Částicová fyzika

Rozbalit box

Obsah boxu

Částicová fyzika (také fyzika vysokých energií) je obor fyziky, který zkoumá nejzákladnější stavební kameny hmoty a energie a interakce mezi nimi. Snaží se odhalit, z čeho je vesmír složen a jaké zákony řídí jeho chování na té nejmenší možné úrovni. Současné chápání tohoto mikrosvěta shrnuje teorie známá jako Standardní model částicové fyziky.

Tento obor se vyvinul z jaderné fyziky a je s ní úzce spjat. Experimentální výzkum probíhá především pomocí obřích zařízení zvaných urychlovače částic, jako je například Velký hadronový urychlovač (LHC) v CERNu, kde dochází ke srážkám částic při rychlostech blízkých rychlosti světla. Analýza produktů těchto srážek umožňuje fyzikům nahlédnout do struktury hmoty a ověřovat teoretické předpovědi.

⚛️ Základní stavební kameny: Standardní model

Standardní model je teorie zformulovaná v 70. letech 20. století, která popisuje všechny známé elementární částice a tři ze čtyř základních sil ve vesmíru. Je to jedna z nejúspěšnějších teorií v historii vědy, jejíž předpovědi byly s obrovskou přesností experimentálně potvrzeny. Posledním chybějícím dílkem modelu byl Higgsův boson, jehož existence byla potvrzena v CERNu v roce 2012.

Částice ve Standardním modelu se dělí do dvou hlavních skupin: fermiony (částice látky) a bosony (částice zprostředkující síly).

Elementární částice: Fermiony

Fermiony jsou částice, které tvoří veškerou hmotu, jak ji známe. Mají poločíselný spin a řídí se Pauliho vylučovacím principem, což znamená, že dvě identické fermiony nemohou být ve stejném kvantovém stavu. Dělí se na dvě podskupiny:

Kvarky: Jsou základními stavebními kameny těžších částic zvaných hadrony (jako jsou protony a neutrony). Nikdy se nevyskytují samostatně, ale vždy ve vázaných stavech. Existuje šest typů (vůní) kvarků: up (horní), down (dolní), charm (půvabný), strange (podivný), top (vrchní) a bottom (spodní). Kvarky také nesou specifický druh náboje zvaný "barva", který je zdrojem silné jaderné síly.
Leptony: Mezi leptony patří lehčí částice. Nejznámějším leptonem je elektron. Dalšími nabitými leptony jsou těžší a nestabilní mion a tauon. Ke každému z nich existuje také elektricky neutrální a velmi lehké neutrino (elektronové, mionové a tauonové). Neutrina interagují s ostatní hmotou jen velmi slabě.

Nosiče síly: Bosony

Bosony jsou částice, které zprostředkovávají základní interakce (síly) mezi fermiony. Mají celočíselný spin a nepodléhají Pauliho vylučovacímu principu.

Foton: Je nosičem elektromagnetické síly. Nemá klidovou hmotnost ani elektrický náboj.
Gluon: Zprostředkovává silnou jadernou interakci, která drží kvarky pohromadě v protonech a neutronech a následně i celá atomová jádra.
Bosony W a Z: Jsou nosiči slabé jaderné interakce, která je zodpovědná za některé typy radioaktivních rozpadů, například za beta rozpad. Na rozdíl od fotonů a gluonů jsou velmi hmotné.
Higgsův boson: Je to unikátní částice, která je excitací tzv. Higgsova pole. Toto pole prostupuje celým vesmírem a interakcí s ním získávají ostatní elementární částice (kromě fotonů a gluonů) svou hmotnost.

🌌 Čtyři základní síly vesmíru

Všechny známé jevy ve vesmíru lze popsat pomocí čtyř základních interakcí. Standardní model úspěšně popisuje tři z nich.

