, nepotrebovali by sme štandardný model, ani neobjavili jeho slávnu poslednú súčiastku, Higgsov bozón. Celkom určite by nám postačila teória elektrónov, atómových jadier a svetla. Vo veľkom hadrónovom urýchľovači LHC v CERN-e, podzemnom laboratóriu na okraji Ženevy, sa rýchlosťou blízkou svetelnej zrážajú dva protibežné zväzky protónov. Načo je to dobré? Ich obrovská pohybová energia sa s istou pravdepodobnosťou môže v zrážke premeniť na novú ťažkú časticu. Podobne ako planéty pre pochopenie gravitácie, objav takýchto nových častíc často zásadne mení a prehlbuje naše porozumenie fyzikálnych zákonov. Porozumenie nielen na úrovni odhaľovania čoraz jemnejšej štruktúry okolitej látky, ale často s priamymi odkazmi na kozmológiu, časový vývoj vesmíru a pôvod hmoty v ňom.
.čo je štandardný model a prečo nestačí?
V štandardnom modeli máme sedemnásť elementárnych častíc. Napríklad elektrón – súčasť všetkých neutrálnych atómov, ktoré nás obklopujú. Elektrón spolu s dvoma ťažšími časticami a troma neutrínami patrí medzi šesť leptónov. Aj kvarkov je šesť. Tie tvoria viazané stavy v jadrách atómov, protón a neutrón, ale aj kaóny, pióny a veľa iných častíc. Ďalej poznáme fotón, zodpovedný za elektromagnetizmus a tým aj svetlo, a gluón, spôsobujúci silnú väzbu kvarkov v protónoch a neutrónoch. Ťažké W a Z zohrávajú dôležitú úlohu pri zriedkavých rozpadoch častíc zložených z kvarkov. A nakoniec Higgsov bozón, súčiastka pridaná do teórie z technických príčin súvisí s hmotnosťou ostatných častíc.
Napriek všetkému úsiliu sa dosiaľ nepodarilo nájsť nijakú predpoveď štandardného modelu, ktorá by bola v preukázateľnom rozpore s experimentom. Neznamená to však, že by sme s ním mohli byť spokojní. Dôvody nespokojnosti možno rozdeliť do dvoch skupín. Tie prvé spočívajú v tom, že štandardný model vôbec neopisuje niektoré pozorované javy. Nejde pritom len o gravitáciu (o tej sa z časticových experimentov skôr nedozvieme). Chýba nám napríklad častica tvoriaca tmavú hmotu obklopujúcu galaxie. Tušíme, že je tam. Z merania obežných rýchlostí hviezd okolo jadier galaxií, z ich vzájomného gravitačného pôsobenia, ako aj z rýchlosti rozpínania vesmíru. Tušíme, že sa skladá z častíc a neinteraguje so svetlom. Takéto častice v štandardnom modeli sú. Higgsov bozón, ako aj Z sa však takmer okamžite rozpadajú a ani neutrína nie sú vhodným kandidátom. Nejde pritom o nijakú maličkosť. Takáto tmavá hmota by podľa najnovších zistení európskej družice Planck Explorer mala tvoriť takmer 27 percent z celkovej hmotnosti vesmíru.
Druhú skupinu dôvodov tvori veľké množstvo otázok, ktoré nám v štandardnom modeli prirodzene prichádzajú na um a zatiaľ ostávajú bez odpovede. Napríklad hmotnosť Higgsovho bozónu by mala byť (z technických príčin) oveľa väčšia ako pozorujeme. Prečo nie je? Odkiaľ sa vzali zvláštne neceločíselné elektrické náboje kvarkov? Prečo sú horné či dolné kvarky, neutríno aj elektrón v troch kópiách rôznych hmotností?
