Z čeho je utkán vesmír (2): Co víme o tajuplném světě mikročástic?
Kvarky, gluony, fotony… představují jen zlomek známého stavebního materiálu, který tvoří tajuplný vesmír mikrosvěta a pomáhá nám chápat základní vztahy a interakce mezi částicemi, z nichž jsme „vznikli“ i my sami
Nejcitelnější a relativně nejsnáz popsatelnou interakci v kosmu reprezentuje gravitace. Působí s ní každé těleso o nenulové hmotnosti, a to na opravdu velké vzdálenosti ve vesmírných měřítkách. Gravitaci v 17. století popsal proslulý britský fyzik Isaac Newton.
Předchozí část: Z čeho je utkán vesmír (1): Co všechno víme o tajuplném světě mikročástic?
Druhou „citelnou“ silou je ta elektromagnetická, za níž stojí interakce mezi nabitými částicemi. V současnosti ji celkem hojně využíváme v každodenním životě, a to v elektrospotřebičích, a za její popis už od 19. století vděčíme skotskému fyzikovi Jamesi C. Maxwellovi.
Zatímco uvedené dvě síly působí v makroskopickém měřítku, zbývající dvě – slabá a silná interakce – se projevují právě mezi částicemi. Druhou zmíněnou rozumíme sílu, jež drží částice hmoty u sebe navzdory jejich stejnému náboji, který je nutí se odpuzovat (například protony v jádře atomu). Slabá interakce pak zodpovídá třeba za beta rozpad. Existence obou druhů interakcí přitom nedá vědcům spát, a zároveň jim pomáhá objevovat nové stavební prvky tajemného mikrosvěta. Stejně tak je vede k myšlence o páté síle, která však zatím zůstává pouze v hypotetické rovině.
Částice, kam se podíváš
Právě hledání podstaty slabé a silné interakce posunulo fyziky do mnohem bohatší „říše“ částic, než jakou znali vědci v době uznání Bohrova modelu atomu. Už v letech 1933–1934 Japonec Hideki Jukawa úspěšně popsal jadernou interakci mezi protony a neutrony v jádře atomu jako výměnu tehdy neznámých částic, jež dostaly název piony. Na jejich objev si však musel svět počkat ještě téměř patnáct let. Potvrdit se je podařilo z detekce v kosmickém záření a v roce 1948 také umělým vytvořením v laboratoři v Berkeley. Pion je přitom nositelem silné interakce.
Základní rozdělení elementárních částic podle standardního modelu s uvedením data jejich objevu. Chybí zprostředkovatel čtvrté základní síly, gravitace – mohlo by se jednat o dosud pouze hypotetický graviton.
V roce 1936 pak americký fyzik Carl D. Anderson odhalil v kosmickém záření lehkou částici mion, která vzniká rozpadem pionu v atmosféře a je velice nestabilní. Později se ukázalo, že díky svému zápornému náboji může také zastupovat elektron v atomu a vytváří zvláštní verze nám známých atomů – tzv. mionové. Hovoříme-li o klidové hmotnosti, je mion zhruba dvěstěkrát těžší než elektron, interaguje elektromagneticky (pro svůj náboj), ale rovněž se projevuje slabou interakcí v atomu. Samovolně dlouho nevydrží, rychle se rozpadá na elektron a dvě lehké, velmi malé částice – neutrino a antineutrino.
Ve škatulkách
Fyzikové se tak ocitli na prahu další éry, jež jim nabídla nejen nové částice, ale rovněž potřebu je kategorizovat podle chování, podstaty či složení. Na úvod zavedli pojem „hadron“, kterým označovali veškeré těžké částice reagující silnou jadernou interakcí. Mělo jít o svrchovanou kategorii všech elementárních částic, v níž se pak už jen podle jemných rozdílů v podobě tzv. spinu dělily na baryony jako například proton či neutron a mezony, tedy třeba pion.
