Higgsův boson v roce 2014, pentakvark v roce 2015, tetrakvark v roce 2016 – elementární částice začaly být objevovány téměř častěji než stanice metra. Co vysvětluje tuto hojnost a bude trend k „hackování“ vesmíru pokračovat? Dmitrij Denisov, vedoucí experimentu D0 spolupráce DZero na urychlovači Tevatron, kde byl tetrakvark objeven, vypráví příběh.
Ve standardním modelu, základní teorii, která vysvětluje strukturu vesmíru, existují tři typy částic: kvarky, leptony a kalibrační bosony. Ty jsou takzvané nosné částice čtyř typů základních fyzikálních interakcí (například foton je zodpovědný za elektromagnetické síly) a zbytek tvoří známou, hmatatelnou hmotu. Leptony (typ částic, které zahrnují elektrony nebo neutrina) mají relativně malé hmotnosti a mohou existovat ve volné formě, zatímco kvarky jsou k sobě navždy vázány silnými interakčními řetězci.
Nyní se má za to, že mohou existovat pouze v párech – pak kvarky tvoří částice zvané mezony, nebo triplety – takové částice se nazývají baryony (například proton a neutron jsou jen hadrony, každý z nich je tvořen třemi kvarky) . Ale poté, co byly na srážedlech objeveny částice tvořené čtyřmi a pěti kvarky, klasické znázornění Standardního modelu se již nezdá úplné.
— Jak a kdy byly objeveny samotné kvarky?
— V polovině 60. let minulého století bylo již známo mnoho elementárních částic, které však vůbec nechápaly, jak jsou strukturovány. V urychlovačích a v kosmickém záření byly protony, byly neutrony, pí-mezony, mezony K a v roce 1964 navrhla americká fyzička Marie Gell-Mann jednoduchou teorii, ve které by se všechny tyto elementární částice mohly skládat jen tři různé kvarky. Postupně se jejich počet zvýšil na šest, skutečně byly nalezeny „nehomogenity“ uvnitř stejných protonů, které byly identifikovány s kvarky, ale nikdo je ještě neviděl ve volném stavu. Tomu se říká uvěznění: podle moderních představ je vyřazení jediného kvarku z mezonu nebo hadronu prostě nemožné.
— Proč nelze kvarky oddělit?
— Kvarky jsou spolu spojeny silnou interakcí, a když se je snažíme odtrhnout, začnou se přitahovat stále více. Je těžké si to představit, ale je to vlastnost přírody. Když oddělíme dva elektrické náboje, interagují stále méně a méně, když raketa míří do vesmíru, je přitahována k Zemi stále méně – to jsou vlastnosti gravitačních a elektromagnetických interakcí, ale u silného je to naopak . Abychom kvarky oddělili, musíme do systému investovat tolik energie, že už to stačí na to, aby se objevily nové kvarky, které se v mžiku opět seskupí do párů a trojic s původními kvarky. Proto byla ve fyzice elementárních částic zavedena speciální veličina zvaná barevný náboj. Samotné kvarky mohou být červené, modré, zelené nebo antičervené, antimodré a antizelené a v přírodě je lze pozorovat pouze v bezbarvých kombinacích: párech, trojicích nebo dokonce čtveřicích, jako v případě naší nové částice. Například proton se skládá ze dvou up kvarků – jednoho modrého a jednoho červeného – a jednoho zeleného down kvarku. Výsledkem je bezbarvá kombinace tří barev.
— Ukazuje se, že kvarky se mohou objevit doslova odnikud? Jen se narodit ze sraženin energie?
— Да. Каждая элементарная частица — это в некотором смысле просто масса или, что то же самое, энергия. При этом многие из них по меркам макроскопического мира живут очень мало, исчезающие доли секунды. После этого они распадаются, и из этой же самой энергии образуются другие частицы. Например, пи-мезон распадается на мюон и нейтрино, нейтрон в свободном состоянии — на протон, электрон и нейтрино, а бозон Хиггса умеет распадаться даже разными способами: он может развалиться на пару прелестных кварков, на пару фотонов, на пару Z-бозонов и т.д. Так что элементарные частицы постоянно распадаются, превращаясь в небольшое количество стабильных, долгоживущих частиц, таких как электрон, фотон, нейтрино и протон.