Silná jaderná síla: Nejsilnější ze všech interakcí, ale má extrémně krátký dosah (přibližně velikost atomového jádra). Působí mezi kvarky a je zodpovědná za stabilitu protonů a neutronů. Zprostředkují ji gluony.
Elektromagnetická síla: Působí mezi elektricky nabitými částicemi. Má nekonečný dosah, i když její síla klesá se vzdáleností. Je zodpovědná za téměř všechny jevy v našem každodenním životě – drží pohromadě atomy a molekuly, je podstatou světla, elektřiny a magnetismu. Zprostředkují ji fotony.
Slabá jaderná síla: Má ještě kratší dosah než silná interakce a je mnohem slabší. Umožňuje přeměnu jednoho druhu kvarku na jiný, což je klíčové pro jadernou fúzi ve hvězdách a pro některé formy radioaktivity. Zprostředkují ji hmotné bosony W a Z.
Gravitace: Nejslabší ze všech sil, ale má nekonečný dosah a působí na všechny částice, které mají hmotnost nebo energii. Dominantní síla v kosmickém měřítku, drží pohromadě planety, hvězdy a galaxie. Gravitace jako jediná není součástí Standardního modelu. Fyzikové se snaží vytvořit kvantovou teorii gravitace, která by ji popsala na úrovni částic. Hypotetickou částicí gravitace je graviton.

🔬 Nástroje a experimenty

Klíčem k poznání světa elementárních částic jsou experimenty, které se provádějí v obřích mezinárodních laboratořích.

Urychlovače částic

Urychlovače jsou zařízení, která pomocí silných elektrických a magnetických polí urychlují nabité částice (jako protony nebo elektrony) na energie blízké rychlosti světla. Tyto svazky částic jsou pak navedeny proti sobě, aby došlo k čelní srážce. Energie srážky se přemění na nové, často nestabilní a exotické částice, které v běžné přírodě neexistují.

Velký hadronový urychlovač (LHC): Největší a nejvýkonnější urychlovač na světě, umístěný v CERNu na hranicích a . Má obvod 27 kilometrů a právě zde byl objeven Higgsův boson.
Budoucí kruhový urychlovač (FCC): V současnosti se plánuje stavba nástupce LHC, který by měl mít obvod až 100 km a dosahovat ještě vyšších energií. Jeho cílem bude detailněji prozkoumat Higgsův boson a hledat fyziku za hranicemi Standardního modelu.

Detektory částic

Kolem místa srážky v urychlovači jsou postaveny obrovské a komplexní detektory. Tyto přístroje fungují jako gigantické digitální fotoaparáty, které zaznamenávají dráhy, energie a náboje částic vzniklých po srážce. Mezi nejznámější detektory na LHC patří ATLAS a CMS, které se podílely na objevu Higgsova bosonu.

⏳ Historický vývoj

Konec 19. století: Objev elektronu (J. J. Thomson, 1897) ukázal, že atom není nedělitelný.
Počátek 20. století: Ernest Rutherford objevil v roce 1911 atomové jádro a v roce 1918 proton. Byla formulována kvantová mechanika.
1932: James Chadwick objevil neutron a Carl David Anderson objevil pozitron (první objevená antičástice).
50. a 60. léta: V urychlovačích byla objevena celá "zoo" nových částic (hadronů), což vedlo k potřebě jejich systematičtějšího popisu.
1964: Murray Gell-Mann a George Zweig nezávisle na sobě navrhli kvarkový model, který postuloval, že hadrony jsou složeny z menších částic – kvarků. Ve stejném roce Peter Higgs a další teoreticky předpověděli existenci Higgsova mechanismu a Higgsova bosonu.
70. léta: Zformování Standardního modelu, který sjednotil elektromagnetickou a slabou interakci do jediné elektroslabé interakce.
2012: Experimenty ATLAS a CMS v CERNu oznámily objev Higgsova bosonu, čímž potvrdily poslední chybějící článek Standardního modelu.

❓ Otevřené otázky a budoucnost

Přestože je Standardní model neuvěřitelně úspěšný, nedokáže vysvětlit některé klíčové jevy ve vesmíru. To motivuje fyziky k hledání tzv. "nové fyziky" za hranicemi Standardního modelu.

