Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 32 – vyšlo 18. října, ročník 11 (2013) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

32/2013

Udělení Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2013

Petr Kulhánek

Letošní Nobelova cena za fyziku byla udělena Françoisi Englertovi a Peteru Higgsovi za teoretické vysvětlení mechanizmu, který přispěl k našemu pochopení původu hmotnosti subatomárních částic a který byl v současnosti potvrzen objevem jimi předpovězené částice na detektorech ATLASATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS, detektor pro urychlovač LHC s hmotností 7 000 tun umístěný 100 metrů pod zemí. Jde o multifunkční detektor, který je mj. schopen detekovat Higgsovy bosony. Délka zařízení je 44 metrů, magnetické pole cívky vychylující nabité částice 2 T. a CMSCMS – Compact Muon Solenoid. Víceúčelový detektor vybudovaný v CERN pro urychlovač LHC, vážící 12 500 tun, který je schopen mj. detekovat Higgsovy částice. při experimentech v Evropském středisku jaderného výzkumu CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. na urychlovači LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015.. Od roku 1901, kdy byla Nobelova cena udělena poprvé, bylo oceněno již 196 fyziků. O snaze polapit Higgsův boson jsme referovali v bulletinech AB 28/2003 a AB 28/2012.

Medaile udělovaná při převzetí Nobelovy ceny

Nobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. Standardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W+,  W−, Z0) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce. Standardní model je vybudován na základě kvantové teorie pole. Higgsovy částice – částice, které se objevují ve sjednocené teorii elektromagnetické a slabé interakce (tzv. elektroslabé interakce) standardního modelu. Částice a jim odpovídající Higgsovo pole zde zajišťují nenulovou hmotnost polních částic slabé interakce a způsobují narušení symetrie elektroslabé interakce při energiích nižších než 100 GeV. Částice jsou pojmenovány podle skotského fyzika Petera Higgse. Tento mechanizmus nazýváme Higgsův mechanizmus a je aplikovatelný i na jiné částice. Existence Higgsovy částice byla s největší pravděpodobností potvrzena v červenci 2012 na dvou detektorech urychlovače LHC v CERNu. O Higgsově částici se často hovoří jako o Higgsově bosonu, Higgsově poli či jen higgsi.

Zajímavosti z udělování Nobelových cen za fyziku

Touha po sjednocování

Ještě na počátku 19. století se zdálo, že elektrické a magnetické děje mají naprosto rozdílnou povahu. K pochopení společné povahy obou jevů byly důležité experimenty André Ampéra, Michaela Faradaye. Ampér zjistil, že kolem vodiče protékaného elektrickým proudem vzniká magnetické pole. Zcela klíčovým byl objev elektromagnetické indukce v roce 1831. Faraday ukázal, že proměnné magnetické pole způsobuje vznik elektrického pole. Na základě těchto a dalších experimentů vytvořil James Clerk Maxwell jednotnou teorii elektromagnetického pole, kterou pod názvem A Treatise on Electricity and Magnetism publikoval v roce 1873. Bylo zjevné, že proměnné elektrické pole dává vzniknout magnetickému poli a naopak. Pole, které se z hlediska jedné souřadnicové soustavy jeví jako magnetické, se může z hlediska jiné soustavy jevit jako elektrické. První velké sjednocení dvou sil bylo na světě. Dnes hovoříme o elektrických a magnetických dějích společně jako o elektromagnetické interakciElektromagnetická interakce – interakce působící na všechny částice s elektrickým nábojem. Má nekonečný dosah, mezi tělesy ubývá s druhou mocninou vzdálenosti. Polními částicemi jsou fotony, které vytvářejí mezi nabitými tělesy elektromagnetické pole. Nemají elektrický náboj, mají nulovou klidovou hmotnost a spin rovný jedné. Teorie elektromagnetické interakce se nazývá kvantová elektrodynamika (QED)..

V letech 1946 až 1949 byla dokončena první kvantově polní teorie – kvantová teorie elektromagnetického pole, které dnes říkáme kvantová elektrodynamikaQED – Quantum Electrodynamics, kvantová elektrodynamika, současná teorie elektromagnetické interakce. Teorie je postavená na Diracově rovnici pro elektron a na kvantové verzi teorie elektromagnetického pole. Polní částicí interakce je foton.. Za její formulaci získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1965 Richard Feynman, Shin-Itiro Tomonaga a Julian Schwinger. Kvantová elektrodynamika je kvantovou analogií Maxwellových rovnic. Elektromagnetická interakce je způsobena polními částicemi, v tomto případě fotony, které si mezi sebou posílají nabité částice. Klasický pojem síly ztrácí svůj smysl. Feynmanovi se podařilo složité rovnice interpretovat za pomoci názorných grafů, kterým dnes říkáme Feynmanovy diagramy. Na obdobném základě byla později vytvořena i současná kvantová teorie slabé a silné interakce.