— Jak byl objeven nový tetrakvark?
„Stalo se to na urychlovači Tevatron, který se nachází v USA poblíž Chicaga. Pravda, samotný urychlovač dokončil provoz už v roce 2011, ale experimentální data z něj stále nejsou úplně zpracována a právě v nich spatřili stopy po zrození tetrakvarku. Při experimentech na Tevatronu byly protony a antiprotony urychlovány na kolosální rychlost, narážely do sebe a sledovaly, co se bude dít. Po srážce se vždy zrodí stovky částic, které se rozptýlí všemi směry a poté se začnou rozpadat. Výsledkem je, že proudy částic s různou energií dorazí k detektorům umístěným na různých místech urychlovače a právě v těchto datech vědci hledají historii událostí. Můžete například zavést různá kinetická omezení: „dávejte pozor“ na částice létající pouze v určitém směru nebo s určitou hmotností. Zde je velmi důležité pochopit, co hledáte, protože není možné jednoduše projít všechny možnosti. Proto se my, experimentátoři, držíme nějakých vodítek od teoretiků či jiných experimentátorů a hledáme na jejich základě. V případě tetrakvarku jsme v konečném hmotnostním spektru částic viděli charakteristický pík odpovídající rozpadu jedné výchozí částice na pět nabitých částic o celkové energii přibližně 5,5 GeV. Toto je náš tetrakvark, který se v několika fázích rozpadá na pět nabitých částic: dva miony, dva K-mezony a jeden pi-mezon.
— Jak jste si jistý, že jde skutečně o tetrakvark a ne o hluk?
„Zpočátku jsme o výsledcích také pochybovali a mysleli jsme si, že to není signál, ale pozadí, ale po šesti měsících výzkumu jsme si výsledkem natolik jistí, že jsme se rozhodli jej zveřejnit. Například víme, že v první fázi se naše částice změnila na mezon pí a mezon B. V tomto případě došlo k rozpadu tak rychle, že za něj může pouze silná interakce a nemění typy kvarků. Proto jsme si jisti, že původní částice sestávala z přesně stejných čtyř kvarků jako dva mezony, které se z ní vytvořily. Analyzovali jsme asi 10 miliard událostí a našli jsme 130 případů, kdy vznikl tetrakvark. Šance, že události na pozadí budou napodobovat vrchol, který jsme viděli, je pouze jedna ku šesti milionům. Tak malá pravděpodobnost je ve vědecké komunitě považována za dostatečnou k podání „žádosti“ o objev nové částice.
— Nebo se možná ukáže, že se nejedná o tetrakvark, ale například o jakýsi atom složený ze dvou blízko sebe ležících mezonů?
— Tady nám trochu pomáhají teoretici. Dokážou vypočítat vazebnou energii v takovém atomu a ukazuje se, že je relativně malá – na úrovni 5-10 MeV. To znamená, že takový hypotetický objekt lze snadno rozdělit na dva mezony a v našem případě je vazebná energie asi 100 MeV – jedná se o tuhý, silně vázaný objekt. Takové stabilní molekuly s největší pravděpodobností neexistují. S největší pravděpodobností se tedy jedná o přesně čtyři kvarky pevně spojené do jedné částice.
— Tetrakvarky a pentakvarky již byly objeveny u jiných urychlovačů. Je jim nová částice podobná?
— Ano, pentakvark byl nalezen ve Velkém hadronovém urychlovači (LHC), tetrakvark Z(4430) byl nalezen na urychlovači KEKB v Japonsku a podobné částice byly nalezeny i v jiných experimentech. Mimochodem, zpočátku jsme také hledali stejný pentakvark, který jsme našli na LHC, ale neměli jsme dostatek statistik a začali jsme hledat částice s trochu jinými energiemi – použili jsme experimentální intuici. Z(4430) je o něco lehčí než náš a skládá se z dalších kvarků: charmed kvark, charmed antikvark, up a down kvark. Všechno jsou to kvarky první a druhé generace, tedy relativně lehké a běžné. A v naší částici je místo kvarku charmed a antikvark podivný kvark z druhé generace a kvark těžký kvark ze třetí.
