Jak se v současnosti největší urychlovač Tevatron vyrovnává s nastávající ztrátou prvenství?

Vladimír Wagner

Tak už se 10. září urychlovačem LHC úspěšně prohnaly první protony v obou směrech. Zatím to byly pouze dva shluky s relativně malým počtem těchto částic. Čtenáři Osla ví, že doposud nejde o urychlování a protony měly energii, kterou si přinesly z předurychlovače. Na Oslovi už jsou podrobné informace o tom, jak postupně spouštění bude probíhat a jak je to složitý proces. Čtenář si zde může přečíst o tom, jak urychlovač LHC i jeho experimenty vypadají, co se od nich očekává a proč se jeho spuštění nemusí obávat. My se nyní blíže podíváme na jeho předchůdce, který zatím pořád ještě drží první místo mezi urychlovači. Fyzikové v americké Fermiho národní urychlovačové laboratoři (zkráceně se často označuje jako Fermilab) poblíž Chicaga, kteří na tomto urychlovači s názvem Tevatronu pracují, se snaží finišovat se svými výzkumy. Intenzita jejich úsilí se stále zvyšuje, jak se blíží reálné spuštění urychlovače LHC. Ten první příčku Tevatronu vezme a odsune ho na druhou pozici. Dnes se tedy budeme věnovat urychlovači Tevatron a posledním objevům, které se pomocí tohoto zařízení podařilo získat.

 
A je to! Tak už jsme LHC spustili (zdroj – neznámý tajný agent v CERNu – fotografie bez odesilatele nalezená v poště).
 
Tevatron
 

V povídáních o urychlovači LHC jsem podrobně tento urychlovač popsal. Podívejme se, jak se urychlovače LHC a Tevatron od sebe liší. Oba urychlovače jsou srážeče, které urychlují dva svazky částic proti sobě. Tevatron na rozdíl od LHC má tyto svazky různé. LHC urychluje v obou svazcích protony a Tevatron má jeden svazek také protonový. Druhý svazek je však složen z antiprotonů. Výhodou využití antiprotonů je, že díky tomu, že mají opačný náboj, je stejné magnetické pole vychyluje na opačnou stranu ve směru kolmém vůči směru jejich pohybu než je tomu u protonu. Stejné magnetické pole tak můžeme použít při udržování protonů i proti ním letících antiprotonů na správné dráze. Svazky protonů i antiprotonů tak mohou letět ve stejné trubicí a magnety mají jednodušší konstrukci. Nevýhodou naopak je, že antiprotony, které budeme urychlovat, musíme předem vyrobit a většinou má tak svazek antiprotonů řádově nižší intenzitu, než svazek protonů.

 

 
Letecký snímek Tevatronu (zdroj Fermilab).
 

Připomeňme si, jakým způsobem se získávají antiprotony, které se mají urychlovat. Lze to ve srážkách částic, které mají energii vyšší než je energie odpovídající hmotnosti dvou protonů (tedy zhruba 2 GeV). Antičástice se totiž může produkovat jen v páru s částicí. Pochopitelně je ale s rostoucí energií svazku produkce antiprotonů intenzivnější. V případě Tevatronu se protony urychlené na energii 120 GeV nasměrují na velký terč z niklu. Ve srážkách protonů s jádry niklu se produkuje velké množství částic a mezi nimi i antiprotony. Ty se pomocí důmyslného systému elektrických a magnetických polí vyberou a jejich čistý svazek se nasměruje do tzv. akumulačního prstence, kde obíhají. V okamžiku, kdy se jich nashromáždí dostatečný počet, jsou poslány do předurychlovače, kde obdrží potřebnou energii a rychlost, aby mohly být vstříknuty do Tevatronu.

 

 
Urychlovací trubice jednoho z předurychlovačů (zdroj Fermilab).
 
 
 

Do samotného Tevatronu se tedy protony i antiprotony dostanou po urychlení v několika „předurychlovačích“ a v té době mají energii 150 GeV. Tevatron je pak urychlí na energii 1000 GeV =1 TeV (teraelektronvolt). Z toho pochází i název Tevatron. Tevatron byl postaven v roce 1987 a od té doby jsou jeho parametry neustále zlepšovány, Hlavně pak intenzity obou svazků a počty srážek.

Experimenty D0 a CDF

Stejně jako u LHC bylo pro studium srážek protonů postaveno několik velkých detekčních zařízení. Urychlovač Tevatron využívají dvě velká experimentální zařízení s názvem D0 a CDF. Každé má hmotnost okolo 5000 tun. Jejich konstrukce je zároveň podobná i se liší od konstrukce experimentů urychlovače LHC, které jsme si podrobně popsali. Zase se tu musí vyskytovat detektory blízko místa srážky, které zaznamenávají s přesností zlomků milimetru dráhu rychle se rozpadajících částic, přesné velké dráhové detektory a velké kalorimetry, které dokáží zachytit i ty nejenergetičtější částice. Zase se k určení náboje a hybnosti částice využívá magnetické pole velkých magnetů. Také na experimentech ve Fermilabu se podílejí čeští fyzici.