Od počátku 60. let probíhaly snahy o spojení elektromagnetickéElektromagnetická interakce – interakce působící na všechny částice s elektrickým nábojem. Má nekonečný dosah, mezi tělesy ubývá s druhou mocninou vzdálenosti. Polními částicemi jsou fotony, které vytvářejí mezi nabitými tělesy elektromagnetické pole. Nemají elektrický náboj, mají nulovou klidovou hmotnost a spin rovný jedné. Teorie elektromagnetické interakce se nazývá kvantová elektrodynamika (QED). a slabé interakceSlabá interakce – interakce s konečným dosahem, který je přibližně 10^–17 m. Působí pouze na levotočivé kvarky a leptony. Polními částicemi jsou vektorové bosony W⁺, W⁻ a Z⁰ se spinem rovným jedné. Hmotnosti částic jsou v rozmezí (80÷90) GeV. Typickým slabým procesem je například beta rozpad neutronu. Teorie slabé interakce se nazývá kvantová flavourdynamika (QFD). do jednoho jediného celku. Podařilo se to Stevenu Weinbergovi, Abdusu Salamovi a Sheldonu Glashowovi. Za svou práci získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1979. Jimi předpovězené polní částice slabé interakce W⁺, W^– a Z⁰ byly objeveny na přelomu let 1983 a 1984 v evropském středisku jaderného výzkumu CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web.. Jejich objevitelé, Carlo Rubbia a Simon van der Meer získali Nobelovu cenu ještě téhož roku (1984). Při energiích vyšších než 100 GeV Elektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. se elektromagnetická a slabá interakce chovají jako jedna jediná elektroslabá interakce. Jakmile energie částic poklesnou pod tuto mez, rozštěpí se na dvě síly, jak je známe dnes.

Ukázka slabé interakce. Rozpad mezonu K⁺ pozorovaný v bublinkové komoře.
Zdroj: CERN 1973.

K pochopení silné interakce přispěl již ve 30. letech japonský fyzik Hideki Yuakawa. Za svou práci získal Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1949. Současná kvantově polní teorie silné interakce se nazývá kvantová chromodynamikaQCD – Quantum Chromodynamics, kvantová chromodynamika, teorie silné interakce. Kvarky interagují prostřednictvím polních částic silné interakce – gluonů. Silnou interakcí drží pohromadě kvarky například v neutronech a protonech. Silná interakce je zodpovědná i za soudržnost atomového jádra. K typickým rysům silné interakce patří uvěznění kvarků a jejich asymptotická volnost na malých vzdálenostech. Nábojem silné interakce je „barva“, odsud název chromodynamika. Dosah silné interakce je přibližně 10⁻¹⁵ m. a za její formulaci a za úspěšný popis chování kvarkůKvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce. a gluonůGluony – intermediální (polní, výměnné) částice silné interakce, která působí na hadrony a je krátkého dosahu. Tato interakce spojuje kvarky v mezony a baryony, udržuje pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a způsobuje některé rychlé rozpady elementárních částic. Celkem známe 8 gluonů. Tyto polní částice jsou nositeli barevného náboje (náboje silného interakce). Tím se silná interakce odlišuje od elektromagnetické a slabé interakce. získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2004 Frank Wilczek, David Gross a David Politzer. Předpokládáme, že při energiích vyšších než 10¹⁴ GeV se všechny tři interakce popsané kvantovou teorií chovají jako jedna jediná interakce GUT (Grand Unified Theory).