Časticoví fyzici sa niektoré z týchto otázok snažia zodpovedať, pričom vymýšľajú viac či menej exotické rozšírenia štandardného modelu. Tie môžu spočívať napríklad v pridaní niekoľkých priestorových rozmerov prejavujúcich sa len na veľmi malých vzdialenostiach, alebo v predpoklade vnútornej štruktúry dosiaľ elementárnych častíc. Jednými z najpopulárnejších sú takzvané supersymetrické modely. Supersymetria je rozšírením časopriestorových symetrií fyzikálnych zákonov, ako sú posunutia či otočenia v priestore a čase. Supersymetrická teória potrebuje viacero Higgsových bozónov (prinajmenšom tri neutrálne a jeden elektricky nabitý) a každej známej častici veští ťažkého supersymetrického partnera. Najľahší spomedzi takýchto supersymetrických dvojníkov by za veľmi rozumných predpokladov mohol byť stabilnou časticou nerozpadajúcou sa na ľahké častice štandardného modelu. Presne takú časticu by sme potrebovali na vysvetlenie tmavej hmoty okolo galaxií! Supersymetria tiež rieši niektoré ďalšie problémy. Napríklad „malosť“ hmotnosti Higgsovho bozónu.
.častice zložené z kvarkov a nová fyzika v ich rozpadoch
Ak supersymetrickí partneri, alebo iné nové častice, nie sú príliš ťažkí, energia zrážok na LHC by na krátky okamih mala umožniť ich vznik. V najbližších desiatkach rokov bude preto veľmi zaujímavé sledovať, či sa stopy po nich objavia v nazbieraných dátach. Ak by sa tak stalo, nebude ľahké hneď rozhodnúť, o aký typ novej fyziky ide. Práve preto sú okrem priamej produkcie nových častíc na urýchľovači veľmi dôležité aj nepriame signály či doplňujúce merania. Tie môžeme získať čo najpresnejším zmeraním nejakého javu, zameriavajúc sa na možné odchýlky spôsobené novou fyzikou.
Takýmto experimentom je aj NA62, ktorý tiež prebieha v CERN-e. Ide o experiment, v ktorom sa nepokúšame nové častice „vyrobiť“ ani len na krátky okamih, a preto nepotrebujeme obrovské energie (a teda ani obrovský urýchľovač). Naopak, experiment NA62 prebieha pri relatívne veľmi nízkych energiách. V podstate v ňom sledujeme, ako sa určitá veľmi ľahká častica, nazývaná kaón, rozpadá na ešte ľahšie častice. Ale ako sa môže existencia veľmi ťažkých častíc prejaviť v experimentoch, v ktorých tieto častice vôbec nemôžu vzniknúť? No, to je práve zaujímavé.
Aby sme pochopili, čo sa vlastne v tomto experimente meria, predstavíme si niekoľko častíc zložených z kvarkov. Tých je podľa štandardného modelu šesť – tri takzvané horné, up (u), charm (c) a top (t), a tri dolné down (d), strange (s) a bottom (b). V protóne môžeme nájsť trojicu uud, v neutróne ddu. Existujú aj iné častice, ktoré, na rozdiel od protónu a neutrónu, nepozostávajú z troch kvarkov, ale z kvarku a antikvarku. Príkladom takýchto častíc (mezónov) sú pióny a kaóny. Tak sa dostávame k hlavným postavám nášho príbehu.
Kaóny boli prvé z takzvaných podivných častíc, obsahujúcich podivný s kvark. Elektricky nabitý kaón je viazaným stavom up a anti-strange kvarku, zatiaľ čo v pióne nájdeme up a anti-down. Vyzerá to tak, že keby sme v kaóne vymenili podivný antikvark za ľahší anti-down, dostali by sme pión. Takáto výmena je naozaj možná, a to pri rozpade podivného antikvarku vnútri kaónu. Výsledný anti-down pritom musia sprevádzať aj ďalšie častice.
