Jak se vyznat ve všemožných částicích?

Vladimír Wagner

ÚJF AVČR Řež a FJFI ČVUT Praha

V diskuzi k článku o vesmírném lovu antičástic a antijader vznikajících i z anihilace neutralina si jeden čtenář povzdychl, že se nemůže vyznat ve všech těch už potvrzených i hypotetických částicích, které se objevují ve fyzikálních článcích. Proto jsem se pokusil o jejich přehled. Kolegům se už dopředu omlouvám za přílišné zjednodušení a nepřesnosti a čtenářům za přílišnou složitost a malou čtivost.

Částice jsou mikroskopické objekty a při popisu jejich často velmi neobvyklých vlastnosti se neobejdeme bez kvantové fyziky. Tím jsou ovlivněny hodnoty fyzikálních veličin, které je charakterizují. Z těch základních jsou to například hmotnost, elektrický náboj, rozměr a doba života, pokud částice není stabilní. Velmi důležitou vlastností je vnitřní moment hybnosti částice, který se označuje jako spin. Ke kvantovým vlastnostem patří, že některé fyzikální veličiny mohou nabývat jen přesně dané hodnoty. Je tomu tak třeba u elektrického náboje (náboje částic jsou násobky náboje elektronu) a také u zmiňovaného spinu. Ten může nabývat hodnoty celočíselného (0, 1, 2, 3 ...) nebo poločíselného (1/2, 3/2, 5/2 ...) násobku tzv. Planckovy konstanty. Částice s celočíselným spinem se označují jako bosony a částice s poločíselným spinem jako fermiony. Chování bosonů a fermionů je velmi rozdílné. Fermiony bychom mohli označit jako nesnášenlivé částice – v jednom stavu nemůže být více než jeden úplně stejný fermion. Bosony jsou pak částice snášenlivé – v jednom stavu jich může být neomezeně. Fermionem je například elektron a tímto faktem jsou dány vlastnosti atomového obalu i veškerá chemie. Částice jsou charakterizovány ještě řadou dalších fyzikálních veličin, které jsou specifické pro mikrosvět. Zmíníme je však pouze v případě potřeby.

Částice standardního modelu.

Veškerá komplikovaná struktura a rozmanitost našeho světa je tvořena částicemi, mezi kterými působí interakce. Dnes víme, že interakce jsou zprostředkovány výměnou částic, říká se jim intermediální bosony. Standardní model, který je současným popisem struktury hmoty a interakcí, se tak skládá z částic hmoty a částic interakcí. Současně jsou jeho součástí teorie, které tři druhy interakcí, které v mikrosvětě působí, popisují. Těmito interakcemi jsou silná interakce, elektromagnetická interakce a slabá interakce. Částice hmoty jsou fermiony a částice interakcí jsou bosony.

Přehled částic standardního modelu, u částic hmoty má každý kvark a lepton svého antihmotného partnera. Kvarky a antikvarky se pak vyskytují ve třech variantách s různým nábojem silné interakce (barvou). Označuje se většinou jako červená, modrá a zelená.

Částice hmoty

Částice hmoty se dělí do dvou skupin. V jedné skupině je šestice kvarků a v druhé šestice leptonů. Leptony interagují pouze slabou a pokud jsou elektricky nabité i elektromagnetickou interakcí. Kvarky interagují navíc silnou interakcí. Velikost náboje kvarků je buď třetina nebo dvě třetiny náboje elektronu. Tyto šestice kvarků a leptonů se po dvojicích dělí do tři rodin (někdy se mluví o generacích). Každá následující rodina má výrazně vyšší hmotnost kvarků a nabitého leptonu. V první rodině jsou kvarky u (up - horní) a d (down - dolní), které tvoří proton i neutron, nabitý lepton elektron a elektronové neutrino ν_e. Neutrina nemají elektrický náboj, interagují pouze slabě a mají velmi malou hmotnost. Velikosti hmotností neutrin se zatím nepodařilo určit. V druhé rodině jsou těžší kvarky s (strange - podivný) a c (charm - půvabný), dále zhruba dvěstěkrát těžší kolega elektronu mion μ a mionové neutrino ν_μ. V třetí rodině jsou pak ještě těžší kvarky b (bottom - spodní) a t (top - svrchní). Nejtěžší kvark t má hmotnost téměř dvě stě hmotností protonu. Kolega elektronu v této generaci tauon τ je téměř tří a půl tisíckrát těžší než on. V této generaci leptonů jej doplňuje tauonové neutrino ν_τ. Ke všem těmto částicím existují ještě partneři ze světa antihmoty. I tyto „antičástice“ jsou po všech stránkách normálními částicemi.

