Tento text je úryvkem z knihy
Frank Close: Částicová fyzika – průvodce pro každého
(pokračování včerejšího úryvku)
Urychlovače a srážeče
V lineárním urychlovači, jehož paprsky míří na statický terč, bývá částice, která je výsledkem srážky, „vykopnuta“ vpřed. Funguje to podobně, jako když to neubrzdíte s autem a zezadu do někoho vrazíte. Srážkou paprsku se statickým terčem přijdeme o část těžce nabyté energie částic, protože ta se přemění v pohybovou energii jednotlivých produktů srážky. Tento problém zmizí v případě, kdy se navzájem sráží protijdoucí paprsky. Veškerá energie paprsků se tak může využít pro jejich vzájemnou interakci. V těchto případech jsou produkty srážky rozmetány do celého okolí všemi směry a stejně tak je distribuována i energie, aniž by se ztrácela na úkor rozpohybování pozůstatků po statických terčích.
Tyto skutečnosti byly konstruktérům urychlovačů jasné již od 40. let 20. století. Trvalo pak ale ještě dalších 20 let, než konstruktéři vyprojektovali první srážeče (z angl. „collider“), v nichž se částice srážely proti sobě – a muselo uplynout dalších 15 let, než srážeče začaly dominovat nad obyčejnými urychlovači. Již jsem naznačil, v čem spočíval problém: částice totiž mají tendenci se navzájem minout a teprve zhruba 30 posledních let je technologie na takové úrovni, aby se s touto komplikací uměla vypořádat.
Hlavní aplikaci srážkových urychlovačů dnes představují srážky mezi částicemi a antičásticemi, obvykle mezi protony a antiprotony nebo mezi elektrony a pozitrony.
Protony jsou shlukem kvarků a antiprotony zase shlukem antikvarků. S celkovou hmotností 2000krát větší, než má elektron, protony a antiprotony tolik nepodléhají synchrotronovému záření a jejich srážka je také mnohem energetičtější. Protony a antiprotony jsou tedy logicky první volbou při průzkumu dosud neprobádaných oblastí fyziky vysokých energií. Tak tomu bylo i v případě, kdy se v roce 1983 podařilo v CERNu objevit částice Wą a Z0, které zprostředkovávají slabou interakci. Tyto kolize ale na druhé straně vedou k obrovskému množství nepořádku, ke mnoha různým produktům. Najít mezi nimi částice W a Z je jako hledat jehlu v kupce sena. Energie protonu je totiž převážně uzamčena do vazeb mezi kvarky a pouze srážka kvarku s antikvarkem a kombinace jejich energií dokáře vytvořit částice Z a W. Vše ostatní je smetí a naše nové částice jsou produktem jednoho z miliónu možných scénářů kolize. Potřeba vytvořit částice Z0 bez okolního balastu nepotřebných produktů proto vedla ke stavbě urychlovače LEP.
Když byl LEP uveden v 90. letech 20. století do provozu, míjely se zde každých 22 mikrosekund (22 miliontin sekundy) svazky elektronů a pozitronů jako střely podobné svým tvarem jehle. I přesto, že v každém svazku byly milióny miliónů částic, interagovaly spolu navzájem jen zřídka, protože byly lehce rozptýlené. Zajímavá kolize, událost hodná zaznamenání, tak nastávala jen jednou ze zhruba 40 pokusů o srážku. Cílem vědců bylo detekovat a sesbírat data právě z těchto událostí a odlišit je od těch méně zajímavých. Spouštěcí mechanismus detektoru uměl na podstatnou událost zareagovat za 10 mikrosekund. Pokud k tomu došlo, mohl začít sběr a čtení všech dat v detektoru a následně proběhlo jejich zobrazení na počítačovém monitoru, kde se vytvořily stopy všech trajektorií částic a bylo možno ukázat, z jaké srážky jednotlivá detektorem zaznamenaná událost pocházela.
Urychlovač LEP ustupuje v těchto letech do pozadí a jeho roli přebírá urychlovač LHC. Velký srážeč hadronů má za úkol urychlovat protony v každém směru na energie 7 TeV. Celková energie při srážce tak vychází na 14 TeV, což je téměř 100krát více než v případě LEP a desetkrát více než na Tevatronu ve Fermilabu.
V Hamburku je dnes navíc k dispozici unikátní asymetrický urychlovač, kde se svazky protonů srážejí se svazky elektronů a pozitronů. Tyto kolize odkrývají vnitřní strukturu protonů a kvarky v jejich nitru až s rozlišením 10 na -19 m.
