Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 14 – vyšlo 12. května, ročník 16 (2018) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

14/2018

Slabé stránky protonu

Petr Kulhánek

Standardní model elementárních částic je zatím nejúspěšnějším popisem mikrosvěta. Jeho součástí jsou částice látky (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). a 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 (elektromagnetické, silné a slabé interakce) a Higgsovy částiceHiggsovy 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.. I přesto, že je standardní model velmi úspěšný, jeho popis mikrosvěta není úplný a očekává se, že bude existovat zajímavá fyzika za hranicemi standardního modelu. K ní lze dospět v principu dvěma způsoby. První možností je provádění experimentů s extrémními energiemi (například 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. 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.), při nichž je naděje připravit exotické formy hmoty a s nimi nové částice, které nejsou součástí standardního modelu. Druhou možností je velmi přesné měření parametrů, které standardní model předpovídá, a hledání odchylek od předpovězených hodnot. Každá taková odchylka je potom nadějí na onu „novou“ fyziku. V Jeffersonově laboratoři je skupina vědců, která se snaží přesně změřit slabý náboj protonu. Jde o analogii elektrického náboje ve slabé interakci, je mírou intenzity slabé interakce protonu. Poprvé se jim podařilo slabý náboj protonu změřit v roce 2013 a zatím nejpřesnější měření bylo publikováno 10. května 2018.

Jeffersonova laboratoř, přesněji Thomas Jefferson National Accelarator Laboratory, je jedna z deseti národních laboratoří USA založená Americkým ministerstvem energetiky (DOE – U.S. Department of Energy). Nachází se na východním pobřeží Spojených států amerických. Zdroj: Symmetry Magazine.

Proton – 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. 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. Elektromagnetická 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). Slabá 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). Silná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10−15 m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Barevný náboj na malých vzdálenostech (při vysokých energiích) slábne a kvarky se chovají jako volné částice. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Teorií silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD).

Slabá interakce

Slabá interakce je jednou ze čtyř známých přírodních interakcí. Dochází k ní při výměně polních částic Z⁰, W⁺ nebo W^–. Slabá interakce je zodpovědná za první reakci (sloučení dvou protonů) z řetězce fúzních reakcí ve hvězdách podobných našemu Slunci, za radioaktivní rozpad látek v nitru Země, který ohřívá zemské nitro a vede na sopečnou činnost či vznik horkých gejzírů. Slabou interakci také využíváme v medicíně při různých diagnostických metodách, například jako zdroj pozitronů pro pozitrono-elektronovou tomografii (PET) poslouží slabý rozpad ²²Na. První teorii elektroslabé interakce (spojení elektromagnetické a slabé interakce) vytvořili Weinberg, Salam a Glashow. Čtveřice polních částic ale měla nulovou hmotnost, což bylo neslučitelné s krátkým dosahem slabé interakce. Proto byl předpovězen tzv. Higgsův mechanizmus, který původní částice přivede do mixáže (superpozice), jejímž výsledkem je nehmotný foton a hmotná polní částice slabé interakce Z⁰:

 γ  = B⁰ cos θ_W  +  W⁰ sin θ_W,

Z⁰ = −B⁰ sin θ_W + W⁰ cos θ_W ,

kde B⁰ a W⁰ jsou neutrální polní částice elektroslabého modelu bez Higgsova pole (ten obsahuje dvě neutrální a dvě nabité polní částice). Koeficienty mixáže jsou zapsány pomocí sinu a kosinu tzv. mixážního úhlu slabé interakce θ_W, který se nazývá Weinbergův úhel a jde o jeden ze základních parametrů slabé interakce. Slabá interakce charakteristicky narušuje levopravou symetrii a experiment zkonstruovaný podle zrcadlového obrazu originálu by se choval jinak než původní experiment. Letící elektron bude s protonem interagovat jak elektromagneticky (prostřednictvím fotonů), tak slabě (prostřednictvím polních částic Z⁰). Slabý příspěvek k účinnému průřezu interakce je malý, ale měřitelný. Z odchylek od elektromagnetické předpovědi interakce (Coulombova zákona) lze usuzovat na vlastnosti slabé interakce a změřit slabý náboj protonuProton – 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.. Elektromagnetické působení nezávisí na spinuSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. elektronuElektron – 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.. Naopak slabá interakce je na směru spinu elektronu závislá. Projekce spinu do směru pohybu se v částicové fyzice nazývá helicita. Představme si, že připravíme svazek elektronů se spinem mířícím ve směru pohybu (helicita +1) a jiný svazek se spinem elektronů mířícím proti směru pohybu (helicita −1). Říkáme, že elektrony mají polarizaci, jejich svazky jsou polarizované (mají preferovanou orientaci spinu). Pokud naše dva svazky budou interagovat s protonem elektromagneticky, nepoznáme rozdíl. Pokud ale budou interagovat slabě, bude výsledek rozdílný, a my budeme schopni odlišit slabý příspěvek k interakci.

