Jak se zkoumá narušení chirální symetrie

aneb

jak mi vládce podsvětí pomůže zjistit, proč má půvabná ženuška váží 64 kilo, místo méně než 1.4 kg, jak by se dalo očekávat

 

Vladimír Wagner

 

Vždycky po Vánocích si má ženuška stýská. Jak to, že ta váha ukazuje tolik - skoro 64 kilo. V těch chvílích mám chuť jí vysvětlit, že je to tím, že kdysi dávno došlo v tomto světě k narušení chirální symetrie. Ale radši toho nechám, protože by si myslela, že nechápu hloubku problému a dělám si z ní legraci. Řeknu jí jen, že je docela hubená a mně by se moc líbila i s pár kily navíc. Za šprýmaře jsem ale označen stejně. Tak se jí to pokusím ve svém velmi předčasném vánočním povídání vysvětlit aspoň teď.

Jak dnes víme, skládá se lidské tělo z molekul a ty z atomů. Atom je složen z atomového jádra, které obsahuje téměř veškerou jeho  hmotnost, a oblaku elektronů. A tak je naše váha dána hmotností atomových jader našeho těla. Atomové jádro je pak složeno ze dvou druhů částic - protonů a neutronů. A ještě pořád nejsme u konce skládanky. Právě následující krok nás přivádí ke zmíněnému narušení chirální symetrie. Je totiž spojen s velkou záhadou.
 
 

Proč je to pravě těch 64 kg?

Možná nám to objasní srážky těžkých jader.

Záhada původu hmotnosti částic

Protony a neutrony jsou každý tvořen třemi kvarky. Proton dvěma kvarky u a jedním d, neutron dvěma kvarky d a jedním u. Na rozpor narážíme, když se podíváme na hmotnosti protonu a neutronu a kvarků, ze kterých se skládají. Než si je řekneme, musíme si něco říci o jednotkách, které při určování hmotnosti částic používají jaderní fyzikové. Využívají toho, že Albert Einstein objevil ekvivalenci mezi hmotností a energií a hmotnosti vyjadřují v jednotkách energie. Protože hmotnosti částic jsou velmi malé, musí se použít i příslušně malé jednotky - namísto jednotky kg se používá jednotka MeV (okolo 2x10-30kg). Hmotnosti protonu a neutronu jsou velmi blízké (938.3 MeV a 939.6 MeV) a hmotnosti volných kvarků u a d se odhadují v rozmezí 1 - 5 MeV a 3 - 9 MeV. A tedy i pro nejvyšší přípustné hodnoty platí poněkud zvláštní rovnice:

5 + 5 + 9 = 938.3   a   5 + 9 + 9 = 939.6

Jak se to najednou stalo, že hmotnost volných kvarků při jejich spojení do protonu a neutronu tak hrozně nabobtnala? Jsou za to zodpovědné síly (nazýváme je silné interakce), které kvarky do částic spojují. A to ty jejich vlastnosti, které jsou spojeny se symetriemi ve světě těchto sil působícími a jejich narušeními. V normálních podmínkách nemohou volné kvarky existovat. Ve světě s narušenou chirální symetrií musí být vždy se svými kamarády uvězněny v částicích, jako je třeba proton. Volné kvarky se mohou vyskytovat jen v prostředí s velmi vysokou hustotou energie - ve velmi hustém (1015g/cm3) a horkém (1012K) prostředí. V takovém prostředí dojde k znovuobnovení chirální symetrie a kvarky se zbaví přebytečných kil. Tedy vlastně MeVů.

Jak lze zkoumat horkou a hustou jadernou hmotu

A jak můžeme takového znovuobnovení chirální symetrie docílit a prozkoumat ho? Je to velice těžké, protože teploty a hustoty, kterých potřebujeme dosáhnout, se vyskytují při výbuchu supernovy nebo tu byly krátce po Velkém třesku. Jak však takových teplot a hustot dosáhnout v laboratoři? Řešení se přece jen našlo a recept není zas tak složitý. Vezmeme atomové jádro. Vybereme co nejtěžší, abychom požadované hmoty získali co nejvíce. Pak je vložíme do urychlovače a donutíme, aby běhalo rychlostí blízkou rychlosti světla. Na rozdíl od lidí, kteří tělocvikem hubnou, se hmotnost jádra (jak víme už od A. Einsteina) zvýší a urychlením také získá velmi vysokou energii. A pak je srazíme s jiným jádrem. V místě srážky vznikne velmi horká a hustá jaderná hmota. Čím je energie urychleného jádra vyšší, tím je vyšší i dosažená hustota a teplota.