Poslední z interakcí, gravitaceGravitační interakce – interakce působící na všechny částice bez výjimky. Má nekonečný dosah a její intenzita ubývá s kvadrátem vzdálenosti. Současnou teorií gravitace je obecná relativita publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Podle této teorie kolem sebe každé těleso zakřivuje prostor a čas a v tomto pokřiveném světě se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Obecná relativita předpověděla řadu jevů, které z Newtonovy teorie gravitace nevyplývají., z tohoto schématu poněkud vybočuje. Jako jediná z interakcí působí na všechny částice. A jako jediná z interakcí není popsána kvantovou teorií, ale obecnou relativitou. Silové působení je nahrazeno pokřiveným prostorem a časem. Proto je nesmírně obtížné spojení tří kvantových interakcí s gravitací. Pokoušejí se o to různé teorie strun využívající mnohorozměrný svět. Zda je to cesta správným směrem, ukáže až budoucnost. Žádné projevy extradimenzí nebo supersymetrieSUSY – SUSY (SUper SYmmetry), supersymetrie, symetrie mezi fermiony a bosony, která by se měla projevovat při vysokých energiích. Ke každému fermionu by měl existovat superpartner, který je bosonem, a naopak ke každému bosonu by měl existovat superpartner, který je fermionem. Názvy superpartnerů tvoříme příponou „ino" pro bosony a předponou „s“ pro fermiony. Tedy například foton – fotino, elektron – selektron. Přestože se tyto superpartnery zatím nepodařilo experimentálně pozorovat na urychlovači LHC, představuje supersymetrie významnou ingredienci v teorii superstrun. (symetrie mezi fermionyFermiony – částice, které mají poločíselný spin, vlnová funkce je antisymetrická, splňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Fermiho–Diracovu statistickému rozdělení. Patří mezi ně všechny leptony, kvarky a baryony – například elektron, neutrino, proton a neutron. Při nízkých teplotách fermiony obsazují stavy postupně, až po tzv. Fermiho mez. a bosonyBosony – částice, které mají celočíselný spin, symetrickou vlnovou funkci, nesplňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Boseho-Einsteinově statistickému rozdělení. Například jsou to všechny skalární i vektorové mezony, fotony a gluony. Při nízkých teplotách se bosony mohou hromadit v základním stavu., která by měla platit za extrémně vysokých energií) nebyly dosud pozorovány. Snad na úplném počátku vesmíru existovala jakási prasíla, která se v Planckově časePlanckovy škály – charakteristické rozměry získané kombinací fundamentálních konstant (gravitační, Planckovy a rychlosti světla). Planckova délka vychází 10⁻³⁵ m, Planckův čas 10⁻⁴³ s, Planckova hmotnost 10⁻⁸ kg a Planckova energie 10¹⁹ GeV., za energie částic 10¹⁹ GeV, rozštěpila na gravitaci a interakci GUT. K pochopení tohoto úplného počátku bude nutno urazit ještě dlouhou cestu s nejasným výsledkem.