Hierarchie v hmotnostech kvarků a těžkých leptonů. Pro srovnání, hmotnost protonu je téměř 1000 MeV/c²

Může vzniknout otázka, zda už jsme všechny rodiny objevili, jestli se třeba na novém urychlovači LHC neobjeví nový ještě těžší kvark. Odpověď na tuto otázku částečně známe. Víme, že nemůže existovat další rodina, která by obsahovala neutrino podobné těm předchozím, tedy s malou hmotností. Pro takové tvrzení máme dvě experimentální evidence. První plyne z pozorování rozpadu velmi těžkých intermediálních bosonů slabé interakce Z⁰. Tento elektricky neutrální boson, o kterém se blíže zmíníme za chvíli, je velmi těžký (je více než devadesátkrát těžší než proton) a rozpadá se také na pár neutrino a antineutrino. Pokud by byla hmotnost neutrin v nové rodině podobná hmotnosti těch předchozích, musela by se částice Z⁰ rozpadat i na tato neutrina a antineutrina. Pravděpodobnost rozpadu částice by se zvětšila a její doba života zkrátila. Dnes je doba života Z⁰ bosonu velice přesně změřena a jsou v ní místa jen pro tři možné typy neutrin s malou hmotností. Stejný výsledek dávají i výzkumy ranných stádií vývoje vesmíru. Ve vesmíru existuje kromě mikrovlnného (fotonového) reliktního záření i neutrinové reliktní záření. Tato reliktní neutrina měla značný vliv na počáteční stádia vesmíru a můžeme tak omezit i počet různých lehkých neutrin z kosmologických dat. Oba typy měření ukazují, že taková neutrina jsou pouze tři. Čtvrtá rodina obsahující lehké neutrino už neexistuje. Není ovšem vyloučena rodina, která by obsahovala úplně nový typ velmi těžkého neutrina. Příznaky existence takových neutrin se hledají na každém novém urychlovači, který umožňuje dosáhnout na vyšší energie než předchozí.

Částice interakcí

Bez interakcí bychom se k rozmanitému světu nedostali. Interakce je proces, při kterém dochází k přenosu energie a hybnosti i dalších fyzikálních veličin, které v konečném důsledku vedou ke změně hybnosti a energie částic nebo k přeměně, kreaci či anihilaci částic. Umožňuje tak vznik vázaného systému částic i jeho rozpad, jakož i přeměnu a rozpad částic. Interakce je zprostředkována výměnou částic, tzv. intermediálních bosonů. V mikrosvětě působí tři ze známých interakcí.

Nejznámější je elektromagnetická interakce, která je spojena s elektrickým nábojem. Ten může být kladný a záporný a jeho velikost je kvantovaná. Je zprostředkován výměnou intermediálních bosonů, kterými jsou známé fotony s nulovou klidovou hmotností a elektrickým nábojem. Kvantová teorie, která tuto interakci popisuje, se označuje jako kvantová elektrodynamika. V přírodě vzniká řada objektů vázaných elektromagnetickou interakcí. Mezi ně patří například atom. Je silná tendence vytvářet kombinací záporných a kladných nábojů elektricky neutrální objekty.

