Čo to je štandardný model? Je to fyzikálna teória, ktorú si môžeme prestaviť ako stolovú hru s dvanástimi typmi figúrok – častíc. Tieto častice sa pohybujú po šachovnici definovanej kvantovou mechanikou a teóriou relativity. Figúrky sa môžu medzi sebou meniť, pravidlá určuje takzvaná kalibračná symetria a spontánne narušenie tejto symetrie.
Prvé štyri figúrky sú u a d kvark, elektrón a jeho neutríno. Túto skupinu nazývame prvá rodina. Dajú sa z nej poskladať atómy, a teda náš každodenný svet. Okrem prvej rodiny častíc existujú ešte ďalšie dve rodiny. Sú úplne rovnaké ako tá prvá, len s oveľa ťažšími príbuznými.
Hlavným obsahom štandardného modelu je, že vysvetľuje, čo drží veci spolu (a od seba). Inými slovami, štandardný model vysvetľuje, ako figúrky-častice na seba navzájom pôsobia, ako interagujú. Elektróny a jadrá sú spojené v atómoch vďaka elektromagnetickej interakcii (to je tá, keď triete ebonitovú tyč líščím chvostom). Kvarky v protónoch viaže silná jadrová sila (to je tá, čo vyrába elektrinu v jadrových elektrárňach). Neutrón sa rozpadá vďaka slabej jadrovej sile (to je tá, vďaka ktorej Slnko svieti). Tieto interakcie súvisia s už spomínanými kľúčovými slovami „kalibračná symetria“. A nakoniec nemôžeme nespomenúť Higgsovu časticu, ktorá je ďalšou dôležitou súčasťou štandardného modelu a v našej hre súvisí s kľúčovými slovami „narušenie kalibračnej symetrie“.
Ešte odbočenie, ktoré sa týka silnej jadrovej sily. Kvarky pozorujeme len vo viazaných stavoch ako protón a neutrón. Oba sú zložené z troch u a d kvarkov (protón uud, neutrón udd). V zrážkach častíc môžu vzniknúť aj mezóny – viazaný stav kvarku a antikvarku. Najľahší je π mezón zložený z u kvarku a d antikvarku. K mezón obsahuje u kvark z prvej rodiny a takzvaný podivný s-antikvark z druhej rodiny.
Štandardný model bol sformulovaný v konečnej podobe v 70. rokoch minulého storočia. Začiatkom tohto storočia boli všetky jeho častice pozorované v laboratóriu. Teda všetky okrem Higgsovej častice. Kvôli nej bol postavený v CERN-e najväčší urýchľovač častíc na svete – LHC. Tento urýchľovač začal pracovať v roku 2008 a v roku 2013 oznámil CERN objavenie Higgsa. Figúrky a pravidlá hry boli presne také, ako ich fyzici navrhli v 70. rokoch.
.za štandardným modelom
Prečo teda nie sme spokojní? Jeden dôvod, prečo nepovažujeme štandardný model za koniec príbehu, je existencia samotných rodín. Prečo existujú tri rodiny? Prečo sú hmotnosti častíc v rôznych rodinách rozdielne ? Ďalším dôvodom je, že štandardný model sa nezmieňuje o interakcii, ktorú všetci dobre poznáme – o gravitácii (ktorá nie je dôležitá pri zrážkach častíc, ktoré vieme vyprodukovať v laboratóriu.)
Existujú teda teórie, ktoré súčasnú teóriu zovšeobecňujú a predpovedajú, že existuje viac figúrok – častíc. Priamy spôsob, ako takéto zovšeobecnenia overiť, je objaviť jej novú časticu. To sa zatiaľ nepodarilo, hoci mnoho fyzikov verí, že sa to udeje práve na LHC. Existuje však i nepriamy spôsob, ako hľadať novú fyziku. Ťažké častice z vyšších rodín sa rozpadajú na častice z nižších rodín, až nakoniec skončia ako členovia najľahšej prvej rodiny. Tieto premeny nie sú ľubovoľné, pravidlá štandardného modelu určujú kto, s kým a ako rýchlo. Hľadanie rozdielu medzi predpoveďou súčasnej teórie a hodnotou pozorovanou v prírode je cesta, ako nepriamo nájsť fyziku za štandardným modelom. A to je hlavným cieľom viacerých experimentov, medzi nimi aj experimentu NA62.