Objevy částic standardního modelu

Vlastnosti všech dosud objevených elementárních částic popisuje tzv. standardní model. Obsahuje 4 skupiny částic: leptonyLeptony – skupina částic, mezi které patří elektron, těžký elektron (mion) a supertěžký elektron (tauon) a jejich neutrina (elektronové, mionové a tauo­nové). Tyto částice nepodléhají silné interakci, ale jen slabé a elektro­mag­ne­tické (pokud jsou nabité)., kvarkyKvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce., polní částice a Higgsovu částiciHiggsovy částice – částice, které se objevují ve sjednocené teorii elektromagnetické a slabé interakce (tzv. elektroslabé interakce) standardního modelu. Částice a jim odpovídající Higgsovo pole zde zajišťují nenulovou hmotnost polních částic slabé interakce a způsobují narušení symetrie elektroslabé interakce při energiích nižších než 100 GeV. Částice jsou pojmenovány podle skotského fyzika Petera Higgse. Tento mechanizmus nazýváme Higgsův mechanizmus a je aplikovatelný i na jiné částice. Existence Higgsovy částice byla s největší pravděpodobností potvrzena v červenci 2012 na dvou detektorech urychlovače LHC v CERNu. O Higgsově částici se často hovoří jako o Higgsově bosonu, Higgsově poli či jen higgsi.. K leptonům patří tři generace elektronů – obyčejný elektronElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932., těžký elektron (mionMion – těžký elektron, hmotnost má 207 m_e. Střední doba života je přibližně 2×10⁻⁶ s. Těžký elektron se rozpadá na stabilní elektron, elektronové antineutrino a mionové neutrino. Mion se vyskytuje v sekundárních sprškách z kosmického záření. Mion byl objeven C. Andersonem v kosmickém záření za pomoci mlžné komory v roce 1936.) a supertěžký elektron (tauonTauon – supertěžký elektron, hmotnost má 3 484 m_e. Jde o nestabilní částici se střední dobou života 3×10⁻¹³ s. Rozpadá se na své lehčí dvojníky (elektron nebo mion) a neutrina. Byl objeven v roce 1977 Martinem Perlem.). Při zrodu libovolného z těchto elektronů vzniká příslušné antineutrino (elektronovéNeutrino elektronové – částice patřící mezi leptony, vzniká spolu s pozitronem při slabých rozpadech. Jde o částici velmi malé hmotnosti, která interaguje s hmotou jen slabou interakcí, snadno proto hmotou proniká. Jeho existenci předpověděl W. Pauli v roce 1930 na základě analýzy beta rozpadu. Název neutrino mu dal Enrico Fermi po objevu neutronu v roce 1932 (v italštině znamená neutrino malý neutron). Jeho existence byla potvrzena v roce 1956 v jaderné elektrárně Savannah River v Jižní Karolíně (Frederick Reines, Clyde Cowan). , mionovéNeutrino mionové – doprovází při slabých rozpadech mion (těžký elektron). Má podobné vlastnosti jako neutrino elektronové. Mionové neutrino objevili Leon Lederman, Melvin Schwartz a Jack Steinberger v roce 1962 na urychlovači v Brookhavenské národní laboratoři (Long Island, USA). Za tento objev obdrželi Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1988. nebo tauonovéNeutrino tauonové – doprovází tauon (supertěžký elektron) při slabých procesech. Bylo objeveno v laboratoři Fermilab v roce 1999 v experimentu DONUT (Do Nu Tau). Z objevitelského týmu jmenujme alespoň Phillipa Marvina Yagera a Vittorio Paoloneho.). NeutrinaNeutrina – částice, které nemají elektrický náboj, neinteragují ani silně ani elektromagneticky, a proto látkou většinou procházejí. Spolu s elektrony patří do rodiny tzv. leptonů. Neutrina známe ve třech provedeních – elektronová, mionová a tauonová. Alespoň jedno z neutrin má nenulovou klidovou hmotnost, a proto dochází k tzv. oscilacím neutrin, samovolné přeměně mezi jednotlivými typy. také patří do skupiny leptonů. Pokud vznikne nějaký lepton, vznikne současně s ním také antilepton a naopak (s antileptonem vznikne lepton). Alespoň při nízkých energiích to takto funguje. Leptony nejeví v dosavadních experimentech žádnou vnitřní strukturu.

Elektron byl vůbec první objevenou částicí, nalezl ho v katodovém záření v roce 1897 Joseph Thomson. Antičástice k elektronu – pozitronPozitron – antičástice k elektronu. Teoreticky existenci pozitronu předpověděl Paul Dirac v roce 1928. Experimentálně ho objevil v kosmickém záření Carl Anderson v roce 1932. – byla objevena v kosmickém zářeníKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. Carlem Andersonem v roce 1932. Tentýž muž objevil v roce 1936 těžký elektron – mion. Supertěžký elektron byl uměle připraven na urychlovači až v roce 1977. O jeho objev se zasloužil Martin Perl. Co se týče neutrin, byla situace složitější. Dlouho odolávala polapení. Elektronové neutrino detekovali Frederick Reines a Clyde Cowan v jaderné elektrárně v Savannah River až v roce 1956. Mionové neutrino bylo polapeno v roce 1962 a tauonové až v roce 1999.

Standardní model elementárních částic. Zdroj: Fermilab.

