Hadron
Obsah boxu
Hadron (z řeckého ἁδρός, hadrós, což znamená "silný", "statný" nebo "tlustý") je v částicové fyzice označení pro jakoukoliv složenou částici, která je tvořena kvarky a antikvarky drženými pohromadě silnou interakcí. Na rozdíl od leptonů, které se silné interakce neúčastní, jsou hadrony touto silou definovány.
Hadrony se dělí do dvou hlavních kategorií:
- Baryony – složené ze tří kvarků (například proton a neutron). Jsou to fermiony, což znamená, že mají poločíselný spin.
- Mezony – složené z jednoho kvarku a jednoho antikvarku (například pion a kaon). Jsou to bosony, což znamená, že mají celočíselný spin.
Kromě těchto dvou hlavních skupin byly experimentálně potvrzeny i tzv. exotické hadrony, jako jsou tetraquarky (dva kvarky a dva antikvarky) a pentaquarky (čtyři kvarky a jeden antikvark). Téměř veškerá hmota ve vesmíru, s výjimkou temné hmoty, je tvořena hadrony.
📜 Historie a objev
Ve 40. a 50. letech 20. století vedly experimenty s kosmickým zářením a později s prvními urychlovači částic k objevu velkého množství nových částic. Tento prudký nárůst počtu známých částic, jako byly piony, kaony a různé hyperony, vedl k období známému jako "částicová zoo". Fyzikové se potýkali s problémem, jak tuto záplavu částic klasifikovat a pochopit jejich vzájemné vztahy.
Průlom přišel v roce 1964, kdy fyzikové Murray Gell-Mann a George Zweig nezávisle na sobě navrhli kvarkový model. Tento model postuloval, že hadrony nejsou fundamentální částice, ale jsou složeny z menších, elementárnějších složek – kvarků. Původně byly navrženy tři typy (chutě) kvarků: up (nahoru), down (dolů) a strange (podivný). Tento model dokázal elegantně vysvětlit vlastnosti a uspořádání všech tehdy známých hadronů. Například proton byl popsán jako kombinace dvou kvarků up a jednoho down (uud), zatímco neutron jako kombinace jednoho up a dvou down (udd).
Teorie byla zpočátku přijímána s nedůvěrou, protože se nedařilo experimentálně pozorovat volné kvarky. To bylo později vysvětleno konceptem barevného uvěznění (confinement) v rámci kvantové chromodynamiky (QCD), která se stala plnohodnotnou teorií silné interakce. Hluboké nepružné rozptylové experimenty na SLACu na konci 60. let poskytly první přímý důkaz existence kvarků uvnitř protonů a neutronů, což kvarkový model definitivně potvrdilo.
⚙️ Základní vlastnosti
Všechny hadrony sdílejí několik klíčových vlastností, které vyplývají z jejich kvarkové struktury a povahy silné interakce.
Složení
Každý hadron je tvořen kombinací kvarků a/nebo antikvarků. Kvarky, které určují základní kvantová čísla hadronu (jako je elektrický náboj nebo podivnost), se nazývají valenční kvarky. Kromě nich se však uvnitř hadronu nachází také dynamické "moře" virtuálních párů kvark-antikvark a gluonů, které neustále vznikají a zanikají. Gluony jsou nosiči silné interakce a "slepují" kvarky dohromady.
Interakce
Dominantní silou, která působí na hadrony a určuje jejich strukturu, je silná interakce. Síla, která drží pohromadě protony a neutrony v atomovém jádře, je ve skutečnosti jen zbytkovým projevem mnohem silnější interakce mezi kvarky uvnitř těchto hadronů. Hadrony se také účastní slabé interakce (která je zodpovědná za jejich rozpad), gravitace a, pokud mají elektrický náboj, i elektromagnetické interakce.
Barevný náboj a uvěznění
Kvarky nesou specifický typ náboje zvaný barevný náboj (červený, zelený, modrý). Tento náboj nemá nic společného s vizuálními barvami, jedná se pouze o analogii. Základním principem kvantové chromodynamiky je, že v přírodě mohou existovat pouze částice, které jsou "barevně neutrální" (neboli "bílé").
- U baryonů je toho dosaženo kombinací tří kvarků, z nichž každý nese jinou barvu (červená + zelená + modrá = bílá).
- U mezonů je toho dosaženo kombinací kvarku jedné barvy a antikvarku odpovídající antibarvy (např. červená + antičervená = bílá).
Tento princip, známý jako barevné uvěznění (color confinement), vysvětluje, proč nepozorujeme volné kvarky. Energie potřebná k oddělení dvou kvarků roste se vzdáleností. Pokud by se do systému dodalo dostatek energie k jejich "roztržení", tato energie se přemění na vytvoření nového páru kvark-antikvark, což vede ke vzniku dvou nových hadronů namísto izolovaných kvarků.