Náboj silné interakce byl označen jako barevný náboj. Existují tři druhy tohoto náboje, které jsou označovány jako červený, zelený a modrý (u antičástic antičervený, antizelený a antimodrý). Intermediálními bosony, které zprostředkují tuto interakci, je osmice gluonů. Ty jsou na rozdíl od fotonů nositeli barvy a antibarvy, což silnou interakci činí daleko komplikovanější. Stejně jako u elektromagnetické síly může kombinace kladných a záporných nábojů vytvořit elektricky neutrální systém, lze kombinací různých barevných nábojů získat objekt neutrální (bílý, bezbarvý) z hlediska barevného náboje. Takovou neutrální kombinací jsou případy, kdy máme stejné zastoupení všech tří barev (případně všech tří antibarev) nebo kombinace barvy a její antibarvy. Jak si za chvíli ukážeme podrobněji, vyskytují se v našem okolí pouze objekty neutrální z hlediska barevného náboje. Kvantovou teorií, která popisuje silné interakce, je kvantová chromodynamika.

Intenzita slabé interakce je velmi malá. Tato interakce nedokáže tvořit vázané systémy. Její důležitost spočívá v tom, že jsou ji dovolený některé procesy, které předchozí interakce mají zakázané. Takže díky ní probíhá například rozpad beta jádra. Neutrina, která nemají elektrický ani barevný náboj, interagují pouze slabou interakcí. Slabá interakce je natolik spojená s elektromagnetickou, že jí popisuje kvantová teorie popisující společně slabou a elektromagnetickou interakci a označuje se jako elektroslabá teorie. Právě tato teorie předpověděla existenci intermediálních bosonů, které zprostředkují slabou interakci. Jsou tři, dva nabité W⁺ a W^- a jeden neutrální Z⁰. Jejich hmotnost je velmi velká (okolo stovky hmotností protonu). I když je tedy boson Z⁰ „bratr“ fotonu, je to hodně obézní bratr. Tuto jeho obezitu způsobuje tzv. Higgsův mechanismus, který bude popsán v následujícím odstavci.

Simulace toho, jak by mohla vypadat detekce higgse pomocí experimentu CMS, který bude pracovat na urychlovači LHC

Existence všech částic standardního modelu byla experimentálně potvrzena. Jediná, která je zatím pouze hypotetická, je Higgsův boson. Je to částice kterou potřebuje teorie elektroslabé interakce k tomu, aby vysvětlila rozdíl mezi klidovou hmotností fotonů a velmi velkou hmotností bosonů W⁺, W^- a Z⁰. Řešením je již zmíněný proces, který se podle svého objevitele skotského fyzika Higgse nazývá Higgsův mechanismus. Ten předpokládá existenci tzv. Higgsova pole, které je spojeno s existencí Higgsova bosonu. Při prodírání Higgsovým polem nabývají intermediální bosony slabé interakce své hmotnosti. V nejjednodušší formě teorie je Higgsův boson jeden, v složitějších variantách můžou být čtyři (dva neutrální označované jako H₁, H₂ a dva nabité H⁺ a H^-) i více. Nalezení higgse je jedním z hlavních úkolů právě dokončovaného urychlovače LHC v laboratoři CERN. Z experimentů na předchozích největších urychlovačích víme, že jeho klidová hmotnost větší než zhruba 110 GeV/c² (více než stonásobek hmotnosti protonu). Aby se teorie elektroslabých interakcí chovala „mravně“ v širokém rozmezí energií, musí být jeho klidová hmotnost menší než zhruba 200 GeV/c². V každém případě by tedy měl být v dosahu LHC. Jeho neobjevení by tak znamenalo nutnost najít náhradu Higgsova mechanismu a velkou výzvu pro teoretické fyziky. Podrobněji jsem lov na higgse popsal zde.

Všechny částice standardního modelu jsou popisovány jako bodové. Experimentálně pak víme, že je jejich rozměr menší než 10^{-18 m. To je nejmenší rozměr, který dokážeme „vidět“ pomocí těch největších současných urychlovačů.}

A co gravitace?