— Překvapila tato sestava?
Víte, právě teď neexistuje vůbec žádný dobrý model, který by vysvětloval, jak se tvoří nebo rozpadají částice více než tří kvarků. Každý nový objev proto překvapí a nese spoustu užitečných informací.
Experimentátoři hledají co nejvíce nových částic s novou strukturou a teoretici přemýšlejí o modelu, který by dokázal takovou multikvarkovou konfiguraci vysvětlit. Nyní jsme ukázali, že jedna částice může být tvořena kvarky tří generací a čtyř různých typů najednou – to se ještě nikdy nestalo.
— Dříve se domnívali, že jsou možné pouze dvoukvarkové a tříkvarkové částice. Nyní byly objeveny tetrakvarky a pentakvarky. Co dál: měli bychom očekávat částice o šesti nebo řekněme 10 kvarcích?
— Teoreticky neexistují žádná omezení pro částice obsahující více než tři kvarky. Ale intuice naznačuje, že pokud existuje částice, řekněme, šesti kvarků, pak je její hmotnost tak velká a její životnost tak krátká, že je téměř nemožné ji zaregistrovat. Je to jako s chemickými prvky v periodické tabulce. Můžete hromadit stále více protonů a neutronů, ale v určitém okamžiku se jejich celková hmotnost stane tak velkou, že se jádro stane nestabilním. Takové prvky se velmi rychle rozkládají. V Dubně samozřejmě neustále vznikají nová jádra, ale to je čím dál těžší. Mám podezření, že něco podobného se může stát s kvarky, ale jejich kritický počet je mnohem menší.
— Proč se nyní objevuje tolik nových částic?
— Počet experimentů na urychlovačích a jejich schopnosti značně vzrostly. Za posledních 10-12 let tedy bylo objeveno již několik desítek nových částic a nevylučuji, že v budoucnu jich bude ještě více. LHC je v provozu, KEKB v Japonsku bude brzy znovu otevřen – nyní bude intenzita toků pozitronů a elektronů, které se tam srážejí, 40krát vyšší. Mimochodem, v 60. letech minulého století bylo podle mých odhadů nalezeno několik desítek částic, které se před příchodem kvarkového modelu neúspěšně snažily klasifikovat. Takže kvantitativní měření experimentálních fyziků se v určitém okamžiku musí vyvinout v kvalitativní porozumění, novou teorii. Když jsme poprvé poslali náš článek do časopisu a zveřejnili jeho předtisk, během několika příštích dnů se objevilo šest teoretických článků o našich výsledcích. Stále ale není jasné, kdy bude vytvořen jednotný model pro nové multikvarkové částice. To může trvat několik let nebo několik desetiletí.
— Zapadne nová teorie do standardního modelu?
— Скорее всего, это будет расширение Стандартной модели, какая-то новая классификация частиц в ее рамках. Все-таки мы говорим, что тетракварки и пентакварки состоят из тех же самых кварков и скрепляются тем же самым сильным взаимодействием — надо только понять, как это происходит. Правда, может быть, я несколько утрирую: мы же с вами в конечном счете тоже состоим из протонов, нейтронов и электронов, но вряд ли когда-нибудь сможем до конца понять, как из элементарных частиц складывается человек. Так и с новой классификацией: возможно, здесь нужно принципиально новое понимание сил, действующих между кварками.
“Mohlo by se ukázat, že kvarky samotné sestávají z jiných, ještě menších částic?”