🔬 Klasifikace hadronů
Hadrony se dělí na základě svého kvarkového složení a spinu.
Baryony
Baryony jsou fermiony (spin 1/2, 3/2, ...) složené ze tří valenčních kvarků. Nejznámějšími baryony jsou nukleony – proton (uud) a neutron (udd), které tvoří jádra atomů. Ostatní, těžší baryony se nazývají hyperony (např. Λ, Σ, Ξ, Ω) a obsahují jeden nebo více těžších kvarků (podivný, půvabný, spodní). Všechny baryony, s výjimkou protonu (který je považován za stabilní), jsou nestabilní a rozpadají se na lehčí částice.
Mezony
Mezony jsou bosony (spin 0, 1, ...) složené z páru kvark-antikvark. Jsou to nosiče zbytkové silné interakce mezi nukleony v jádře. Nejlehčími mezony jsou piony (π), které hrají klíčovou roli v jaderných silách. Dalšími příklady jsou kaony (K), které obsahují podivný kvark, nebo těžší mezony obsahující půvabné (částice J/ψ) či spodní (částice Ypsilon) kvarky. Všechny mezony jsou nestabilní.
Exotické hadrony
V posledních desetiletích experimenty, zejména na LHCb v CERNu, potvrdily existenci hadronů, které nezapadají do jednoduchého schématu baryonů (qqq) a mezonů (qā).
- Tetraquarky: Jsou složeny ze čtyř valenčních kvarků (dvou kvarků a dvou antikvarků).
- Pentaquarky: Jsou složeny z pěti valenčních kvarků (čtyř kvarků a jednoho antikvarku).
Existence těchto částic otevírá nové možnosti pro studium kvantové chromodynamiky v režimu nízkých energií.
💥 Rezonance a rozpad
Většina hadronů je extrémně nestabilní a má velmi krátkou dobu života, často v řádu 10−23 sekundy. Tyto částice se nepozorují přímo, ale jako tzv. rezonance v grafech účinného průřezu srážek jiných částic. Projevují se jako vrchol (peak) v energii, který odpovídá hmotnosti nestabilní částice. Tyto rezonanční hadrony se téměř okamžitě rozpadají prostřednictvím silné interakce na jiné, stabilnější hadrony.
Hadrony, které se nemohou rozpadat silnou interakcí (například kvůli zákonům zachování), mají delší dobu života a rozpadají se prostřednictvím slabé nebo elektromagnetické interakce.
🌌 Hadrony ve vesmíru
Hadrony tvoří drtivou většinu viditelné hmoty ve vesmíru.
- Běžná hmota: Atomy, ze kterých jsme složeni my i vše kolem nás, mají jádra tvořená protony a neutrony.
- Neutronová hvězda: Jsou to extrémně husté pozůstatky hmotných hvězd po výbuchu supernovy. Jsou téměř celé tvořeny neutrony a představují formu tzv. hadronové hmoty. V jejich jádrech mohou existovat i exotičtější formy hmoty, jako jsou hyperony nebo dokonce kvarková hmota.
- Raný vesmír: Několik mikrosekund po Velkém třesku byl vesmír tak horký a hustý, že kvarky a gluony nebyly vázány v hadronech, ale existovaly volně ve stavu zvaném kvark-gluonové plazma. Jak vesmír chladl, došlo k procesu zvanému hadronizace, kdy se kvarky spojily a vytvořily první hadrony.
💡 Pro laiky: Co je to hadron?
Představte si hadron jako malou, neuvěřitelně pevnou "kuličku" hmoty. Uvnitř této kuličky jsou ještě menší částice zvané kvarky, které jsou k sobě "přilepeny" nejsilnější známou silou ve vesmíru. Tato síla je tak obrovská, že je nemožné jeden kvark z kuličky vytrhnout – vždy se okamžitě vytvoří nové částice.
Existují dva hlavní druhy těchto "kuliček": 1. Baryony: Jsou složeny ze tří kvarků. Nejznámější jsou protony a neutrony, které tvoří jádra všech atomů. Téměř veškerá hmota, kterou vidíte kolem sebe (stoly, stromy, lidé), je tvořena právě těmito baryony. 2. Mezony: Jsou exotičtější a kratší dobu žijící částice, složené z jednoho kvarku a jednoho "antikvarku" (jeho protějšku z antihmoty). Hrají důležitou roli při držení protonů a neutronů pohromadě v jádře.
V podstatě, když mluvíme o hadronech, mluvíme o základních stavebních kamenech téměř veškeré viditelné hmoty.