Tento experiment prebieha v CERN-e pri Ženeve. Bol schválený v roku 2009 a prvé dáta nabral koncom minulého roku. Názov experimentu znamená: NA – North Area (severná oblasť) – to je časť CERN-u, kde sa experiment nachádza, a 62 je poradové číslo experimentu (v tejto oblasti už bolo 61 experimentov pred NA62). Experiment meria veľmi zriedkavý rozpad podivného s antikvarku z druhej rodiny na d antikvark z prvej rodiny. Ide o rozpad K+ mezónu na π+ mezón, neutríno a antineutríno. Štandardný model predpovedá, že K mezón sa takto rozpadne v jednom prípade z desať miliárd. Môžete sa spýtať, prečo fyzici toto meranie neurobili už dávno? Odpoveď je jednoduchá – nemali dosť K mezónov. Aby ste totiž pozorovali sto takýchto zriedkavých rozpadov, potrebujete viac ako tisíc miliárd káčok. A urýchľovací komplex LHC bol prvý prístroj na svete, ktorý ich vedel v takomto množstve vyprodukovať.
Ako sa vyrábajú K mezóny? Trik je v zrážkach. Kvarky sa môžu nielen rozpadať z ťažších na ľahšie, ale i vytvárať vo vzájomných zrážkach. Takto vieme z protónov vyrobiť K mezóny. Urýchľovanie protónov pre LHC prebieha v niekoľkých krokoch. Začína sa to obyčajným vodíkom. Ten sa najprv zbaví elektrónov a protóny sa potom vstreknú do sústavy urýchľovačov. Prvý je malý lineárny urýchľovač dlhý desiatky metrov a posledný je LHC dlhý 27 km. Predposledný v sústave je urýchľovač SPS, z ktorého sa vstreľujú zväzky protónov priamo do LHC. Keď sa LHC naplní, zväzky v ňom krúžia a zrážajú sa až desiatky hodín. Predurýchľovač SPS je vtedy nečinný. Teda bol by nečinný, keby nebolo NA62. Zatiaľ čo LHC produkuje Higgsov, zväzok protónov z SPS sa namiesto do LHC strelí do terčíka neďaleko severnej haly a z produkovaných sekundárnych častíc sa sformuje nový zväzok. Nový zväzok bude obsahovať i K mezóny (6 % K, 24 % protónov a zvyšok piónov) . Tie sa potom rozpadajú rôznym spôsobom a my meriame, aká časť z nich sa rozpadne na pión, neutríno a antineutríno. Toto je hlavé meranie, takzvaný zlatý rozpad. Ale okrem neho môžu fyzici v NA62 nájsť aj nejaký ešte zriedkavejší rozpad, aký štandardný model skoro úplne zakazuje. Nikdy neviete, kedy motyka vystrelí.
.meranie rozpadov
Ako vyzerá zariadenie, v ktorom meriame rozpady K mezónov? V prvom rade musí byť dlhé.
Kaón sa v pokoji rozpadne v priemere za desať miliardtín sekundy, najčastejšie na muón a neutríno. Za tento čas prejde svetlo asi tri metre. Kaóny vyprodukované v zrážkach protónov s berýliovým terčíkom však nestoja, ale letia takmer rýchlosťou svetla. Možno ste už počuli príbeh, že kozmonaut v rakete letiacej veľkou rýchlosťou bude starnúť pomalšie – je to dôsledok teórie relativity. Nuž a s letiacimi kaónmi sa to naozaj stane. Žijú asi stokrát dlhšie ako v pokoji a rozpadnú sa po prejdení tristo metrov. To určuje veľkosť detektora, je naozaj dlhý skoro tristo metrov.