Továrny na částice
Do popředí zájmu se v minulých letech dostala také otázka, jak se od sebe liší hmota a antihmota. Pokusy o řešení tohoto problému vedly ke zvýšenému zájmu o studium vlastností podivných částic a antičástic zvaných kaony. U vlastností těchto částic byla již před více než padesáti lety předpovězena jemná asymetrie mezi hmotou a antihmotou. Ještě výrazněji byla tato asymetrie předpovězena u analogií podivných částic zvaných „spodní částice“ a s touto představou byla spojena snaha o výzkum tzv. B-mezonů. Objevil se koncept továren na částice, které tedy budou schopny produkovat velké množství kaonů a B-mezonů.
Nápad, jak toho dosáhnout, spočívá v myšlence nechat srážet elektrony a pozitrony o konkrétních energiích, které jsou speciálně vyladěny tak, aby produkovaly kaony nebo B-mezony spíše než jiné druhy částic. Poblíž Říma ve městě Frascati bylo vybudováno malé zařízení DAFNE pracující v místnosti jen o něco větší než školní tělocvična. Toto zařízení umožňuje anihilaci pouze těch elektronů a pozitronů, které mají celkovou energii 1 GeV, což je přesně energie potřebná pro vznik kaonů.
Naproti tomu „B-továrna“ pracuje s elektron-pozitronovými kolizemi o celkové energie 10 GeV, která je zase optimální pro přednostní vznik B-mezonů a současně s nimi i jejich antičástic („B čára“). Protože příslušný výzkum je prestižní záležitostí a jednotlivé vědecké instituce a země při něm nejen spolupracují, ale také spolu soupeří, byly v 90. letech 20. století postaveny hned dvě takové továrny: PEP2 v kalifornském Stanfordu a KEKB provozovaný japonskou laboratoří KEK.
B-továrny se od klasických elektron-pozitronových srážečů liší jednou podstatnou věcí. V klasickém srážeči se oba protichůdné paprsky pohybují stejnou rychlostí a během srážky se vzájemné rychlosti částic vyruší. Výsledná exploze, při níž se elektrony a pozitrony vzájemně srazí a anihilují, probíhá v klidu a nově vzniklé částice se rozletí rovnoměrně do všech směrů. Naproti tomu v B-továrnách nemají srážející se paprsky stejné rychlosti, a výsledná srážka se proto odehraje v jednom ze směrů pohybu.
Výsledkem této asymetrické kolize je, že vzniklá hmota a antihmota je vystřelena ve směru rychlejšího a energetičtějšího paprsku a s vyšší rychlostí, než by tomu bylo v případě kolize probíhající v klidu. Tento rozdíl umožňuje pozorovat v B-továrnách nejen výsledné částice celé srážky, ale i počáteční nestabilní produkty, které vznikly a rychle se rozpadly. Tato možnost je důsledkem dilatace času, jevu známého ze speciální teorie relativity. Z dilatace času vyplývá, že částice pohybující se vysokou rychlostí přežije (pro nás jako pozorovatele) déle než ta, která je v klidu. Produkty srážky tak dokáží díky svému pohybu v preferovaném směru a díky různým rychlostem urazit i delší vzdálenost (~ 1 mm). Použitý trik je zcela klíčový, protože B-mezon má střední dobu života jen zhruba 1 pikosekundu (miliontina miliontiny sekundy), což je na samé hranici měřitelnosti.
V plánu je také stavba neutrinových továren, v nichž intenzivní zdroje neutrin umožní studovat tyto plaché částice. Hmotnost neutrin je příliš malá na to, aby se nám ji nyní podařilo přímo změřit, ale můžeme nepřímo měřit jejich poměry. Existuje dokonce možnost, že neutrina a antineutrina se na sebe mohou navzájem přeměňovat, a měnit se tak z hmoty na antihmotu a naopak. Pokud by takový proces skutečně probíhal, mělo by to dalekosáhlé důsledky pro naše pochopení původních symetrií; neutrinové továrny by přitom mohly být schopné tento jev zaznamenat.
Nakonec stojí na tomto místě za zmínku, že v následujících letech se předpokládá také objev Higgsova bosonu, který by se mohl vyloupnout někde mezi smetím vznikajícím ze srážek protonů a antiprotonů. Dalším krokem by mohla být také cílená výroba Higgsova bosonu za kontrolovaných podmínek. Aby to bylo možné, budeme muset postavit elektron-pozitronový srážeč urychlující na optimální energii, která v případě Higgsova bosonu činí několik stovek GeV. K dosažení těchto hodnot bude třeba lineární urychlovač, což je důvod, proč právě projekty výstavby nových lineárních urychlovačů budí tolik zájmu. Právě zde se totiž odehraje budoucnost experimentální fyziky vysokých energií.
Frank Close: Částicová fyzika: Průvodce pro každého
Překlad Martin Petrásek, vázaná, 164 stran, 32 ilustrací, 185 Kč, Dokořán 2008
Podrobnosti o knize na stránkách vydavatele
předcházející část úryvku z knihy
