30-6 Viac a viac častíc

30-1 Pozitrón, antičastica elektrónu; 30-2 Vznik a zánik párov, kreácia a anihilácia; 30-3 Antiprotón a antineutrón; 30-4 Mazané neutríno; 30-5 Výmenné sily a mezóny; 30-6 Viac a viac častíc; 30-7 Štandardný model*; 30-8∗ Solárne neutrína;

Úlohy

30-5 Výmenné sily a mezóny

30-6 Viac a viac častíc

Objavom miónov a piónov sa objavovanie nových častíc neskončilo, práve naopak, bol to len začiatok. Nové častice boli objavené v kozmickom žiarení aj urýchľovačoch, a neskôr v zrážačoch častíc. Novo objavené častice dostali rôzne názvy: K-mezóny (kaóny), ktorých hmotnosť spadá medzi hmotnosť elektrónu a protónu, potom častice $Λ$ (lambda), častice $Σ$ (sigma), častice $Ξ$ (ksí) a častice $Ω$ (omega), ktoré sú ťažšie, než nukleóny a nazvali sa hyperóny. Na fotografii z bublinovej komory zobrazenej na obr. 30.4 vidieť vznik a rozpad niektorých týchto častíc.

Na začiatku sa tieto častice nazývali elementárnymi a vrátane ich antičastíc ich bolo v 60-ich rokoch známych okolo 34. Boli pritom známe aj ťažké častice, ktoré žili príliš krátku dobu (rádovo $1 0^{- 23} s$ ), ktoré sa nazývajú rezonancie. Ak zoberieme aj tieto častice do úvahy, v 60-ich rokoch bolo známych (vrátane antičastíc) okolo 200 „elementárnych“ častíc.⁵

bublinová komora — Obr. 30.4:Na zábere tejto bublinovej komory najviac stôp (rovnobežných) zanechali prelietajúce vysoko energetické elektróny. Fotografia však ukazuje skúsenému oku aj niekoľko mimoriadnych udalostí. Častica $π^{-}$ sa zrazí s protónom, az ich spoločnej energie vznikne častica $Σ^{0}$ a $K^{0}$ ( $π^{-} + p \to Σ^{0} + K^{0}$ ). $Σ^{0}$ sa skoro okamžite rozpadá na časticu $λ$ a jeden elektrón-pozitrónový pár ( $Σ^{0} \to Λ + e^{+} + e^{-}$ ). Tento rozpad je taký rýchly, že vyzerá tak, akoby sa mezón $π^{-}$ rozpadol ne elektrón-pozitrónový pár. Mezón $K^{0}$ nezanechá stopu a rozpadne sa na $π^{+}$ a $π^{-}$ ( $K^{0} \to π^{+} + π^{-}$ ). Častica $Λ$ e tiež elektricky neutrálna a nezanechá stopu, vidíme len jeho rozpad $Λ \to π^{-} + p .$ Komora je v silnom magnetickom poli, ktoré je kolmé na rovinu fotografie – spôsobuje zakrivenie trajektórie kladne nabitých častíc doprava a záporne nabitých doľava. Miera zakrivenia závisí od pomeru rýchlosti a hmotnosti častice. (S poďakovaním Lawrence Berkeley National Laboratory)

Fyzici začali mať podozrenie, že tieto „elementárne“ častice budú mať vnútornú štruktúru, inými slovami, skladajú sa fundamentálnejších častíc, a tomu napovedali aj systematické vlastnosti hmotností a elektrických nábojov, ktorých si všimol v roku 1961 Murray Gell-Mann⁶. V roku 1964 navrhol, a nezávisle od neho aj George Zweig, problémy riešiť pomocou trojice kvarkov. Kvarky mali neobvyklé vlastnosti: mali zlomkový elementárny elektrický náboj ( $($ ²∕₃)e,(−¹∕₃)e a $(-$ ¹∕₃)e), a nikdy ich nebolo možné vyraziť z častíc, ktoré vytvárali.

Nakoniec v roku 1968 sa fyzici dočkali experimentálneho potvrdenia existencie kvarkov, aj keď nie v podobe registrácie osamotených kvarkov. V roku 1968 ostreľovali v lineárnom urýchľovači na Stanfordskej univerzite protóny vysoko energetickými elektrónmi. V podstate sa jednal o zdokonalený Rutherfordov rozptylový experiment. Elektróny, o ktorých dodnes predpokladáme, že sú bodové častice (ich elektrický náboj aj hmota sa sústreďuje v bode), sa mali rozptyľovať na protóne, o ktorom sa predpokladalo to isté – tj. že je bodovou časticou. Analýza rozptylu elektrónov však ukázala niečo iné. Elektróny sa rozptyľovali na protóne tak, akoby to bol malý vak, v ktorom lietajú voľne tri bodové častice. Ukázalo sa, že sa jedná o Gell-Mannove kvarky.