Druhou svrchovanou kategorií se měly stát leptony, které se od hadronů liší tím, že na ně silná jaderná interakce nepůsobí – a sem patřil elektron nebo mion. Leptony, z řeckého výrazu s významem „lehké“, se poté rozdělily na ty s nábojem a bez něj. Vyřešeno? Nikoliv. Kartami totiž zamíchaly kvarky…
Jak voní podivnost
V roce 1964 přišli američtí fyzikové Murray Gell-Mann a George Zweig s teorií, která prvnímu zmíněnému o pět let později vynesla i Nobelovu cenu. Při výzkumu dalších nově objevených částic, kaonů a hyperonů, totiž narazil na podivnou věc: Navzdory očekávání se nerozpadaly pod vlivem silné interakce rychle, ale jen pozvolna. A protože částicoví fyzikové mívají ve zvyku nazývat neznámé věci poeticky, pojmenoval Gell-Mann danou vlastnost „podivnost“.
Její příčina ovšem představovala druhou otázku, a s ní přišel velký zlom. Ukázalo se, že nositelem podivnosti jsou kvarky, přičemž reprezentují jednu z možných „vůní“. Původně se považovaly za teoretické médium, či spíš matematickou pomůcku pro pochopení interakce mezi subatomárními částicemi. Později se však staly dalším typem reálných částic, přičemž podle zmíněných vůní rozeznávají fyzikové kvark dolní (d = down), horní (u = up), podivný (s = strange), půvabný (c = charm), krásný (b = beauty) a pravdivý (t = truth). Liší se především nábojem a jejich uskupení pak dává náboj částici, která z nich sestává. Například proton tvoří tři kvarky, konkrétně dva horní a jeden dolní, což mu poskytuje kladný náboj.
Gluonové lepidlo
Kvarky přinesly celé fyzice mikrosvěta zcela nový vhled do chápání struktury částic. Původní kategorizace se tudíž musela znovu přepracovat a z protonů a neutronů se v ní staly nukleony. Také na otázku, co vlastně drží kvarky pohromadě, už znají fyzikové odpověď: gluony. O jejich existenci se spekulovalo od roku 1962, ale potvrzení přišlo až o sedmnáct let později při experimentu v hamburské laboratoři DESY alias Deutsches Elektronen-Synchrotron. Zmíněné částice zprostředkují silnou interakci mezi kvarky a jejich pojmenování vychází z anglického „glue“ neboli „lepidlo“.
Díky gluonům mohly již v samotném počátku vesmíru vzniknout jádra atomů a později po fázi existence tzv. kvark-gluonového plazmatu, asi třicet mikrosekund po Velkém třesku, také atomy lehkých prvků. Ale to už je úplně jiná kapitola...
Skrytá energie v mionech?
Převažující skrytá energie tvoří asi největší záhadu. Vzrušující je však relativně nedávný výsledek experimentu z chicagské laboratoře Fermilab, který ukazuje miony v novém světle: Během pohybu patnáctimetrovým elektromagnetickým prstencem se u nich totiž projevily odchylky od chování přisuzovaného standardním modelem. A Mark Lancaster z University of Manchester s kolegy se domnívá, že by za nezvyklými projevy mionů mohla stát dosud nepopsaná pátá vesmírná interakce. V takovém případě bychom stanuli na prahu pochopení tajemné skryté energie, jež ovlivňuje rychlost rozpínání kosmu.
Experimentů v částicové fyzice se již uskutečnil bezpočet – ať při fotografických emulzích, na bázi ionizace v plynu, nebo se současnou polovodičovou technologií. Mezi nejdůmyslnější a nejproduktivnější však bezpochyby patří Wilsonova mlžná komora z roku 1911, díky níž mohli vědci poprvé na vlastní oči spatřit dráhy nabitých částic. Skot Charles T. R. Wilson za ni o šestnáct let později získal Nobelovu cenu za fyziku.
TIP: Tajemství Velkého třesku: Co se stalo během první sekundy?
Komoru tvoří vrstva nasycených podchlazených par, přičemž se obvykle používal alkohol, nejčastěji etanol. Když danou vrstvou proletí nabitá částice, lze její stopy zviditelnit. A právě takto se roku 1937 podařilo experimentálně potvrdit mion. Mlžná komora se dočkala různých modifikací – v roce 1952 ji nahradila komora bublinková a o šestnáct let později drátěná – ale pro svůj půvab a viditelnou interakci částic se využívá dodnes, zejména jako demonstrace ve vědecko-vzdělávacích centrech.
Dokončení: Z čeho je utkán vesmír (3): Co víme o tajuplném světě mikročástic?