Intenzita gravitační interakce je v běžných podmínkách (při současných běžně dostupných hustotách energie) v mikrosvětě zanedbatelně malá. To, že se nejvíce projevuje v našem makrosvětě, je dáno jejím nekonečným dosahem a tím, že má jen jeden druh náboje – hmotnost. Vliv jednotlivých příspěvků se tak pořád sčítá a nelze odstínit, jako je tomu v případě elektromagnetické interakce. Doposud nemáme kvantovou teorii gravitace, která by ji dokázala popsat podobným způsobem, jak to například u elektromagnetické interakce umožňuje kvantová elektrodynamika. Pokud budeme chtít najít jednotnou teorii popisující komplexně všechny čtyři interakce, musíme kvantovou teorii gravitace vypracovat. Intermediální boson, který by měl být zodpovědný za gravitační intertakci, by měl být graviton. Tato částice s nulovou klidovou hmotností zatím nebyla přímo pozorována a je otázka, jestli se to někdy podaří. V současnosti je z pozorování změn oběžných drah binárních pulsarů nepřímo existence gravitačních vln. Začaly fungovat detektory, které by měly umožnit jejich přímé pozorování. I po úspěchu v této oblasti budeme od detekce jednotlivých gravitonů velmi daleko. Tak jako bylo ještě hodně daleko od prokázání existence radiových vln (elektromagnetického záření) k detekci jednotlivých fotonů.

Ač elementární, přece jen složené

Z historie našeho vědeckého poznání nám zůstala řada nelogických názvů, které jsou však natolik zavedené, že je není účelné měnit a stále se používají. Stále je atom atomem od řeckého slova atomos (nedělitelný), i když dnes dobře víme, že dělitelný je. Stejně tak se jako elementární částice často označují i částice, které elementární nejsou, naopak jsou vázanými stavy kvarků. Správnější by bylo, označovat jako elementární (fundametální) částice pouze částice standardního modelu a ne vázané systémy kvarků.

Složení nejjednodušších baryonů (proton a neutron) a mezonů (mezony pí). Celkový náboj Q hadronu je dán součtem nábojů kvarků, které je tvoří (náboj kvarku u je +2/3 náboje elektronu a náboj kvarku d je -1/3 náboje elektronu). Celkový spin s je dán skládáním spinů kvarků. Baryony jsou fermiony a mezony bosony.

Zatímco leptony se mohou vyskytovat volně, kvarky se v normálních podmínkách volně vyskytovat nemohou a existují pouze ve vázaných systémech, které jsou částicemi označovanými jako hadrony. Hadrony jsou tedy částice interagující silnou interakcí a složené z kvarků. Jsou dvou typů. Baryony se skládají ze tří kvarků a antibaryony ze tří antikvarků. Jsou tedy opět fermiony (suma tři poločíselných čísel je poločíselné číslo). Mezony pak z jednoho kvarku a antikvarku a jsou bosony (suma dvou poločíselných čísel je číslo celočíselné). Baryonů a mezonů existuje velmi velké množství (jejich počty se počítají na stovky). Dva úplně identické kvarky se, jsou fermiony, nemohou vyskytovat ve stejném stavu. To byl jeden z historických důvodů zavedení barevného náboje do fyziky. Pozorovaly se totiž částice, které obsahovaly tři stejné kvarky (i se stejnou projekcí spinu) v základním stavu. Musely se tudíž lišit v nějaké nové fyzikální veličině a tou byl barevný náboj. Nové částice můžeme obdržet i tím, že po dodání energie, díky níž se některý z kvarků dostane se základního stavu do vybuzeného. Známe tak protony (kvarkové složení uud) a neutrony (kvarkové složení udd) složené z u a d kvarků v základním stavu i jejich excitace, které se označují jako N rezonance. Jako rezonance se označují všechny hadrony s velmi krátkou dobou života (řádově 10^-22s). Hadronům, které obsahují podivný kvark s, se říká podivné. Baryony s podivným kvarkem se označují jako hyperony. Plejáda hadronů a přehled jejich vlastností dnes zaujímá mnohostránkové tabulky a jejich počet stále roste.

Hadrony se dělí do multipletů. Jako příklad si můžeme uvést baryonový oktet, který obsahuje proton a neutron. Částici charakterizuje její náboj Q, fyzikální veličina projekce izospinu T_z, kterou vnáší kvarky u a d a také podivnost S, kterou vnáší kvark s.