Obtiažnosť merania zriedkavého rozpadu spočíva v zriedkavosti rozpadu. Keď chceme pozorovať sto zlatých rozpadov, potrebujeme prezrieť tisíc miliárd všetkých možných kaónových rozpadov. Samozrejme, naše meranie nie je dokonalé a občas sa môžeme pomýliť a vyhlásiť, že vidíme hľadaný rozpad, i keď tam nebol. Ak urobíme chybu čo i len raz v jednej miliarde prípadov, budeme mať tisíc falošných zlatých rozpadov, spolu so sto dobrými. Vidíme, že musíme byť veľmi, veľmi pozorní.
Riešenie je ako v každej dobrej detektívke – snažíme sa zrekonštruovať identitu a polohu všetkých zúčastnených v danom prípade (teda rozpade) spolu s presnou informáciou o čase každej udalosti, najlepšie z viacerých nezávislých zdrojov. Identita častice je určená jej hmotnosťou. Hmotnosť častice vieme určiť, ak odmeriame aspoň dve z troch veličín, ktorými sú energia, hybnosť a rýchlosť. Máme teda tri druhy detektorov. Prvé merajú hybnosť častice. Druhá skupina meria energiu častíc. Tretia skupina vie merať rýchlosť častice. A všetky merajú čas, kedy časticu videli.
.zákony CERN-u
O tom, ako fungujú jednotivé detektory, bude reč v nasledujúcich dvoch častiach tejto série. teraz si povedzme už len niečo o tom, ako vzniká a funguje takýto experiment z hľadiska právneho a organizačného. CERN je medzinárodná organizácia 21 krajín s ročným rozpočtom okolo miliardy švajčiarskych frankov (1 246 miliónov v roku 2013). Členské krajiny prispievajú podľa veľkosti svojho čistého národného dôchodku. Pre Slovensko to bolo 0,5 % v roku 2013, t. j. asi 5 miliónov CHF.
Cernským zákonodarným orgánom je Rada CERN-u. Každý členský štát v nej má dvoch zástupcov. Jeden reprezentuje vládu a druhý vedeckú komunitu krajiny. Pri hlasovaní má každá krajina jeden hlas a na väčšinu rozhodnutí stačí jednoduchá väčšina hlasov. Rada má k dispozícii poradné orgány – výbor pre vedu a finančný výbor. Rada tiež vymenúva generálneho riaditeľa, ktorý riadi výkonné štruktúry CERN-u. Jedným z výkonných orgánov je Výbor pre výskum (Research board). Ten rozhoduje o vytvorení, pokračovaní a uzatvorení cernských experimentov.
Samotný experiment má podobnú štruktúru. Experiment je prevádzkovaný kolaboráciou. Kolaborácia je skupina univerzít a výskumných ústavov, ktoré navrhli a realizujú daný experiment. NA62 kolaborácia má 32 inštitútov. (Na porovnanie: LHC experimenty majú okolo 1 000 inštitútov.) Dôležité rozhodnutia kolaborácie musí schváliť Riadiaci výbor (Steering commettee), v ktorom má každý inštitút jedného zástupcu. Výkonný riaditeľ kolaborácie sa nazýva spokesperson.
Pri zakladaní kolaborácie alebo pri vstupe do existujúcej kolaborácie podpíše univerzita alebo orgán, ktorému podlieha (napríklad ministerstvo školstva), zmluvu o jej záväzkoch voči kolaborácii. Záväzky môžu byť vo forme finančného príspevku, ale zvyčajne ide o postavenie prístroja (časti experimentu), napísanie softwaru alebo manažment experimentu. Táto zmluva sa nazýva Memorandum of Understanding. Skupina ľudí pracujúca na Univerzite Komenského v Bratislave je členom experimentu NA62. Podieľa sa na vývoji a testovaní elektroniky používanej pri riadení naberania dát (tzv. triger) a je zodpovedná za časť softwaru, ktorý riadi experiment.
Zakončím článok budovateľským zvolaním. Žijeme v dobe, keď storočný vývoj fyzikálneho obrazu sveta vyústil do štandardného modelu fyziky elementárnych častíc. Súčasne vieme, že to nie je koniec príbehu. Štandardný model je neustále konfrontovaný s realitou dát prichádzajúcich zo súčasných experimentov. A stále nič, stále všetko sedí. Príroda zatiaľ nenaznačuje, ako príbeh bude pokračovať. Ale je to vzrušujúci príbeh.