Takové prostředí však vzniká jen na velmi kraťounký okamžik (10-22s). Jak tedy můžeme prozkoumat jeho vlastnosti? Využijeme toho, že během srážky vzniká spousta různých částic, jejichž vlastnosti jsou prostředím, ve kterém vznikly, ovlivněny. Ty musíme pomocí důmyslných detektorů pochytat a pak nám poví, jaká byla v místě srážky teplota, hustota, jaká tam byla forma hmoty a do jaké míry se obnovila chirální symetrie. A právě to poslední nás momentálně zajímá nejvíce. Jak jsme si před chvílí řekli, vede obnovování chirální symetrie ke ztrátě hmotnosti kvarků a tím i k hubnutí částice, kterou tvoří. Pokud je teplota a hustota taková, že se nastolí chirální symetrie úplně, dostáváme volné "lehké" kvarky a zřejmě nový stav hmoty - kvark-gluonové plazma. Ale to už je jiná historie.

Míru obnovení chirální symetrie můžeme tedy určit tak, že si potěžkáme částici uvnitř horké a husté hmoty. K tomu si vybereme nějakou boubelatou, aby byla změna hmotnosti co nejvíce patrná. Navíc musí mít taková částice velmi krátkou dobu života. To proto, aby se rozpadla uvnitř horkého a hustého prostředí a vlivem ochlazení nám opět neztěžkla. Ono je to v souhlase s předchozím požadavkem, neboť i pro částice někdy platí, že větší hmotnost znamená kratší život. Navíc se musí rozpadat na takové částice, které bez ovlivnění projdou okolním hustým prostředím. Jen takové nám po jejich zachycení umožní rekonstruovat přesně hmotnost své mateřské částice. Takovými částicemi jsou například elektron a jeho antihmotný protějšek pozitron. Je to způsobeno tím, že na ně nepůsobí právě silná interakce.

Experiment HADES

Jednou z vhodných částic je ro mezon. Jeho hmotnost je 770 MeV a doba života 0.3x10-23s a mimo jiné se rozpadá na elektron a pozitron. A právě tuto částici si pro zkoumání narušení chirální symetrie vybrala mezinárodní skupina fyziků, která buduje zařízení HADES. Tím se dostáváme k tomu bohu podsvětí zmiňovaném v nadpise. Ovšem HADES je i zkratkou pro anglický název High Acceptance Di-Electron Spectrometer. Volně převedeno do češtiny je to spektrometr elektronových párů s vysokou akceptancí. Toto zařízení bude zachycovat dvojici elektronu a pozitronu, která vzniká v rozpadu ro mezonu. Horká a hustá hmota se získá při srážce jader urychlených urychlovačem SIS v německé laboratoři GSI Darmstadt, kde se HADES buduje.

Chytit páry není vůbec jednoduché, protože ro mezon se na elektron a pozitron rozpadá jen s velmi malou pravděpodobností 5x10-5 a navíc vyletuje z místa srážky spousta dalších částic. Na jeden pár pozitron a elektron tak připadá více než 100 000 jiných částic. Proto je důležité, aby soustava detektorů dokázala odlišit hledané částice od ostatních. Můžeme však s výhodou využít toho, že ostatní částice jsou většinou pěkní cvaldové a to se projeví i na jejich pohybu. Zatímco tedy elektrony a pozitrony se pohybují rychlostmi blízkými rychlosti světla, tak ostatní částice se pohybují mnohem pomaleji. Srdcem HADESu je Čerenkovův detektor, který využívá toho, že částice, která se pohybuje rychlostí blízkou rychlosti světla ve vakuu, se v prostředí může pohybovat rychleji, než je rychlost světla v tomto prostředí. V takovém případě vyzařuje tato částice Čerenkovovo světlo. Lze tedy odlišit rychlé elektrony a pozitrony, které vyzařují Čerenkovovo světlo, od pomalých cvaldů, kteří je nevyzařují.

Rozlišení částic na základě rychlosti provádí i další typ detektoru, který měří dobu letu částice z místa srážky k detektoru. Ten spolu s italskými a slovenskými budují čeští fyzikové y Ústavu jaderné fyziky AVČR a Optických dílen MFF UK. Na uvedených i dalších detektorech se kromě zmíněných a pochopitelně Němců podílejí Francouzi, Poláci, Rusové a Španělé. Velmi důležitou součástí spektrometru je i velký supravodivý magnet, který umožňuje určit hybnosti a náboje částic.

 

Budování HADESu je spousta práce. 

Ale díky studentům postupuje dopředu.

Díky intenzivní práci hlavně studentů a doktorandů (i z Česka), kteří tak dostávají možnost se přímo podílet na špičkovém mezinárodním projektu, je HADES již z velké části dokončen a v tomto roce se začíná s prvními fyzikálními experimenty, které by měly přispět nejen k našemu poznání průběhu narušení chirální symetrie a původu hmotnosti částic.

Takže, milé české dámy, vidíte, že i vaši čeští fyzikové velice intenzivně pracují na tom, aby zjistili, proč a jak došlo k tomu, že se náš svět kdysi překulil z ideálního světa chirální symetrie, kde by vaše váha byla něco málo přes kilo, do toho dnešního reálného s těmi hodnotami, které po Vánocích vidíte na svých osobních vahách.

V Řeži 25. 10. 2001

 


Zpet