V souvislosti s tím, že nepozorujeme volné kvarky, se může objevit otázka: „Jak je tedy experimentálně prokázána jejich existence?“ Jedním z důkazů je, že pomocí nich můžeme vysvětlit všechny pozorované hadrony i zhruba poměry mezi jejich hmotnostmi. Další možností jejich „pozorování“ je využití rozptylu částic na hadronech. Pomocí rozptylu částic alfa získaných z rozpadu alfa poprvé „uviděl“ Rutheford atomové jádro. Pro to, abychom uviděli kvarky, musíme použít částice s daleko vyššími kinetickými energiemi. Používají se k tomu elektrony z urychlovače s velmi vysokými kinetickými energiemi. Pomocí těchto elektronů se v protonech a neutronech objevila rozptylová centra (označují se jako partony), jejichž náboj, spin a další vlastnosti odpovídají vlastnostem přisuzovaným kvarkům. Třetí proces, ve kterém se kvarky přímo „zviditelňují“ je srážka hadronů s velmi vysokou energií. V takovém případě se srážejí přímo jednotlivé kvarky. Při takové srážce dochází k přeměně velké části kinetické energie srážejících se kvarků na energii produkce párů kvarku a antikvarku. Vzniká velké množství kvarků a antikvarků, které se čistě z kinematických důvodů (zákon zachování energie a hybnosti) pohybují ve směru pohybu rozptýlených původních kvarků. Kvarky a antikvarky nemohou zůstat volné, a proto se pospojují se do hadronů (takový proces se nazývá hadronizací). Vznikají dva výtrysky hadronů, které se pohybují v opačném směru a každý z nich nese celkovou informaci o původním kvarku. Pozorování těchto výtrysků a jejich vlastností je zviditelnění kvarků.

Ještě si připomeňme, jak je z částic tvořena pestrost našeho světa. Protony a neutrony jsou vázány silnou jadernou interakcí do atomových jader. Ačkoliv za ní stojí silná interakce, je silná jaderná síla zprostředkována mezony, které si nukleony v jádře mezi sebou vyměňují. Jistou analogií je molekulární vazba, která drží atomy v molekule. Stojí za ní sice elektromagnetická interakce, ale vytváří ji sdílení elektronů. Mezonů je velký počet a charakter interakce, kterou způsobují, závisí na jejich vlastnostech. Může byt přitažlivá nebo odpudivá. Různý je i její dosah, čím těžší je mezon, tím kratší je dosah síly, kterou způsobuje. K popsaným atomovým jádrům přidáme pomocí elektromagnetické interakce elektrony a dostaneme atomy. Ty pak spojí zmíněné molekulární vazby do jednoduchých i velmi složitých molekul.

Další, tentokrát hypotetické vázané systémy kvarků a gluonů

Ještě se zmiňme o hypotetických složitějších vázaných kvarkových systémech. Teorie popisující silnou interakci nezakazuje a priory (nebo to zatím nevidíme) vázané systémy s jiným počtem kvarků než dva (mezony) a tři (baryony). Jedinou podmínkou je, že dohromady musí z hlediska náboje silné interakce (barvy) tvořit neutrální (bílý) objekt. To například splňuje i systém složený ze dvou kvarků a dvou antikvarků (tetrakvark) nebo ze čtyř kvarků a jednoho antikvarku (pentakvark). Takové systémy se intenzivně hledají a už několikrát v historii byl jejich objev ohlášen. Zatím se však vždy ukázalo, že šlo o planý poplach. Podrobný rozbor situace kolem jejich hledání jsem napsal pro časopis Kozmos.

V roce 2003 ohlásil pozorování pentakvarku i japonský experiment LEPS, podobná pozorování ohlásilo i několik dalších experimentů. Ovšem jiné experimenty je vyvracejí. Otázka pentakvarků je tak stále otevřená. (Obrázekze stránek experimentu LEPS)

Jak bylo popsáno v části věnované interakcím jsou intermediální bosony silných interakcí, gluony, nositeli barevného náboje. Mohou tedy mezi sebou interagovat silnou interakcí a v principu vytvořit vázaný systém složený pouze z gluonů. Takový, zatím čistě hypotetický objekt, se označuje jako gluonium nebo glueball a intenzivně se na každém novém velkém urychlovači hledá.