Temná hmota: Astronomická pozorování ukazují, že viditelná hmota tvoří jen asi 5 % vesmíru. Zhruba 27 % připadá na temnou hmotu, záhadnou substanci, která negeneruje světlo, ale projevuje se gravitačně. Její podstata je jednou z největších záhad současné fyziky.
Temná energie: Zbylých 68 % vesmíru tvoří temná energie, která je zodpovědná za zrychlené rozpínání vesmíru. Její povaha je ještě méně pochopena než povaha temné hmoty.
Asymetrie hmoty a antihmoty: Podle teorie by měl při Velkém třesku vzniknout stejný díl hmoty a antihmoty. Náš vesmír je však téměř výhradně složen z hmoty. Proč tomu tak je, zůstává záhadou.
Kvantová gravitace: Standardní model nezahrnuje gravitaci. Sjednocení kvantové mechaniky a obecné teorie relativity do jediné "teorie všeho" je svatým grálem teoretické fyziky. Mezi kandidáty patří teorie superstrun a smyčková kvantová gravitace.
Hierarchie hmotností: Proč mají částice tak rozdílné hmotnosti, od téměř nehmotných neutrin po těžký top kvark? Proč je Higgsův boson relativně lehký? Odpovědi na tyto otázky by mohly přinést teorie jako supersymetrie.

💡 Aplikace v praxi

Základní výzkum v částicové fyzice, ač se může zdát odtržený od reality, přinesl mnoho technologií, které dnes běžně používáme:

World Wide Web (WWW): Byl vyvinut v CERNu v roce 1989 Timem Berners-Leem jako nástroj pro snadné sdílení dat mezi vědci pracujícími na různých experimentech.
Medicínské zobrazování: Technologie vyvinuté pro detektory částic se používají v pozitronové emisní tomografii (PET) a magnetické rezonanci (MRI). Urychlovače se také používají v radioterapii pro léčbu nádorových onemocnění.
Výpočetní technika: Obrovské množství dat z experimentů vyžaduje masivní výpočetní výkon, což vedlo k vývoji distribuovaných výpočetních sítí (tzv. Grid).
Průmysl: Urychlovače se používají pro sterilizaci lékařského vybavení, testování materiálů nebo v elektronové mikroskopii.

🧒 Vysvětlení pro laiky: Vesmírné LEGO

Představte si, že celý vesmír je postavený z kostiček LEGO. Částicová fyzika je věda, která se snaží zjistit, jaké jsou ty úplně nejmenší, dále nedělitelné kostičky a jaká pravidla platí pro jejich spojování.

Fermiony (kvarky a leptony) jsou základní typy kostiček. Máme jich několik druhů – některé jsou těžší (jako velké kostky), jiné lehčí (jako malé destičky). Z těchto kostiček je postaveno vše, co vidíme: vy, stůl, planety i hvězdy.
Bosony jsou jako magnetická síla mezi kostičkami. Některé (gluony) jsou jako superlepidlo, které drží ty nejmenší kostičky (kvarky) pohromadě a nikdy je nepustí. Jiné (fotony) působí na dálku a říkají kostičkám, jak se mají přitahovat nebo odpuzovat.
Higgsův boson je ještě zvláštnější. Představte si, že celý prostor je vyplněn neviditelným sirupem (Higgsovo pole). Když se kostička snaží tímto sirupem pohybovat, klade jí odpor. Některé kostičky proplují snadno (jsou lehké), jiné se v sirupu "brodí" a pohybují se obtížněji (jsou těžké). Tento odpor je to, čemu říkáme hmotnost.
Urychlovač částic je jako obrovské kladivo. Fyzikové vezmou dvě velké stavby z lega (třeba protony), rozbijí je o sebe obrovskou rychlostí a pak zkoumají, na jaké nejmenší kostičky se rozpadly, aby pochopili, z čeho byly původně složeny.

Zdroje