Experiment D0 (zdroj Fermilab).

Standardní model struktury hmoty

Současnou teorii, která popisuje strukturu hmoty a označuje se jako standardní model hmoty a interakcí, jsem na Oslovi již popisoval. Proto bych jen krátce zopakoval pár skutečností, které se nám budou hodit v dalším vyprávění. Podle standardního modelu se celá komplikovanost světa, který nás obklopuje, skládá ze dvou typů částic hmoty. Jedná se o kvarky, které silná interakce váže do částic označovaných jako hadrony, a leptony, na které silná interakce nepůsobí. Mezi těmito částicemi pak působí tři typy interakcí – silná, elektromagnetická a slabá (gravitační interakce je tak slabá, že její účinek v mikrosvětě zanedbáváme). Interakce jsou také zprostředkovány částicemi. Jedním z důležitých rozdílů mezi částicemi hmoty a částicemi interakcí je rozdílný vnitřní moment hybnosti označovaný jako spin. Částice hmoty jsou fermiony, protože mají spin velikosti poloviny násobku tzv. Planckovy konstanty. Částice interakcí mají spin, který má hodnotu celočíselného násobku Planckovy konstanty nebo nula. Existuje šest typů kvarků a šest typů leptonů, které se řadí do tří generací. Kvarky každé další generace mají značně větší hmotnosti. Tyto hmotnosti jsou postupně m(d) = 0,002 GeV/c², m(u) = 0,005 GeV/c², m(s) = 0,095 GeV/c², m(c) = 1,25 GeV/c², m(b) = 4,5 GeV/c², m(t) = 172 GeV/c². O experimentálních důkazech, které říkají, že neexistuje více než tři známé rodiny částic hmoty, jsem se už na Oslovi zmiňoval. Proto lze říci, že z částic hmoty jsme už pozorovali všechny. Jediná částice, jejíž existenci zbývá prokázat, patří mezi částice interakcí a je jí Higgsův boson, který by měl být zodpovědný za hmotnost částic.

Náš svět je poskládán z částic mezi kterými působí interakce, které jsou zprostředkovány opět částicemi. Na obrázku jsou částice, které patří do standardního modelu. Každá z částic hmoty má ještě svoji antičástici.

Jak jsem už zmínil, všechny kvarky v našich normálních podmínkách jsou vázány do hadronů. Ty jsou dvojího typu. Lehčí mezony, které se skládají z kvarku a antikvarku, a těžší baryony, které se skládají ze tří kvarků (antibaryony ze tří antikvarků). Mezi baryony patří například i proton (skládá se z kvarků ) a neutron (skládá se z kvarků ). Za normálních podmínek existují pouze hadrony složené z kvarků první generace. Všechny složené i z těžších kvarků musíme připravit pomocí urychlovačů. To, že jsou baryony složené z kvarků se projevuje tím, že se grupují do skupin (multipletů), které mají specifické vlastnosti. Důležitou vlastností baryonu je jeho spin. Ten vzniká u baryonů, které mají kvarky v základním stavu, složením spinů jednotlivých kvarků, které baryon tvoří. Jestliže je orientace projekce spinů všech kvarků jedním směrem, má výsledný baryon spin 3/2. Jestliže je orientace projekce spinu jednoho z nich ve směru opačném, je hodnota spinu výsledného baryonu 1/2. Tak je tomu například u protonu a neutronu. Máme tak multiplety baryonů se spinem 1/2 a multiplety se spinem 3/2. Objev předpověděného baryonu W^- s multipletu se spinem 3/2 složeného ze tří kvarků s se stal ve své době hlavním potvrzením kvarkového modelu hadronů.

Baryony se díky své kvarkové struktuře řadí do multipletů částic, které mají blízké hmotnosti. Na obrázku je zobrazení multipletů baryonů složených ze tří nejlehčích kvarků u, d a s se spinem 1/2 (jeden z kvarků má opačnou orientaci tohoto vnitřního momentu hybnosti) a 3/2 (všechny tři kvarky mají stejnou orientaci spinu). Náročnější čtenář může podrobnější vysvětlení systematiky hadronů a veličin spinu J, náboje Q, podivnosti S a izospinu T_z v článku, jehož odkaz je zmíněn před závěrem tohoto článku.