— To se testuje na každém novém urychlovači: fyzikové se nejprve snaží „rozbít“ kvark a podívat se do něj. Ale zatím nic takového vidět nebylo. Kvark zůstává ve všech experimentech absolutně bodovou částicí. Osobně jsem si ale jistý, že tam pravděpodobně je něco hlubšího a zásadnějšího.
— Na jaké experimentální objevy v oblasti fyziky elementárních částic se nejvíce těšíte?
“Opravdu bych rád viděl částici, která je zodpovědná za temnou hmotu.” Jedná se o velmi zajímavou záhadu, ve které dochází ke kontaktu astrofyziky a částicové fyziky. Pozorování nepřímo naznačují, že takovou částici můžeme najít v urychlovačích nebo v kosmickém záření. Mimochodem, nyní v CERNu hodnotím návrhy budoucích experimentů na LHC a vidím, že všechny nejnovější výsledky částicové fyziky jsou ve výborné shodě se Standardním modelem. Zásadně novou fyziku je tedy třeba hledat právě v temné hmotě – stále je těžké si představit, že ji lze popsat v rámci Standardního modelu.
Michail Petrov
Standardní model
Když vezmeme obyčejný předmět,
například lžíci, a začněte ji dělit
na polovinu a pak každý další
část napůl, bude to pokračovat?
dělení ad infinitum nebo konečně
nakonec se dostaneme k tomu základnímu
blok, který již nelze rozdělit?
V tuto chvíli již fyzici objevili
tytéž nedělitelné bloky – samé
malé objekty ve vesmíru. A všechny tyto
частицы собраны в одну конструкцию под
nazvaný Standardní model.
Standardní model nyní zahrnuje vše
známé základní částice a
také popisuje jejich interakce mezi
vy sám.
Pokud rozdělíme lžíci podle zásady
hnízdící panenky, pak dříve nebo později my
zjistíme, že se tato lžíce skládá z
molekuly, které jsou
atomy navzájem vázané.
3.
Elektromagnetismus
I když atom je přeložen z řečtiny
jako nedělitelný, ve skutečnosti on
sestává z atomového jádra a okolí
jeho elektrony. Věnovat pozornost
Standardní model lze nalézt
že elektron je jedním z
jejichž základní bloky
vše ve Vesmíru je postaveno. Elektron
je první nalezená částice
Standardní model.
Elektrony zůstávají blízko atomu
jádro díky elektromagnetismu. Ony
zůstaňte blízko sebe
díky výměně vektorů
elektromagnetická interakce –
fotonu, což je kvantum
Sveta. Na
tento elektromagnetismus je jeden
od základního
interakce Standardního modelu.
4.
Silný
interakce
Atomové jádro složené z protonů a neutronů,
které se zase skládají z
kvarky – fundamentální částice
standardní model. Kvarky a atomy
jádro jako celek drží pohromadě
nazývá se silná interakce,
další zásadní
interakce Standardního modelu.
Fotony jsou nosiče
elektromagnetická interakce,
gluony jsou také přenašeči
silná interakce.
Vše, co nás obklopuje v každodenním životě
život se skládá z horního a dolního
kvarky a elektrony. Experimenty na
urychlovače částic to ukazují
existují dvě kopie horní a
spodní kvark. To samé s
elektron. Stále zůstává
záhada, proč to příroda potřebovala
tyto kopie, protože se liší od
jejich mladší bratři jen více
Hmotnost.
Kvarky
5.
Slabý
interakce
Tyto těžší kopie se tvoří na
pouze na krátkou dobu
vysokoenergetické experimenty, po
proč se téměř okamžitě promění v
známé up a down kvarky a
elektrony. A taková proměna některých
částice do jiných je možné díky slabé
interakce – poslední
základní interakce
Standardní model. Nositelé takových
interakce jsou W- a Z-bosony,
které na rozdíl od gluonů a fotonů
mít hmotnost. Také slabá interakce
umožňuje protony a neutrony
proměnit jeden v druhého, což je
nejdůležitějším aspektem práce Slunce.
Kromě všeho produkuje Slunce
základní částice standardu
modely zvané neutrina. Neutrino
interagovat pouze s jinými částicemi
prostřednictvím slabé interakce.