Rozptyl elektronu na protonu. Interakce může proběhnout elektromagneticky, (polní částicí je foton znázorněný modrou vlnovkou) nebo slabě (polní částicí je Z⁰ znázorněná oranžovou přerušovanou čárou). Elektrony s opačnou helicitou (projekcí spinu do směru pohybu) simulují přístroj vyrobený podle zrcadlového obrazu. Pokud dojde ke slabé interakci, dopadne experiment pro oba svazky elektronů různě. Znázorněn je pružný rozptyl (s malou energií) nezasahující do kvarkové struktury protonu. Zdroj: Jefferson Laboratory / Nature.

Měření slabého náboje protonu

V roce 2002 padlo v Jeffersonově labotratoři rozhodnutí postavit kontinuální urychlovač elektronů, který by mohl být použit k ostřelování protonů a zjišťování jejich slabého chování. Oficiální název zařízení, s jehož stavbou se započalo v roce 2009, je CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility). Stavba byla dokončena za rok, v letech 2010 až 2012 byla sbírána první data a v roce 2013 bylo oznámeno vůbec první změření slabého náboje protonu, který je podle standardního modelu dán vztahem

Q_W = 1 − 4 sin² θ_W.

Měření slabého náboje protonu tedy znamená současné měření mixážního úhlu slabé interakce (Weinbergova úhlu). Jak měření probíhala? Polarizovaný svazek elektronů dopadal na protony v kapalném terči o průměru 35 centimetrů obsahujícím vodík. Polarizace svazku dosahovala 89 % a elektrický proud odpovídající toku elektronů byl 180 mikroampérů. Svazky měly záměrně nízkou energii. Při vyšší energii by docházelo k vnikání elektronů do protonů a k hlubokému nepružnému rozptylu poznamenanému vnitřní strukturou protonu, a tedy interakcí s jednotlivými kvarky. Ta je ale také závislá na polarizaci elektronového svazku a měření slabého náboje protonu by komplikovala. Narušení levopravé symetrie bylo měřitelné, z miliardy srážek proběhlo přibližně 226 odlišným způsobem, pokud byla polarizace opačná. Právě z tohoto rozdílu bylo možné dopočítat slabý náboj protonu, který vyšel v perfektním souladu se standardním modelem elementárních částic. Na experimentech se podílelo 22 vědeckých institucí a univerzit z Chorvatska, USA, Kanady, Austrálie a Arménie.

Schéma experimentu, který zjišťuje v Jeffersonově laboratoři
slabý náboj elektronu. Zdroj: Jefferson Lab.

Q Weak experiment. Patrná je část od svislé žluté betonové stěny doleva (2013).
Snímek pravé části experimentu (2018). Zdroj: Jefferson Lab.

slabý náboj protonu	rok	hodnota
teoretická předpověď (standardní model)	1964	0,0710 ± 0,0007
první měření	2013	0,064 ± 0,012
nejpřesnější dosavadní měření	2018	0,0719 ± 0,0045

Porovnání standardního modelu s experimenty.

V květnu 2018 byly publikovány zatím nejpřesnější měření slabého náboje protonu (z dvou půlročních experimentálních kampaní), které ukázaly perfektní souhlas se standardním modelem. To je na jednu stranu dobře, potvrzuje to, že je standardní model vynikajícím nástrojem pro popis mikrosvěta. Na druhou stranu by sebemenší odchylky znamenaly nové fyzikální jevy, například existenci tzv. leptokvarků – polních částic, které převádějí leptony na kvarky a naopak. Dokonalá shoda experimentu se standardním modelem dala nové hranice, za nimiž by bylo teprve možné očekávat fyziku vymykající se standardnímu modelu elementárních částic.

Odkazy