.autor je fyzik, člen kolaborácie NA62.
Prvé štyri figúrky sú u a d kvark, elektrón a jeho neutríno. Túto skupinu nazývame prvá rodina. Dajú sa z nej poskladať atómy, a teda náš každodenný svet. Okrem prvej rodiny častíc existujú ešte ďalšie dve rodiny. Sú úplne rovnaké ako tá prvá, len s oveľa ťažšími príbuznými.
Hlavným obsahom štandardného modelu je, že vysvetľuje, čo drží veci spolu (a od seba). Inými slovami, štandardný model vysvetľuje, ako figúrky-častice na seba navzájom pôsobia, ako interagujú. Elektróny a jadrá sú spojené v atómoch vďaka elektromagnetickej interakcii (to je tá, keď triete ebonitovú tyč líščím chvostom). Kvarky v protónoch viaže silná jadrová sila (to je tá, čo vyrába elektrinu v jadrových elektrárňach). Neutrón sa rozpadá vďaka slabej jadrovej sile (to je tá, vďaka ktorej Slnko svieti). Tieto interakcie súvisia s už spomínanými kľúčovými slovami „kalibračná symetria“. A nakoniec nemôžeme nespomenúť Higgsovu časticu, ktorá je ďalšou dôležitou súčasťou štandardného modelu a v našej hre súvisí s kľúčovými slovami „narušenie kalibračnej symetrie“.
Ešte odbočenie, ktoré sa týka silnej jadrovej sily. Kvarky pozorujeme len vo viazaných stavoch ako protón a neutrón. Oba sú zložené z troch u a d kvarkov (protón uud, neutrón udd). V zrážkach častíc môžu vzniknúť aj mezóny – viazaný stav kvarku a antikvarku. Najľahší je π mezón zložený z u kvarku a d antikvarku. K mezón obsahuje u kvark z prvej rodiny a takzvaný podivný s-antikvark z druhej rodiny.
Štandardný model bol sformulovaný v konečnej podobe v 70. rokoch minulého storočia. Začiatkom tohto storočia boli všetky jeho častice pozorované v laboratóriu. Teda všetky okrem Higgsovej častice. Kvôli nej bol postavený v CERN-e najväčší urýchľovač častíc na svete – LHC. Tento urýchľovač začal pracovať v roku 2008 a v roku 2013 oznámil CERN objavenie Higgsa. Figúrky a pravidlá hry boli presne také, ako ich fyzici navrhli v 70. rokoch.
.za štandardným modelom
Prečo teda nie sme spokojní? Jeden dôvod, prečo nepovažujeme štandardný model za koniec príbehu, je existencia samotných rodín. Prečo existujú tri rodiny? Prečo sú hmotnosti častíc v rôznych rodinách rozdielne ? Ďalším dôvodom je, že štandardný model sa nezmieňuje o interakcii, ktorú všetci dobre poznáme – o gravitácii (ktorá nie je dôležitá pri zrážkach častíc, ktoré vieme vyprodukovať v laboratóriu.)
Existujú teda teórie, ktoré súčasnú teóriu zovšeobecňujú a predpovedajú, že existuje viac figúrok – častíc. Priamy spôsob, ako takéto zovšeobecnenia overiť, je objaviť jej novú časticu. To sa zatiaľ nepodarilo, hoci mnoho fyzikov verí, že sa to udeje práve na LHC. Existuje však i nepriamy spôsob, ako hľadať novú fyziku. Ťažké častice z vyšších rodín sa rozpadajú na častice z nižších rodín, až nakoniec skončia ako členovia najľahšej prvej rodiny. Tieto premeny nie sú ľubovoľné, pravidlá štandardného modelu určujú kto, s kým a ako rýchlo. Hľadanie rozdielu medzi predpoveďou súčasnej teórie a hodnotou pozorovanou v prírode je cesta, ako nepriamo nájsť fyziku za štandardným modelom. A to je hlavným cieľom viacerých experimentov, medzi nimi aj experimentu NA62.