Triliony neutrin produkovaných Sluncem
každá vteřina prostupuje naše tělo a naše
planeta. Navíc, když létají, oni
neustále se navzájem proměňovat:
na elektronová, mionová a tau neutrina.
Neutrino
6.
Antičástice
vše
Standardní částice
modely mají také své vlastní
antičástice. Jediná věc
jak se částice liší od
antičástice, to je znamení
nabít.
Částice
a antičástice
se tvoří v
vysoká energie
srážky ve srážkách.
Když se částice setká se svým
antičástice, pak oni
vzájemně zničit.
Urychlovač
7.
Higgsův boson
Poslední částice
Standardní model
je Higgsův boson.
Interakce částic s
hmotnost s Higgsovým bosonem
dává tyto částice
inertní hmota, tzn
nedává masivní
částice zrychlují na
rychlost světla.
8.
Standardní model –
to je teorie všeho?
standard
модель
popisuje značnou část
Vesmír však zůstává
nějaké otázky pro
mimo Standard
modely. Například
Standardní model není
popisuje gravitaci
temná hmota, temná
energie a tak dále.
standard
vynikající model
popisuje každodenní svět
kolem nás, ale za ní
celek zůstává venku
Vesmír záhad.
9.
Nejmenší
planeta ve vesmíru
Představte si takovou planetu
menší než Merkur a jen nepatrně
větší než náš Měsíc. Tohle je Kepler-37b
– nejmenší exoplaneta
které jsme měli štěstí najít
vědci. Má pevný stav
typu a je blíže jeho
звезде чем Меркурий.
V souladu s tím teplota při
Povrch Keplera-37b je také
velký pro kapalnou vodu a
formování života.
10.
Nejmenší
hvězda ve vesmíru
Tento kuriózní objekt se nachází na jihu
souhvězdí Carina, tedy v sev
hemisféra se neobjevuje. Ve skutečnosti je
duální systém, ve kterém hlavní
součástka je označena OGLE-TR-122a a
je obyčejná hvězda, podobná
na slunci. Jeho hmotnost a velikost jsou téměř
přesnost rovná sluneční, a patří k
chodí také na žluté trpaslíky.
Ale druhá součást tohoto systému je
zvaná nejmenší hvězda
OGLE-TR-122b. Jeho hmotnost je pouze 0.09
solární, a to je téměř limit pro zapálení
звезды. Теоретически требуется 0.07-0.08 от
hmotnosti Slunce pro zahájení termonukleární fúze
reakce a tato hvězda se blíží této hranici.
Kdyby byl trochu lehčí, bylo by to jednoduché
velká planeta. Ale ačkoli je tak lehká,
stále 100krát těžší než Jupiter, takže
že se stane hvězdou, mu nehrozí.
Srovnávací velikosti nejmenších
hvězdy OGLE-TR-122b se Sluncem a Jupiterem.
11.
Nejmenší
asteroid ve vesmíru
Američtí vědci uspěli
popsat asteroid 2015 TC25
o průměru jen 2 m. Ukázalo se, že je
také nejskvělejší ze všech
známé blízkozemní asteroidy,
odráží více než 60 procent
paprsky dopadající na něj. První
vidět na snímcích ze 4,3metrového dalekohledu observatoře
Lowell v roce 2015 asteroid 2015
TC25 pak prošel na dálku
128 tisíc km od Země, téměř třikrát
blíže k oběžné dráze Měsíce. Následně
pozorovali ho další tři
pozemní nástroje.
12.
Nejmenší
souhvězdí
Nejmenší souhvězdí je Jižní kříž,
zabírající plochu oblohy pouze 68,45
čtvercový stupeň, což je ekvivalent
0,166 % celé oblohy. První
nacházíme odkazy na toto souhvězdí
mezi evropskými navigátory XVI
století, které navštívily jih
polokoule. Navzdory malému
velikost, Jižní kříž – velmi nápadné
souhvězdí, které se stalo symbolem jihu
hemisféry. Obsahuje dvacet hvězd
jasnější než magnituda 5,5. Tři z
čtyři hvězdy tvořící jeho kříž, hvězdy 1. magnitudy. V souhvězdí Jih
Kříž je rozptýlená hvězda
cluster (Kappa Southern Cross, popř
shluk “Šperkovnice”)
kterému mnozí pozorovatelé věří
jeden z nejkrásnějších na obloze.