Na závěr bych se zmínil ještě o jednom hypotetickém objektu vázaném silnou interakcí. Za normálních podmínek se nemohou kvarky vyskytovat volně a musí být vázány do hadronů. Při velmi vysokých hustotách energií může vzniknout systém volných kvarků a gluonů, který se označuje jako kvark-gluonové plazma. O jeho objevu a vlastnostech si lze přečíst například zde. Existuje hypotetická možnost, že v případě správné příměsi podivných kvarků s, budou „kapky“ tohoto „podivného“ kvark-gluonového plazmatu metastabilní i za normálních podmínek. Tyto objekty se označují jako podivnůstky (anglicky strangelet) a i na urychlovači LHC se budou intenzivně hledat.

Částice spojené s teoriemi (hypotézami) sjednocujícími popis interakcí

Všechny další částice, o kterých budeme mluvit, jsou také zatím pouze hypotetickými. Řadu takových částic vyžadují teorie, které se snaží sjednotit popis všech interakcí. Mluvíme sice o teoriích, ale korektněji řečeno jde zatím pouze o hypotézy, které na své experimentální potvrzení nebo vyvrácení teprve čekají.

Leptokvarky

Mezi vlastnostmi kvarků a leptonů existuje řada podobností (symetrií). Jak u kvarků, tak i leptonů máme tři generace částic, velmi ostře oddělené hmotnostmi (neplatí u neutrin, která mají velmi malou hmotnost všechna). Původ těchto symetrií by měla vysvětlit teorie, která by sjednotila elektroslabou a silnou interakci. Tyto teorie, označované jako teorie velkého sjednocení, předpovídají částice, které by mohly přeměňovat kvarky na leptony a naopak. Tyto částice se označují jako leptokvarky nebo také X,Y bosony. Bosony X by měly mít elektrický náboj -4/3e a náboj bosonů Y by měl být -1/3e. Důsledkem jejich existence by byl i rozpad protonu. Ovšem tento rozpad, pokud existuje, by měl jen velmi malou pravděpodobnost. Zatím nebyl pozorován a jak je dnes experimentálně potvrzeno je doba života protonu delší než 10³² let. Tato dlouhá doba života je důsledkem i velmi velké hmotnosti leptokvarků, která by měla být 10¹⁵krát větší než hmotnost protonu. Pozorování rozpadu protonu by bylo nepřímým důkazem existence těchto částic. Jejich přímé potvrzení je zatím neřešitelným problémem. Svou hmotností jsou daleko mimo dosah současných i v současnosti představitelných urychlovačů. Mohly by vznikat v závěrečných stádiích vypařování černých miniděr Hawkingovým zářením. Existence takových objektů v našem vesmíru je však zatím také pouze hypotetická. Pokud by však při jejich vypaření leptokvarky vznikaly, velmi rychle by se rozpadaly.

Je možné ještě připomenout, že v některých teoriích velkého sjednocení se objevují i magnetické monopóly. Částice, které reprezentují jeden pól magnetu. Původně zavedl tyto částice Paul Dirac, aby zrovnoprávnil popis elektřiny a magnetismu. Hmotnost monopólů předpovídaných teoriemi velkého sjednocení by byla podobná hmotnosti leptokvarků. Na rozdíl od nich by mohly být stabilní nebo s dlouhou dobou života. Z ranných fází vývoje vesmíru by tak mohly pocházet reliktní monopóly. Pokud monopóly existují, je třeba vysvětlit, proč nepozorujeme velký počet reliktních monopólů. Takovým vysvětlením by mohly být inflační modely vesmíru (blíže o kosmologii z pohledu experimentálního fyzika zde).

