Od objavenia atómov prešlo naše porozumenie mikrosvetu veľmi dlhú cestu, ale skúmanie fyziky elementárnych častíc sa ešte určite neskončilo. Ako to vieme?
V prvých deviatich dieloch série Ako to vieme? sme si povedali, ako ľudia odhaľovali zloženie hmoty a zákony, ktoré pre ňu platia. Dozvedeli sme sa, že pri malých vzdialenostiach riadi elementárne častice kvantová mechanika, pri veľkých vzdialenostiach podlieha dynamika vesmíru všeobecnej teórii relativity. Od objavu týchto teórií sme v porozumení pravidlám prírody pokročili, ale stále sme ďaleko od úplného pochopenia fundamentálnych zákonov. Preto sa od teraz budeme pýtať: Ako vieme, čo nevieme? Čo a prečo nám chýba na porozumenie fyzikálnych zákonov? Aké by to asi mohlo mať rozuzlenie?
Nerozdeliteľné
Základnými stavebnými prvkami všetkého, čo sa vo vesmíre nachádza, sú elementárne častice. Maličké kúsky hmoty, ktoré sa podľa rôznych pravidiel spájajú do väčších častíc a tie sa potom spájajú do ešte väčších atómov a molekúl. Tieto stavebné kúsky a fyzikálne zákony, ktoré ich priamo riadia, popisuje teória nazývaná štandardný model elementárnych častíc. Elementárne častice sa dajú rozdeliť do troch skupín. Kvarky, leptóny a bozóny. Kvarky sa v prírode nikdy nenachádzajú samostatne a vždy sú pospájané do komplikovanejších častíc, ako je protón alebo neutrón.
Leptóny sú elektróny, ich ťažšie verzie sú muón a tau, a neutrína. Bozóny sú sprostredkovateľmi interakcií medzi časticami. Mediátorom elektromagnetickej sily sú fotóny. Kvarky spája interakcia, ktorú nesú častice nazývané gluóny. Potom sú tu W a Z bozóny, ktoré majú na svedomí pôsobenie s názvom slabá interakcia, a Higgsov bozón. Interakciou s ním ostatné elementárne častice získavajú hmotnosť. Ku každej elementárnej častici v štandardnom modeli elementárnych častíc ešte existuje antičastica, dvojička s rovnakou hmotnosťou, ale opačným nábojom. Veru, nie je toho málo. Čo myslíme pod fundamentálnosťou tejto teórie? Jej častice sa nedajú rozdeliť na nič menšie. Napríklad taký protón je spojením troch kvarkov a veľkého množstva gluónov, ale pod túto úroveň to už nejde. Preto sú aj komplikované objekty ako protóny, molekuly alebo lietadlá v konečnom dôsledku popísané zákonmi štandardného modelu. Nie je to jednoduché, v systémoch množstva častíc vznikajú nové efekty. Povedať niečo o protóne z pravidiel štandardného modelu je ťažké, nieto ešte o molekulách alebo lietadlách. Keď však delíme veci na menšie a menšie kúsky, zastavíme sa pri týchto elementárnych časticiach a ďalej už ísť nevieme.
Na hrane našich možností
Štandardný model je taká zvláštna teória. Jej názov je veľmi neoriginálny, vznikala relatívne dlho, od začiatku päťdesiatych do polovice sedemdesiatych rokov minulého storočia, ani zďaleka nie je prácou jedného človeka alebo malej skupiny ľudí. Zároveň dostáva na hranu naše technické možnosti. Na jej experimentálne testovanie slúžia tie najkomplikovanejšie zariadenia, aké ľudia kedy vybudovali. Niekedy počas jej tvorby sa úplne naruby obrátil zaužívaný postup vedeckého bádania. Zväčša sa niečo experimentálne objaví a potom sa to teoreticky popíše. No v časticovej fyzike v istom momente teória začala predbiehať experiment. Na vysvetlenie pozorovaných javov vedci predpovedali nové vlastnosti a častice, ktoré niekedy experimentátori hľadali veľmi dlho. Napríklad Higgsov bozón, poslednú časticu štandardného modelu elementárnych častíc, sa podarilo definitívne nájsť až v roku 2012, teda 48 rokov po tom, ako jej existenciu vyžadovala teória. A na pozorovanie nejakých nových dejov zatiaľ čakáme.
Zoo elementárnych častíc
V štyridsiatych a hlavne päťdesiatych rokoch 20. storočia experimentálni fyzici postupne objavovali nové častice. Boli ich desiatky a dostávali rôzne mená ako pión, kaón, Lambda, Sigma a podobne. Takmer všetky z týchto častíc boli veľmi nestabilné a za zlomky sekundy sa rozpadali na ľahšie častice. Zo sledovania rozpadov sa dali vydedukovať vlastnosti častíc, či sú elektricky nabité, s akými časticami sa vedia spájať, na aké častice sa vedia rozpadať a podobné vlastnosti. Spolu s dlhšie známymi časticami ako protón a neutrón sa to celé podobalo na zoo s množstvom zaujímavých, často exotických zvierat. Úloha teoretických fyzikov bola nájsť v tejto záplave informácií nejaký systém a dať mu pravidlá. Ako smerovník im slúžila teória kvantovej elektrodynamiky, ktorá vo svojej finálnej podobe z roku 1948 úspešne spojila princípy kvantovej mechaniky a špeciálnej teórie relativity. No cesta sa ukázala veľmi komplikovaná. V roku 1954 matematici prepísali teóriu elektrodynamiky tak, že sa dala ľahko zovšeobecniť. V rokoch 1964 – 1967 prišli fyzici postupne na to, ako konkrétne toto zovšeobecnenie má vyzerať, aby popisovalo slabé interakcie, dokonca spoločne s elektromagnetizmom, a to aj za cenu existencie dovtedy nepozorovaných, hmotných verzií fotónu. Ich hmotnosť naviac musela vznikať interakciou s ďalšou novou časticou. Predpovede sa postupne naplnili, W a Z bozóny boli objavené v roku 1983 a Higgsov bozón v roku 2012. Prvý raz sa nápad zloženia pozorovaných častíc z kvarkov objavil v roku 1964, čisto zo vzťahov medzi nimi. Po tom, ako bola v roku 1969 objavená štruktúra protónu, sa podarilo v roku 1973 konzistentnú teóriu kvarkov napísať, a to opäť ako zovšeobecnenie kvantovej elektrodynamiky. Teória predpovedala ťažšie, dovtedy nepozorované kvarky. Tie boli objavené v rokoch 1974, 1977 a 1995.
Mgr. Juraj Tekel, PhD.
Katedra teoretickej fyziky
FMFI UK v Bratislave
Foto Fotky & Foto