Další skupinou částic standardního modelu jsou kvarky. Silná interakce je spojuje do větších celků neboli hadronůHadrony – částice složené z kvarků, které interagují silnou jadernou interakcí. Dělíme je na mezony složené z kvarku a antikvarku a baryony složené ze tří kvarků různých barev. Název je odvozeninou z řeckého hadros (silný, těžký). K nejznámějším mezonům patří piony, k nejznámějším baryonům neutron a proton. Hmotnosti hadronů převyšují hmotnost elektronů o několik řádů. Jejich interakce s látkovým prostředím se výrazně liší jak od elektronů, tak i od fotonů.. Buď může jít o vázanou dvojici kvarku a antikvarku, pak hovoříme o mezonechMezon – částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Název vznikl z toho, že první objevené mezony měly hmotnost „mezi“ hmotností elektronu a protonu. Pokud se kvarky složí s nesouhlasným spinem, vznikne skalární mezon (má nulový spin), pokud se souhlasným spinem vznikne vektorový mezon (spin má roven jedné). Skalární mezony zkombinované z kvarků „d“ a „u“ nazýváme piony, vektorové róony. Pokud mezon obsahuje kvark „s“, nazývá se kaon., nebo o vázanou trojici kvarků, pak hovoříme o baryonechBaryon – elementární částice složená ze tří kvarků s různým barevným nábojem. Výsledná barva je „bílá“. Baryony podléhají silné interakci a patří proto mezi hadrony. Baryony složené z kvarků první generace (d, u) dělíme na nukleony se spinem rovným 1/2 (proton a neutron) a delta baryony se spinem rovným 3/2 (4 částice s různým nábojem). Baryony obsahující s kvark nazýváme hyperony. Nejznámějším je lambda hyperon. Hyperony byly hojně zastoupené v raných vývojových fázích vesmíru, často hovoříme o hyperonovém plynu. Dnes vznikají interakcí kosmického záření s horními vrstvami atmosféry a umíme je vytvořit uměle na urychlovačích.. K nejznámějším baryonům patří neutron a proton. Samotný protonProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem. byl objeven spolu s atomovým jádrem Ernestem Rutherfordem v roce 1911. Jádro vodíku ale Rutherford pojmenoval slovem proton až v roce 1920. NeutronNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10⁻²⁷ kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron. objevil James Chadwick v roce 1932. To, že neutron a proton jsou složené z ještě elementárnějších částic, kvarků, navrhli nezávisle Murray Gell-Man a George Zweig v polovině 60. let 20. století. V roce 1968 byly při hluboce nepružném rozptylu na urychlovači SLACSLAC – Stanford Linear Accelerator Center, středisko s několika urychlovači, nejznámějším je přes 3 kilometry dlouhý lineární urychlovač patřící Stanfordově univerzitě v Kalifornii, podle něhož je centrum SLAC pojmenováno. Urychlovač je v provozu od roku 1962. V současnosti je středisko přejmenováno na „SLAC National Accelerator Laboratory“ a je jednou z deseti národních laboratoří Spojených států. objeveny v protonu kvarky „d“ a „u“. Kvark „s“ byl objeven v roce 1969, kvark „c“ v roce 1974, kvark „b“ v roce 1976 a poslední kvark „t“ v roce 1994.

Každý proton či neutron je složený ze tří kvarků „d“ a „u“.
Kvarky pojí dohromady gluonové pole.

Leptony a kvarky jsou částice tvořící látku. Pak jsou zde ještě polní částice zodpovědné za interakce. Elektromagnetickou interakci zprostředkovávají fotonyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926., slabou interakci polní částice W⁺, W^–, Z⁰ (byly objevené v CERNuCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. na přelomu let 1983 a 1984) a silnou interakci zprostředkovávají gluonyGluony – intermediální (polní, výměnné) částice silné interakce, která působí na hadrony a je krátkého dosahu. Tato interakce spojuje kvarky v mezony a baryony, udržuje pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a způsobuje některé rychlé rozpady elementárních částic. Celkem známe 8 gluonů. Tyto polní částice jsou nositeli barevného náboje (náboje silného interakce). Tím se silná interakce odlišuje od elektromagnetické a slabé interakce.. Gravitace je popsána obecnou relativitou, nikoli kvantovou teorií, proto v tomto přehledu chybí. Každá interakce probíhá tak, že si částice (leptony a kvarky) mezi sebou vyměňují polní částice.

Higgsova částice

Při prvních pokusech o vybudování teorie elektroslabé interakce vyvstal zásadní problém. V teorii správně figurovaly čtyři polní částice, ale všechny měly nulovou hmotnost. Z vlastností slabé interakce, zejména z jejího konečného dosahu, bylo zjevné, že polní částice slabé interakce musí mít nenulovou hmotnost. Návrh teoretického řešení vzniknul nezávisle na třech místech. V roce 1964 publikoval svou práci skotský teoretik Peter Higgs. Obdobný mechanizmus navrhli ve stejné době belgičtí teoretici François Englert a Robert Brout, který zemřel v roce 2011, a proto Nobelovu cenu získat nemohl. Obdobné závěry publikovala také skupina z anglické Cambridge (Gerald Guralnik, Carl Hagen a Tom Kibble). Mechanizmus předpokládá zavedení nového pole, které vyplňuje celý prostor a uděluje některým částicím hmotnost. Toto pole bylo později nazváno Higgsovo pole a jeho částice Higgsovou částicí. Higgsova částice byla objevena v roce 2012 na detektorech ATLASATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS, detektor pro urychlovač LHC s hmotností 7 000 tun umístěný 100 metrů pod zemí. Jde o multifunkční detektor, který je mj. schopen detekovat Higgsovy bosony. Délka zařízení je 44 metrů, magnetické pole cívky vychylující nabité částice 2 T. a CMSCMS – Compact Muon Solenoid. Víceúčelový detektor vybudovaný v CERN pro urychlovač LHC, vážící 12 500 tun, který je schopen mj. detekovat Higgsovy částice. ve středisku jaderného výzkumu CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. na urychlovači LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015.. O tomto objevu jsme podrobně informovali v AB 28/2012. Poslední částice standardního modelu tak byla nalezena. Přestože je standardní model mimořádně úspěšný, nejde o finální stav, neboť model závisí na větším množství konstant. Finální teorie by měla být postavena na jedné jediné konstantě a ostatní by měly být z teorie vypočitatelné. Za navržení Higgsova mechanizmu vedoucího k nenulové hmotnosti částic získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2013 Peter Higgs a François Englert.