Ďalšia cesta výskumu sa vetvila mnohými smermi. Ukázalo sa, že kvarkov je viac, že sú štyri, nakoniec, že je ich 6. Okrem elektrických nábojov disponujú novým typom nábojov, silnými nábojmi a tie sa úplne líšia od elektrických nábojov, lebo sú tri (nazvali ich farbami: červená, zelená, modrá). Tieto tri farebné náboje by sme mohli prirovnať kladnému elektrickému náboju, lebo sú ešte ich antifarby (antičervená, antizelená, antimodrá) – by sme zase mohli prirovnať zápornému elektrickému náboju.

Tak, ako kladný elektrický náboj s rovnako veľkým elektrickým záporným nábojom spolu tvoria elektricky neutrálny objekt, aj farba s príslušnou antifarbou dáva neutrálny objekt (povieme, že objekt je biely). Bielu farbu dávajú spolu aj farebné náboje červená, zelená a modrá, ak sú v rovnakom pomere. Nemusíme ani pokračovať, aby bolo vidieť, že farebné náboje sú zložité na pochopenie, skrýva sa za nimi komplikovaná matematika (komplikovnejšia, než aký popisuje Coulombov zákon). Uvedieme len, že kvarky v časticiach majú vždy také farby, že ich súhrnná farba je biela – teda protón, neutrón, kaón, pión a všetky častice skladajúce sa kvarkov sú biele. Preto sme sa doteraz s týmto silným (farebným) nábojom nestretli v žiadnom jave.⁷

Fotóny prenášajú elektromagnetickú interakciu, ale neprenášajú elektrický náboj (nie sú elektricky nabité). Gluóny prenášajú silnú interakciu, ale prenášajú aj farby medzi kvarkmi – gluóny prenášajú súčasne farbu a nejakú antifarbu, čo spôsobuje, že gluóny silne interagujú aj medzi sebou, a to je odpoveď, prečo je tak komplikované popísať matematicky, čo sa deje v časticiach medzi kvarkmi.

Ďalším poznaním bolo, že sily medzi nukleónmi vznikajú mechanizmom, ktorý objavil Yukawa – prenášajú ich bozóny, mezóny pí, podobne našej hrubej analógii pohadzovania lôpt. Nimi prenášaná jadrová sila sa však dnes už nepovažuje za základnú silu, ktoré dne s poznáme 4.

Poznáme dnes celkom 4 základné interakcie (menej presne sily):

silná interakcia: – medzi kvarkmi a gluónmi, prenášajú ich gluóny;
slabá interakcia: – zodpovedná za beta rozpad (prenášajú túto interakciu $W^{+}, W^{-}$ a $Z$ );
elektromagnetická interakcia: – medzi elektricky nabitými časticami (prenáša fotón);
gravitačná interakcia: – mal by ju prenášať gravitón (bozón), zatiaľ nezapadá do Yukawovej predstavy, ale veľmi presne ju popisuje Einsteinova teória relativity.

Všetky prenášače síl, intermediálne bozóny (fotóny, gluóny, $W^{\pm}$ a $Z$ ) majú okrem gravitónu spin 1, a klasická fyzika by ich nazvala fyzikálnymi poliami. Gravitón by mal mať spin 2 a potom je tiež bozón.

Kvarky a leptóny majú spin 1/2, preto sú podriadené Pauliho vylučovaciemu princípu, a klasická fyzika by ich nazvala tým, čo tvorí hmotu, teda hmotou.

⁵Dnes (2020) poznáme vyše 210 častíc ako protón, neutrón a vyššie vymenované (vrátane ich antičastíc), a naviac vyše 200 rezonancií, teda vyše 410 takých častíc, ktoré by sme voľakedy nazvali elementárne. To je trikrát viac, než je chemických prvkov!

⁶Murray Gell-Mann [möri gellmann] (15.09.1929-24.03.2019), americký fyzik, nositeľ Nobelovej ceny za fyziku za rok 1969 „za je zásluhy a objavy týkajúce sa klasifikácie elementárnych častíc a ich interakcií“. Všimol si zvláštnych zákonitostí v hmotnostiach a nábojoch množiacich sa ťažkých „elementárnych“ častíc, ktorý navrhol vyriešiť skladaním z trojice fundamentálnejších častíc, kvarkov. Trojica kvarkov mala odlišné hmotnosti aj náboje a všetko začalo zapadať do seba. Ťažké častice, ktoré boli citlivé voči jadrovým silám (odtiaľ ich pomenovanie hadróny), podľa jeho predpokladu, sa skladali z trojice kvarkov (tento názov, ktorý sa ujal, pochádza práve od neho), a vytvárajú skupinu ôsmych častíc. (Murray Gell-Mann sa zaujímal o budhistickú filozofiu a preto objavený vzor nazval „osem dielnou cestou“ (angl. eightfold way). V budhizme sa hovorí o osem dielnej ceste ako o strednej ceste vedúcej k pravému poznaniu, k prebudeniu, k nirváne)

⁷Silné náboje sa pomenovali pomocou farieb, ale nemajú nič spoločného so samotným významom týchto slov červená, zelená, modrá – tieto silné náboje nemajú takúto farbu, boli takto len pomenované.

30-7 Štandardný model*