Stav hledání Higgsova bosonu

Higgsův boson je poslední částicí standardního modelu a jeho ulovení je snem každého experimentálního částicového fyzika. Více o „soupeřeni“ amerických a evropských fyziků při lovu higgse jsem před léty psal v článku pro časopis Kozmos. V roce 2000 se uzavřel urychlovač LEP v laboratoři CERN, který urychloval a srážel elektrony a pozitrony, aniž by higgse objevil. Prokázalo se pouze, že, pokud higgs existuje, musí být jeho hmotnost vyšší než zhruba 110 GeV/c². Otevřela se tak možnost pro urychlovač Tevatron k získání tohoto vavřínu.

Následující léta tak byla spojena s neustálým zvyšováním počtu srážek protonů a antiprotonů na Tevatronu a vylučováním stále dalších oblastí hmotností, které by higgs mohl mít. Na rozhraní letošního července a srpna ohlásili fyzikové pracující na obou experimentech Tevatronu, že společně analyzovali všechna svá dosavadní získaná data. Celkovou statistiku pozorovaných srážek, ve kterých hledali higgse, tak zdvojnásobili. Spolupráce umožnila data zkombinovat, porovnat a vzájemně zkontrolovat. Experimentátorům se tak podařilo prokázat neexistenci higgse s hmotností okolo 170 GeV/c². To už dost hodně zmenšilo rozsah hmotností, které higgs může mít. Zároveň tak také ukázali potenciál Tevatronu při hledání Higgse i v dalších oblastech jeho možných hmotností. Díky zlepšování parametrů jak urychlovače tak i experimentů by se měla statistika pozorovaných srážek do roku 2010 oproti současné zdvojnásobit.

Jak ukazují poslední publikované výsledky, fyzikové okolo Tevatronu zatím boj o Higgse nevzdávají. Snaží se využít všechny možnosti, které jim jejich urychlovač dává, i veškerý čas, který uplyne před plným rozběhem evropského urychlovače LHC, který spadá právě do toho zmíněného roku 2010.

Objev a přesné znalosti vlastností nejtěžšího kvarku t

Asi největším objevem učiněným na Tevatronu je potvrzení existence šestého nejtěžšího kvarku t, které se podařilo v roce 1994 experimentu CDF. Jelikož už žádný další kvark s největší pravděpodobností nebude, zůstane mu tak navždy skalp posledního uloveného mohykána. Od té doby se zlepšily parametry urychlovače (hlavně intenzity svazků) a vyprodukoval se velký počet kvarků t. To umožnilo poměrně přesně určit jeho hmotnost, která je 172,5 GeV/c², což je téměř 184krát více než hmotnost protonu. Zajímavou vlastností kvarku t je, že se i díky této velké hmotnosti rozpadá tak rychle, že nestihne vytvořit s jinými částicemi vázané hadrony, takže Tevatron ani LHC nemohou produkovat hadrony s tímto kvarkem a částice s druhým nejtěžším kvarkem b tak zůstanou těmi nejtěžšími hadrony. Je potřeba zdůraznit, že v těchto případech mluvíme o rozpadu jen z historických důvodů. Kvark nemá strukturu, která by se rozpadala na složky, ale přeměňuje se za vzniku jiných částic.

Střední část experimentu CDF, který objevil kvark t (zdroj Fermilab).

Zkoumání vlastností kvarku t je velmi důležité pro pochopení toho, jak se vytváří hmotnost a je důležitým krokem v pochopení fyziky za standardním modelem. Proto se jeho zkoumání plánuje i na LHC, kde bude jejich produkovaný počet řádově vyšší.

Nové hadrony

Jak už jsem zmínil jsou částice obsahující druhý nejtěžší kvark b těmi nejtěžšími a tím i nejexotičtějšími. To se týká hlavně baryonů, tedy částic, které jako proton nebo neutron obsahují tři kvarky. Jejich produkce potřebuje ty největší urychlovače. Proto je objev řady z nich spojen právě s urychlovačem Tevatron. Jejich hledání není vůbec jednoduché. Pravděpodobnost jejich vzniku je velmi malá a rozpadají se postupně, takže nakonec je třeba ulovit a identifikovat řadu částic, které po nich zůstávají a prokázat, že vznikly v rozpadu právě hledaného exota.

Baryony se spinem 1/2 s kvarky u,d,s a b v základním stavu (zdroj Fermilab). Nejnižší úroveň bez kvarku b byla známa do spuštění Tevatronu. Druhá úroveň s jednim kvarkem b se začíná vyplňovat pomocí Tevatronu. K částicím se dvěma kvarky b třeba proniknou experimenty na urychlovači LHC. V podobném obrázku, který by ukazoval baryony se spinem 3/2 by se vyskytovala i částice se třemi kvarky b, podobně jako se tam nachází zmíněná částice W se třemi kvarky s.