Další nejmenší velikost
souhvězdí (přesněji okupační
mezi všemi souhvězdími 87. místo) – Malá
Kůň. Rozkládá se na 71,64 čtverečních
stupně, tzn. 0,174 % oblohy.
13.
Nejmenší
sluneční družice
systémy
Шириной всего в милю, Дактил –
nejmenší družice Slunce
systémy. Obrázek ukazuje
asteroid Ida a Dactyl je spravedlivý
jen malá tečka vpravo.
Dactyl je stále úžasný objekt,
protože se to netočí
planet a kolem asteroidu. Dříve
astronomové věřili, že asteroidy
příliš malý na to mít
satelity. Ale ne.
14.
Nejmenší
zvěrokruh
souhvězdí
Většina
malý
souhvězdí zvěrokruhu –
Kozoroh, který zabírá 1%
noční obloha. I když tohle je nejvíc
malý zvěrokruh
souhvězdí, stále tam je
více než mnoho jiných
souhvězdí, Kozoroh je
40. největší souhvězdí
z 88 souhvězdí.
15.
Nejmenší
vesmír galaxie
Sto tisíc světelných let daleko
ze země. Nejvíc
malá galaxie ve vesmíru.
Bylo možné takovou Galaxii objevit
pro vědce velmi obtížné, protože to
svítivost pouze devětsetkrát
přesahuje svítivost Slunce. Na
měl bys pochopit, jak málo to je
vzít v úvahu, že svítivost Milky
Způsoby desítky miliardkrát
přesahuje svítivost Slunce.
Segue 2 – tak se jmenoval tento
trpasličí galaxie podle zprávy
astronomové postupují směrem
Slunce rychlostí 40 km/s. Hmotnost
galaxie je pět set
padesát tisíc slunečních hmotností.
16.
Nejmenší
černá díra dovnitř
Vesmír
Podle výsledků studie
publikováno v časopise Science,
Vědci možná objevili nejvíce
vůbec nejmenší černá díra
OTEVŘENO. Stalo se to možným
díky nové technice, která
kombinuje několik sad
data. Vědci tomu věří
černá díra přibližně 3,3krát
hmotnější než Slunce a nachází se v
dvojitý systém J05215658, který
nachází ve vzdálenosti asi 10
000 světelných let od vnějšího okraje
disk Mléčné dráhy. I když pro
potvrzení nízké černé hmoty
дыры требуются дополнительные
výzkum, existuje možnost
že tento objekt je součástí
tajemná třída maličkých
černé díry. Tyto objekty nebyly
objevil v minulosti, protože nikdo
Nechápal jsem přesně, jak je hledat.
17. Testové otázky
KONTROLNÍ OTÁZKY
1. Jak se jmenuje model, ve kterém jsou sbírány všechny částice?
2. Proč se elektrony zdržují v blízkosti atomového jádra?
3. Protony a neutrony se skládají z.
4. Jaké částice jsou nositelem elektromagnetické interakce?
5. Jaká interakce umožňuje, aby se protony a neutrony vzájemně přeměnily?
6. Jak se jmenují základní částice, které Slunce produkuje?
7. Všechny částice standardního modelu mají také své.
8. Je teplota na nejmenší planetě příliš nízká nebo příliš vysoká?
9. Ve kterém souhvězdí se nachází nejmenší hvězda?
10. Jaký je průměr nejmenší planetky?
11. Jaké procento noční oblohy zabírá nejmenší zvěrokruh
souhvězdí?
12. Jakou rychlostí se pohybuje nejmenší galaxie vzhledem ke Slunci?