Rozpad protonu se snažil pozorovat i detektor Kamiokande, který se později proslavil pozorováním neutrin (zdroj stránky Kamiokande a SuperKamiokande)

Supersymetrické částice

V článku o lovu na antihmotu ve vesmíru jsme narazili na další velkou skupinu částic předpovídanou teoriemi sjednocujícími popis interakcí - supersymetrické částice. Supersymetrické teorie vysvětlují symetrie mezi bosony a fermiony. Předpovídají, že ke každé známé částici by měl existovat supersymetrický partner, jehož hmotnost by měla být mnohem větší. Dále by se lišily v tom, že supersymetričí partneři fermionů budou bosony. Jejich název se tvoří předponou s-. Máme tedy s-kvarky a s-leptony (s-elektrony, s-miony, s-tauony a s-neutrina). Supersymetrickými partnery bosonů budou fermiony. U nich se název tvoří příponou ino. Máme tedy gluino, fotino, Wino, Zino, gravitino i higgsino. Rozpad těžkých supersymetrických částic na lehčí by probíhal relativně rychle. Ovšem ta nejlehčí z nich by se musela rozpadat na částice standardního modelu a takový rozpad by měl velmi malou pravděpodobnost. Pokud tedy supersymetrické částice existují a během velmi horkých počátečních fázích vývoje vesmíru vznikly, měly by existovat reliktní supersymetrické částice (ty nejlehčí z nich). Ty by vyplňovaly vesmírný prostor podobně jako reliktní fotony a neutrina. Jen díky jejich vysoké hmotnosti by se více koncentrovaly k centrům gravitace. A právě tyto částice by mohly vysvětlit pozorovanou temnou hmotu. Nevíme, která ze supersymetrických částic má nejmenší hmotnost. Víme jen, že musí být neutrální, protože jinak by temná hmota interagovala elektromagneticky a nebyla by temná. Nevíme tedy, jestli je to gluino, fotino, Zino nebo něco jiného. Nevíme ani, jestli to třeba není směs těchto částic. Důležitou vlastností kvantového světa je totiž, že některé stavy nejsou čisté a mohou být smíchány. Když bychom si to představili v makrosvětě, znamenalo by to, že kromě kočky, psa a myši, existuje i smíšený stav, který se skládá z určitého procenta z kočky, psa i myši. Proto se obecně neutrální supersymetrické částici s nejnižší hmotností říká neutralino.

Při popisu gravitonu jsem se zmínil, že, díky jeho malé hmotnosti a velice malé intenzitě gravitační interakce, je jeho přímá detekce zatím jen těžko představitelná. Jednou z možností nepřímého prokázání jeho existence by mohlo být pozorování gravitina a zkoumání jeho vlastností.

Struny

Teorie, které aspirují na to být finální teorií popisující komplexně všechny interakce a obsahující i kvantovou teorií gravitace jsou strunové teorie. Tyto teorie jsou supersymetrickými teoriemi a obsahují pochopitelně i standardní model. Podle této teorie jsou pozorované částice standardního modelu i předpokládané částice sjednocovacích teorií různými vibračními módy objektů o rozměrech 10^-35m, které byly nazvány struny. Strunové teorie jsou nejen matematicky velice náročné a spočítat pro ně kvantitativní předpovědi pro energie dostupné na našich urychlovačích se zatím nedaří. Trochu více jsem o tom již psal.

Teorie technicoloru a další

Byly a jsou i jiné verze sjednocovacích teorií, jednou z nich je například teorie technicoloru. Ona i další teorie předpovídají řadu různých částic. Jejich objevení nebo experimentální vyloučení jejich existence jsou pak základními prubířskými kameny, které vedou k potvrzení nebo zavrhnutí dané teorie. Hodně se v této oblasti očekává od urychlovače LHC.

Nakonec se zmíníme ještě o několika příkladech částic, které nevyplývají ze sjednocovacích teorií.

Řadu otázek o existenci částic předpovídaných různými teoriemi by mohl vyřešit urychlovač LHC (zdroj CERN).

