Z čeho je utkán vesmír (3): Co víme o tajuplném světě mikročástic?

Po objevu kvarků už nestačilo původní dělení na hadrony a leptony, tedy podle toho, zda se částice projevují silnou interakcí. Víme totiž, že třeba protony a neutrony lze dále rozložit. V současnosti se proto částicová fyzika řídí tzv. standardním modelem, jenž popisuje elementární částice a jejich interakce.

Částice se v něm dělí velice jednoduše na fermiony tvořící hmotu a bosony, které zprostředkují interakce. Standardní model obsahoval i hypotetické částice, pouze čekající na svůj objev. Potvrzení poslední z nich, Higgsova bosonu, znamenalo dosud největší triumf v dané oblasti (viz Božský boson). Lov částic a jejich kategorizace ovšem pokračují a lze je doslova online sledovat na webové stránce mezinárodního sdružení Particle Data Group.

Vzhůru na lov

Navzdory četným úspěchům za poslední století se k „částicovému lovu“ musí přistupovat především teoreticky a je to celkem logické: Částice se řídí určitými pravidly, která vědci teprve postupně odkrývají a na jejichž základě předpovídají, že by se jimi mohla řídit ta či ona částice. Pokud pak teorie nabízí řešení v podobě nové částice, hledá se experiment, který by ji mohl odhalit. 

„Odhalit“ je ovšem příliš silný výraz, neboť přímé objevení dané částice není s rozlišovacími schopnostmi našich technologií v mnoha případech možné. Fyzici tedy nehledají přímo uvedenou částici, nýbrž jev – například uvolněnou energii při konkrétní interakci – který by její existenci vysvětloval. 

Teleskopy i sudy s vodou

Nejvděčnější zdroj různých druhů částic představuje zemská atmosféra, jež při interakci s vysokoenergetickým zářením z kosmu pomáhá odhalovat subatomární částice vznikající rozpadem. K zařízením, která toho využívají, patří i mezinárodní observatoř nesoucí jméno Pierra Augera. Leží u argentinského Malargüe v nadmořské výšce okolo 1 400 m a na její výstavbě i činnosti se aktivně podílejí také čeští vědci. Detekuje přitom nejrůznější vysokoenergetické subatomární částice jako elektrony, fotony či miony, vznikající rozpadem částic kosmického záření, tedy protonů, částic alfa – heliových jader atd. 

Na ploše 3 000 km² zahrnuje observatoř 24 dalekohledů zaznamenávajících tzv. fluorescenci, tedy záření částic vzduchu při jejich přechodu do základního stavu, a dále 1 660 nádrží obsahujících vždy 12 tun vody. Ta slouží jako médium a umožňuje zpomalit elektromagnetické záření za částicí letící rychleji, než by se mělo v daném prostředí šířit světlo, čímž nám dovoluje zpozorovat tzv. Čerenkovovo záření. Nádrže obsahují rovněž detektory, které jej zaznamenávají. Jeho směr i vrcholový úhel pak vědcům poskytují informaci o rychlosti a energii nabité částice, tedy také o tom, o kterou z nich se nejspíš jednalo. 

Částice jako projektil

Největší a nejznámější nástroje pro studium i detekci částic ovšem představují urychlovače, kterých po celém světě funguje pro vědecké účely několik stovek. Základní filozofie spočívá v tom, že jedna lehká urychlená částice poslouží coby projektil k ostřelování například těžších složených částic (nukleonů), z nichž lze při srážce detekovat jejich „stavební kameny“. 

Z technologického hlediska vyvstaly dva zásadní problémy: První otázka zněla, jak překonat energii nutnou k rozbití jaderné vazby uvnitř ostřelované částice – jako „projektil“ proto slouží částice s větší energií. Druhý otazník představovala velikost samotné částice, a tudíž pravděpodobnost, že ke srážce vůbec dojde. Vědci tedy přistoupili k řízenému urychlování elektronů a protonů v silném elektrickém poli a na velké vzdálenosti, přičemž jejich dráhy zakřivuje magnetické pole. 

Nejznámější urychlovač částic, Large Hadron Collider (LHC) v komplexu Evropské organizace pro jaderný výzkum CERN, má proto podzemní kruhový tunel o délce 27 km! A jeho součást tvoří i proslulý částicový detektor ATLAS, který 4. července 2012 pomohl ukončit 48 let hledání „božské částice“ – bosonu předpovězeného roku 1964 britským fyzikem Peterem Higgsem. 

Božský boson

Higgs „svým“ bosonem už ve zmíněném roce vysvětloval původ hmotnosti některých částic ve standardním modelu. Předpokládá se, že právě interakcí s „božskou částicí“ získávají elementární částice hmotnost, a seskupují se tak s jinými. Jinak by netvořily atomy, a tedy ani další stavební prvky hmoty kolem nás. Po potvrzení svého předpokladu získal britský fyzik v roce 2013 Nobelovu cenu.

TIP: Evropský CERN: Jak se vaří v kuchyni bohů

„Ulovení“ Higgsova bosonu uzavřelo jednu více než stoletou éru: Představila nám tajemný mikrosvět v úplně novém světle a jeho uspořádání fyzikové popsali standardním modelem. CERN v současnosti plánuje stavbu dokonce stokilometrového urychlovače, který by měl zahájit ještě více fascinující epochu výzkumu mikrosvěta. A při rychlosti, jakou se částicová fyzika žene v posledním století kupředu, nám dost možná již v následujících dekádách nebude základní model stačit.