Tento experiment prebieha v CERN-e pri Ženeve. Bol schválený v roku 2009 a prvé dáta nabral koncom minulého roku. Názov experimentu znamená: NA – North Area (severná oblasť) – to je časť CERN-u, kde sa experiment nachádza, a 62 je poradové číslo experimentu (v tejto oblasti už bolo 61 experimentov pred NA62). Experiment meria veľmi zriedkavý rozpad podivného s antikvarku z druhej rodiny na d antikvark z prvej rodiny. Ide o rozpad K+ mezónu na π+ mezón, neutríno a antineutríno. Štandardný model predpovedá, že K mezón sa takto rozpadne v jednom prípade z desať miliárd. Môžete sa spýtať, prečo fyzici toto meranie neurobili už dávno? Odpoveď je jednoduchá – nemali dosť K mezónov. Aby ste totiž pozorovali sto takýchto zriedkavých rozpadov, potrebujete viac ako tisíc miliárd káčok. A urýchľovací komplex LHC bol prvý prístroj na svete, ktorý ich vedel v takomto množstve vyprodukovať.
Ako sa vyrábajú K mezóny? Trik je v zrážkach. Kvarky sa môžu nielen rozpadať z ťažších na ľahšie, ale i vytvárať vo vzájomných zrážkach. Takto vieme z protónov vyrobiť K mezóny. Urýchľovanie protónov pre LHC prebieha v niekoľkých krokoch. Začína sa to obyčajným vodíkom. Ten sa najprv zbaví elektrónov a protóny sa potom vstreknú do sústavy urýchľovačov. Prvý je malý lineárny urýchľovač dlhý desiatky metrov a posledný je LHC dlhý 27 km. Predposledný v sústave je urýchľovač SPS, z ktorého sa vstreľujú zväzky protónov priamo do LHC. Keď sa LHC naplní, zväzky v ňom krúžia a zrážajú sa až desiatky hodín. Predurýchľovač SPS je vtedy nečinný. Teda bol by nečinný, keby nebolo NA62. Zatiaľ čo LHC produkuje Higgsov, zväzok protónov z SPS sa namiesto do LHC strelí do terčíka neďaleko severnej haly a z produkovaných sekundárnych častíc sa sformuje nový zväzok. Nový zväzok bude obsahovať i K mezóny (6 % K, 24 % protónov a zvyšok piónov) . Tie sa potom rozpadajú rôznym spôsobom a my meriame, aká časť z nich sa rozpadne na pión, neutríno a antineutríno. Toto je hlavé meranie, takzvaný zlatý rozpad. Ale okrem neho môžu fyzici v NA62 nájsť aj nejaký ešte zriedkavejší rozpad, aký štandardný model skoro úplne zakazuje. Nikdy neviete, kedy motyka vystrelí.
.meranie rozpadov
Ako vyzerá zariadenie, v ktorom meriame rozpady K mezónov? V prvom rade musí byť dlhé.
Kaón sa v pokoji rozpadne v priemere za desať miliardtín sekundy, najčastejšie na muón a neutríno. Za tento čas prejde svetlo asi tri metre. Kaóny vyprodukované v zrážkach protónov s berýliovým terčíkom však nestoja, ale letia takmer rýchlosťou svetla. Možno ste už počuli príbeh, že kozmonaut v rakete letiacej veľkou rýchlosťou bude starnúť pomalšie – je to dôsledok teórie relativity. Nuž a s letiacimi kaónmi sa to naozaj stane. Žijú asi stokrát dlhšie ako v pokoji a rozpadnú sa po prejdení tristo metrov. To určuje veľkosť detektora, je naozaj dlhý skoro tristo metrov.
Obtiažnosť merania zriedkavého rozpadu spočíva v zriedkavosti rozpadu. Keď chceme pozorovať sto zlatých rozpadov, potrebujeme prezrieť tisíc miliárd všetkých možných kaónových rozpadov. Samozrejme, naše meranie nie je dokonalé a občas sa môžeme pomýliť a vyhlásiť, že vidíme hľadaný rozpad, i keď tam nebol. Ak urobíme chybu čo i len raz v jednej miliarde prípadov, budeme mať tisíc falošných zlatých rozpadov, spolu so sto dobrými. Vidíme, že musíme byť veľmi, veľmi pozorní.