Axiony

Velmi často se objeví nové předpovědi částic při řešení problémů s narušením symetrií a zákony zachování ve fyzice. Mezi takové případy patří i axiony. Objevují se v roce 1977 v souvislosti s pracemi nad teorií silné interakce - kvantové chromodynamiky. Ta v principu dovoluje narušení kombinované CP-symetrie. Tedy, že některé fyzikální procesy probíhají o trochu jinak ve světě, který je zrcadlový vůči našemu (P-symetrie) a všechny částice jsou zaměněny za antičástice a antičástice za částice (C-symetrie). Velikost tohoto narušení z kvantové chromodynamiky neplyne a musí se experimentálně určit a změřený příslušný parametr je třeba do teorie vložit. Ukázalo se, že toto narušení je extrémně malé a za pozorovaným narušením CP symetrie stojí slabá interakce. Pro znalce jen připomenu, že experimentálním faktem, který to dokazuje, je velmi malá hodnota elektrického dipólového momentu neutronu. Nastal tak problém, proč je hodnota narušení CP-symetrie tak extrémně malá. Ve zmíněném roce 1977 navrhli Roberto Peccei a Helen Quinnová mechanismus, který byl nazván jejich jménem. Ten zavádí do popisu silné interakce novou symetrii, která je spontánně narušena a řeší popsaný problém. Ovšem zároveň předpovídá existenci nové velmi lehké částice (o mnoho řádů lehčí než elektron, srovnatelná s hmotností neutrin) s nulovým nábojem i spinem, která byla označena jako axion. Takto podrobný popis důvodů zavedení axionu jsem zde uvedl, abych dokumentoval skutečnost, že zavedení nových částic je velmi často vyvoláno objevením nové interakce (pole) nebo objevením narušení nějakého zákona zachování (spojeným s nějakou fyzikální symetrií) a jejich konkrétními projevy. Logika a krása takového řešení je však jasně vidět až při znalosti souvisejících teorií.

Také axiony se intenzivně hledají. Několikrát už bylo ohlášeno pozorování náznaků jejich existence. Naposledy v minulém roce. Zdá se však, že zatím to vždy byl planý poplach, který se později nepotvrdil. Pokud by byl zájem, pokusil bych se historii a současnost hledání axionů popsat v některém z příštích článků pro Osla.

Italský experiment PVLAS hledá projevy axionů při zkoumání vlastností vakua pomocí průchodu polarizovaného světla velmi silným magnetickým polem. V roce 2006 ohlásil náznaky projevů existence axionů. V roce 2007 na základě vylepšení experimentálního zařízení svá předchozí pozorování dementoval. Jednalo se o přístrojové chyby (zdroj PVLAS).

Částice spojené s temnou energií

Už jsme se zmínily o souvislosti, která je v kvantové fyzice mezi fyzikálním polem a částicí. V nedávné době se prokázalo z pozorování supernov I. druhu, že se rozpínání vesmíru v posledním období místo zpomalování zrychluje. Za to je zodpovědný speciální druh pole, který se nazývá jako temná energie. V současnosti je potvrzeno studiem vlastností reliktního záření, že temná energie tvoří přes 70 % hmoty ve vesmíru. Každé pole je spojeno s částicí a tak i za temnou energií by se měla skrývat částice, které například C. Wetterich označuje jako „kosmony“. Ovšem úvahy o této částici (nebo částicích) jsou opravdu velmi spekulativní, protože temná energie je doposud velkou záhadou a víme o ní jen velmi málo.

Co říci na závěr?

Ukázali jsme si řadu existujících částic, které jsou součástí standardního modelu. Zmínili jsme si také řadu hypotetických částic, které předpovídají sjednocovací teorie. Také některé případy dalších, které potřebují jiné teorie. Potvrzení či vyvrácení existence předpovídaných částic je klíčové pro ověření správnosti předkládaných teorií.

Přehled světa částic už byl napsán mnohokrát a i na internetu se řada takových popisů dá najít. Každý z autorů přistupuje k výkladu trochu jinak, má jiný akcent i styl jazyka. Je dobře, že si čtenář může vybrat právě takový zdroj, který mu nejlépe vyhovuje. S nadějí, že alespoň pro některého ze čtenářů bude i můj výklad přínosný, jsem se odhodlal k sepsání dalšího v dlouhé řadě. Na závěr bych přidal odkazy na některé z popisů jiných a většinou kompetentnějších autorů:

---