Jednou z možností, ako tento rozpad môže nastať, je rozpad na antikvark sprevádzaný neutrínom a antineutrínom (vďaka nulovému elektrickému náboju a veľmi malej hmotnosti takmer neviditeľné častice). Na svete je rozpad K+→ π+νν. Takýto rozpad je veľmi vzácny. Podľa štandardného modelu sa týka v priemere iba jedného z desiatich miliárd kaónov!
Cieľom NA62 je zmeranie frekvencie výskytu tohto rozpadu, teda koľko spomedzi všetkých rozpadov kaónu je na pión a neutrína. A hoci to tak na prvý pohľad nevyzerá, existencia nových častíc sa na tejto frekvencii môže prejaviť veľmi výrazne.
.Feynmanove diagramy
Ak sa vo fyzike elementárnych častíc snažíme vypočítať pravdepodobnosť nejakej reakcie, akou je napríklad rozpad alebo zrážka častíc, v istom štádiu sa stretneme s veľmi užitočnou grafickou reprezentáciou jednotlivých príspevkov. Môžeme si ju predstaviť ako stavebnicu s bezodnou zásobou niekoľkých typov základných kociek. Tieto voláme interakčné vrcholy a vyzerajú ako bodky, z ktorých trčia tri alebo štyri čiary. Každá z čiar pritom zodpovedá niektorej z elementárnych častíc.
Teória diktuje, ktoré častice sa môžu a ktoré sa nemôžu stretnúť v jednom vrchole. Vrcholy potom vieme spájať tak, že spojíme koncové body vybraných čiar. Výsledkom takéhoto spájania je Feynmanov diagram. Ten úzko súvisí s pravdepodobnosťou priebehu reakcie, ktorá je určená čiarami voľne trčiacimi z diagramu. Čím je diagram jednoduchší, teda z čím menšieho počtu vrcholov sa skladá, tým významnejší je jeho príspevok v celkovej pravdepodobnosti reakcie.
Ak sa v rámci štandardného modelu nakreslia najjednoduchšie Feynmanove diagramy prispievajúce k rôznym typom rozpadu kaónu a spočítajú sa príslušné pravdepodobnosti, dostaneme už spomínanú pravdepodobnosť rozpadu kaónu na pión a neutrína rovnú jednej ku desiatim miliardám.
(Dôvod je ten, že i tie najjednoduchšie diagramy opisujúce rozpad K+→ π+νν pozostávajú najmenej zo štyroch vrcholov, čo je viac, než diagramy prislúchajúce iným rozpadom. Nuž a čím väčší počet vrcholov, tým menšia pravdepodobnosť.)
Ak by však v prírode existovali aj iné elementárne častice než tie, ktoré sú obsiahnuté v štandardnom modeli, mohli by k tomuto rozpadu prispievať svojimi čiarami a vrcholmi. Inými slovami, existencia nových častíc znamená existenciu nových Feynmanových diagramov, ktoré opisujú jednotlivé rozpady. A za určitých okolností sa môže stať, že k rozpadu K+→ π+νν prispejú tieto nové diagramy viac, než k iným typom rozpadu. Za takých okolností by sa mohlo stať, že namiesto jedného by sa na pión a neutrína rozpadlo niekoľko z desiatich miliárd kaónov.
Ak by sa to naozaj stalo (a experiment NA62 zisťuje, či sa to stane), tak by sme vďaka Feynmanovým diagramom získali nielen informáciu o existencii nových častíc, ale aj predstavu o ich hmotnosti. Nuž a hmotnosť práve týchto častíc môže v niektorých supersymetrických modeloch novej fyziky priamo súvisieť s hmotnosťou častíc tmavej hmoty, na detekciu ktorej striehne veľké množstvo iných experimentov. Samotný experiment NA62 nemôže viesť k objavu supersymetrie ani potvrdeniu inej novej fyziky. Môže však priniesť cennú informáciu o hmotnostiach a sile interakcií nových častíc, ktorých objav očakávame na súbežne prebiehajúcom experimente LHC.
.autor je fyzik.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.