Riešenie je ako v každej dobrej detektívke – snažíme sa zrekonštruovať identitu a polohu všetkých zúčastnených v danom prípade (teda rozpade) spolu s presnou informáciou o čase každej udalosti, najlepšie z viacerých nezávislých zdrojov. Identita častice je určená jej hmotnosťou. Hmotnosť častice vieme určiť, ak odmeriame aspoň dve z troch veličín, ktorými sú energia, hybnosť a rýchlosť. Máme teda tri druhy detektorov. Prvé merajú hybnosť častice. Druhá skupina meria energiu častíc. Tretia skupina vie merať rýchlosť častice. A všetky merajú čas, kedy časticu videli.
.zákony CERN-u
O tom, ako fungujú jednotivé detektory, bude reč v nasledujúcich dvoch častiach tejto série. teraz si povedzme už len niečo o tom, ako vzniká a funguje takýto experiment z hľadiska právneho a organizačného. CERN je medzinárodná organizácia 21 krajín s ročným rozpočtom okolo miliardy švajčiarskych frankov (1 246 miliónov v roku 2013). Členské krajiny prispievajú podľa veľkosti svojho čistého národného dôchodku. Pre Slovensko to bolo 0,5 % v roku 2013, t. j. asi 5 miliónov CHF.
Cernským zákonodarným orgánom je Rada CERN-u. Každý členský štát v nej má dvoch zástupcov. Jeden reprezentuje vládu a druhý vedeckú komunitu krajiny. Pri hlasovaní má každá krajina jeden hlas a na väčšinu rozhodnutí stačí jednoduchá väčšina hlasov. Rada má k dispozícii poradné orgány – výbor pre vedu a finančný výbor. Rada tiež vymenúva generálneho riaditeľa, ktorý riadi výkonné štruktúry CERN-u. Jedným z výkonných orgánov je Výbor pre výskum (Research board). Ten rozhoduje o vytvorení, pokračovaní a uzatvorení cernských experimentov.
Samotný experiment má podobnú štruktúru. Experiment je prevádzkovaný kolaboráciou. Kolaborácia je skupina univerzít a výskumných ústavov, ktoré navrhli a realizujú daný experiment. NA62 kolaborácia má 32 inštitútov. (Na porovnanie: LHC experimenty majú okolo 1 000 inštitútov.) Dôležité rozhodnutia kolaborácie musí schváliť Riadiaci výbor (Steering commettee), v ktorom má každý inštitút jedného zástupcu. Výkonný riaditeľ kolaborácie sa nazýva spokesperson.
Pri zakladaní kolaborácie alebo pri vstupe do existujúcej kolaborácie podpíše univerzita alebo orgán, ktorému podlieha (napríklad ministerstvo školstva), zmluvu o jej záväzkoch voči kolaborácii. Záväzky môžu byť vo forme finančného príspevku, ale zvyčajne ide o postavenie prístroja (časti experimentu), napísanie softwaru alebo manažment experimentu. Táto zmluva sa nazýva Memorandum of Understanding. Skupina ľudí pracujúca na Univerzite Komenského v Bratislave je členom experimentu NA62. Podieľa sa na vývoji a testovaní elektroniky používanej pri riadení naberania dát (tzv. triger) a je zodpovedná za časť softwaru, ktorý riadi experiment.
Zakončím článok budovateľským zvolaním. Žijeme v dobe, keď storočný vývoj fyzikálneho obrazu sveta vyústil do štandardného modelu fyziky elementárnych častíc. Súčasne vieme, že to nie je koniec príbehu. Štandardný model je neustále konfrontovaný s realitou dát prichádzajúcich zo súčasných experimentov. A stále nič, stále všetko sedí. Príroda zatiaľ nenaznačuje, ako príbeh bude pokračovať. Ale je to vzrušujúci príbeh.
.autor je fyzik, člen kolaborácie NA62.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.