V říjnu 2006 ohlásili fyzici experimentu CDF objev dvou takových částic, které se označují jako S_b⁺ a S_b^- a jsou složené z kvarků uub a ddb. Překopáním sta bilionů srážek se podařilo najít 103 S_b⁺ a 134 S_b^- částic.

V červnu roku 2007 pak přišli ke slovu fyzici experimentu D0 objevem ještě těžší částice Ξ_b^-, která je složená z kvarků dsb. Její hmotnost je zhruba šestkrát větší než je hmotnost protonu (přesněji 5,774±0,019 GeV/c²). Jednalo se o první objevenou částici, která se skládala z kvarků ze všech tří rodin.

Rozpad částice Ξ_b^- napřed na částice obsahující kvarky c a s a pak na částice složené pouze z nejlehčích u a d kvarků

V tradici každoročního objevu nového baryonu s kvarkem b pokračoval v tomto roce opět experiment D0. Začátkem září prezentoval objev ještě exotičtější částice W_b^- , která se skládá z kvarků ssb. Rozborem celkově stovky bilionů srážek našli fyzikové osmnáct těchto částicových klenotů. Její hmotnost je ještě větší než částice Ξ_b^-, konkrétně zhruba 6,2 GeV/c². Z částic označovaných značkou W jsme nejznámější, která se skládá ze tří kvarků s, už zmínili. Její předpověď a následný objev přesvědčil fyziky, že se hadrony skládají z kvarků. Na ní se také nově objevená částice rozpadá. Současně vzniká stejně jako v předchozím případě mezon J/y.

U všech zmíněných nově objevených částic se musí během jejich rozpadu přeměňovat kvark b na lehčí kvark s patřící k předchozí generaci. Taková přeměna kvarku b na kvark nižší generace může probíhat jen pomocí slabé interakce. Silná interakce má takové přeměny zakázány. Proto je takový rozpad silně zpomalen. I tak se však díky své velké hmotnosti rozpadá W_b^- velice rychle. Existuje zhruba biliontiny sekundy. Částice se pohybuje téměř rychlostí světla a přesto díky této krátké době života urazí před svým rozpadem dráhu dlouhou pouze několik milimetrů.

Rozpad částice W_b^- napřed na částice obsahující kvarky c a s a pak na částice složené pouze z nejlehčích u a d kvarků

Tato série objevů doplňuje „periodickou tabulku“ těmi nejtěžšími baryony. Takový výzkum není samoúčelný, sloužící k potěše takových encyklopedistů jako jsem já. Je klíčový pro pochopení silné interakce, která váže kvarky do hadronů a to, jakým způsobem vzniká hmotnost těchto částic. Mezi baryony, které tvoří lehké kvarky a těžké kvarky, je totiž jeden podstatný rozdíl. U protonu s lehkými kvarky totiž samotná klidová hmotnost kvarků tvoří méně než jedno procento hmotnosti této částice. Zbytek klidové hmotnosti protonu je dán pohybem kvarků a hlavně silnou interakcí mezi nimi. Hmotnost částic Ξ_b^- a W_b^- obsahujících těžký kvark je naopak dominantně dána klidovými hmotnostmi kvarků.

Pro náročnější čtenáře nebo studenty je podrobnější povídání o struktuře i exotických hadronů a jak se hledají částice pomocí jejich produktů rozpadů s využitím určení jejich klidové (invariantní) hmotnosti i s ukázkou výpočtů v článku psaném pro časopis Kozmos.

LHC se chystá vystřídat na čelní pozici Tevatron. První protony oběhly celý kruh urychlovače LHC. Velín urychlovače v době oběhu prvních protonů (zdroj CERN)

Tevatron a LHC

Prozatím se předpokládá, že experimenty na Tevatronu budou pokračovat až do roku 2010, což je, jak už jsme si připomněli, zhruba doba, kdy by měl urychlovač LHC dosáhnout předpokládaných parametrů. Fyzikové, kteří na něm pracují se pokusí využít všech možností, aby ve všech třech oblastech, které jsme zmínili, pokročili co nejdále. Zároveň však bude probíhat přesun těžiště v hledání higgse (nebo zkoumání jeho vlastností, pokud jej Tevatron objeví), zkoumání vlastností kvarku t i hledaní a studium baryonů obsahujících těžký kvark b na experimenty urychlovače LHC. Lze očekávat, že zdravé soutěžení mezi oběma laboratořemi zajistí jednak zrychlení zkoumání, ale také nezávislou kontrolu získaných výsledků. V každém případě se máme na co těšit.

---