Jak Higgsův mechanizmus funguje? Britský ministr pro vědu vyzval v roce 1993 vědce, aby vymysleli nějakou jednoduše pochopitelnou interpretaci Higgsova mechanizmu, který dokáže různým částicím udělit jejich hmotnost. Vítězi slíbil láhev šampaňského. Nakonec vyhrál příběh, na který se podívejte v následujícím videu:

Vysvětlení významu Higgsova bosonu. Zdroj: Ted Ed lessons. (mp4, 46 MB, titulky)

Peter Higgs (*1929)

Peter Higgs pózuje fotografům. Zdroj: UW.

Peter Higgs je skotský teoretický fyzik a matematik, který na počátku 60. let 20. století navrhl mechanizmus spontánního narušení elektroslabé symetrie za pomoci pole, kterému dnes říkáme Higgsovo pole. Součástí mechanizmu bylo vysvětlení původu hmotnosti částic, v případě elektroslabé teorie šlo o hmotnosti polních bosonů W a Z. K objevu částic tohoto pole došlo až po půl století. Objev byl oznámen na Den nezávislosti, dne 4. července 2012. Dva dni po oznámení objevu bylo při Edinburské univerzitě založeno Higgsovo centrum teoretické fyziky. V březnu 2013 byly publikovány vlastnosti této čerstvě objevené Higgsovy částice. Jde o skalární částici (se spinem 0) s kladnou paritou.

Peter Higgs se narodil v Elswicku, má anglického otce a skotskou matku. Střední školu navštěvoval v období druhé světové války v Bristolu. Doktorát z fyziky získal na Královské koleji v Londýně. V roce 1954 obhájil PhD, jeho práce se týkala vibračních stavů molekul. Začal pracovat na Edinburské univerzitě (1954–1956). Poté vystřídal několik míst (Imperial College, University College v Londýně). Zabýval se zejména matematikou a kvantovou teorií. V roce 1960 se vrátil na Edinburskou univerzitu, kde strávil nejdelší období svého života. Je nositelem mnoha cen, z nichž nejnovější je letošní Nobelova cena za fyziku.

François Englert (*1932)

François Englert u detektoru ATLAS v CERN.

François Englert je belgický teoretický fyzik, který nezávisle na Higgsovi navrhl na počátku 60. let 20. století mechanizmus, jakým částice získávají svou hmotnost. S Peterem Higgsem se poprvé setkal až v roce 2012 v evropském středisku jaderného výzkumu CERN. Jeho stěžejní práce se týkají statistiky, kvantové teorie pole, kosmologie, teorie strun a supergravitace.

Narodil se v belgické židovské rodině. Aby přežil druhou světovou válku, musel tajit svůj původ. Žil v sirotčincích a dětských domovech. V roce 1955 dokončil studia na Svobodné univerzitě v Bruselu (ULB – Université Libre de Bruxelles) a stal se elektroinženýrem. V roce 1959 získal na této univerzitě PhD z fyziky. Poté pracoval tři roky na Cornellově univerzitě a nakonec se vrátil na ULB. V roce 1984 přesídlil na Univerzitu v Tel Avivu a od roku 2011 spolupracuje s Chapmanovou univerzitou v Kalifornii. Je nositelem mnoha cen, z nichž nejprestižnější je letošní Nobelova cena za fyziku, kterou sdílí spolu se skotským teoretickým fyzikem Peterem Higgsem.

Odkazy