Denník N

V urýchľovači v CERN-e objavili skupinu piatich stavov jednej častice

Veľký hadrónový urýchľovač (LHC). Foto – TASR/AP
Veľký hadrónový urýchľovač (LHC). Foto – TASR/AP

Experiment LHCb priniesol nové výsledky o štruktúre stavov ťažkej častice. Uľahčí nám to štúdium podobných častíc a kvarkov, z ktorých sa skladajú.

Hlavný autor je fyzik, pôsobí na univerzite v Bazileji

Veľkej pozornosti sa veľkému hadrónovému urýchľovaču (z angl. Large Hadron Collider) v CERN-e dostalo, keď v ňom vedci experimentálne potvrdili existenciu Higgsovho bozónu, niekedy laicky nazývaného aj Božia častica.

Veľký hadrónový urýchľovač je najväčší urýchľovač častíc na svete. Vedci v ňom skúmajú zrážky častíc, darí sa im to pri čoraz väčších energiách.

Z údajov, ktoré dostanú, testujú takzvaný štandardný model elementárnych častíc, ktorý je dodnes najlepším modelom na opis častíc na tejto energetickej škále.

Urýchľovač sa so zaujímavými výsledkami ohlásil opäť. Experiment LHCb totiž nedávno publikoval výsledky o úspešnom nájdení systému piatich častíc (excitovaných stavov častice Ωc0; omega-c-nula), a to dokonca v jedinom experimente.

Vzbudené stavy hmoty

Čo však znamená, ak je nejaká častica v excitovanom stave? Vysvetlime si to na príklade atómu vodíka.

Bohrov model atómu vodíka. Elektrón sa môže nachádzať v stavoch s danou hodnotou energie, ktoré sú zobrazené kružnicami. Zdroj:http://science.babson.edu/winrich/semiconductors/images/bohr.gif
Bohrov model atómu vodíka. Elektrón sa môže nachádzať iba v stavoch s danou hodnotou energie (zobrazené kružnicami). Zdroj – http://science.babson.edu/winrich/semiconductors/images/bohr.gif

Aby sme pochopili, o čo ide, postačí nám Bohrov model na opis stavby atómu. Ten hovorí, že elektróny sa v rámci atómov nachádzajú na hladinách a že ich energia je kvantovaná (má diskrétne povolené hodnoty). Ak sa elektrón nachádza v takzvanom základnom stave, znamená to, že sa nachádza na svojej najnižšej energetickej hladine.

Všetky ďalšie stavy sa nazývajú excitované (vzbudené). Elektrón sa môže dostať do excitovaného stavu, ak mu dodáte energiu, napríklad pomocou elektromagnetického žiarenia. Prakticky to znamená, že na atóm „zasvietime“ svetlom.

  • Európska organizácia pre jadrový výskum (CERN) – európska organizácia pre základný a aplikovaný výskum, predovšetkým v oblasti časticovej fyziky.
  • Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) je urýchľovač častíc. Nachádza sa v CERN-e. V miestach zrážok častíc sa nachádzajú detektory ATLAS, ALICE, CMS, LHCb, TOTEM a LHCf.
  • Kvarky – elementárne častice, z ktorých sú zložené protóny alebo neutróny. Existuje šesť druhov kvarkov: u, d, c (pôvabný), s (podivný), t (top) a b (kvark s krásou).

Známe kvarky. Foto - Schoolphysics.org
Známe kvarky. Foto – schoolphysics.org

Kvarky a atómy

Pri opise elementárnych častíc sa už nemôžeme zameriavať iba na atómy, dokonca ani na elektróny, protóny a neutróny. Do hry vstupujú kvarky, teda elementárne častice, ktoré vytvárajú takzvané hadróny (ako napríklad protóny a neutróny).

S našou momentálnou technológiou ich však nedokážeme pozorovať priamo. Zatiaľ vieme pozorovať iba častice zložené z viacerých kvarkov. Kvarky v takýchto časticiach držia pohromade pôsobením viacerých druhov interakcií, napríklad takzvaných silných interakcií.

Kvarky v protónoch držia pohromade pôsobením silných interakcií. Foto - physicsmasterclasses.org
Kvarky v protónoch držia pohromade pôsobením silných interakcií. Foto – physicsmasterclasses.org

Keď Murray Gell-Mann v 50. rokoch 20. storočia formuloval teóriu pre silné interakcie, postupoval veľmi podobne ako kedysi Dmitrij Ivanovič Mendelejev pri zostavovaní periodickej tabuľky prvkov.

Pozrel sa na dovtedy známu zoo hadrónov (kým sa nevedelo o kvarkoch, tak to boli elementárne častice, napríklad protón) a snažil sa ich utriediť podľa ich vlastností (hmotnosť, spin…) do akejsi tabuľky.

Rovnako ako Mendelejev potom vedel predpovedať, kam sa treba pozrieť po novej častici. Na základe symetrií v štruktúre svojej tabuľky neskôr Gell-Mann vytvoril teóriu kvarkov.

Takto predpovedal časticu Ω. Dnes o nej napríklad vieme aj to, že sa skladá z troch „strange“ (z angl. divný, čudný) kvarkov. Neskôr, keď nám väčšie urýchľovače umožnili skúmať stále vačšie energie, bola objavená aj častica Ωc0.

Prvý raz vedci pozorovali túto časticu ešte v roku 1994, no museli sme čakať až na príchod citlivých experimentov urýchľovača v CERN-e, aby sme mohli pozorovať aj jej jednotlivé excitované stavy.

Päť stavov častice Ωc0

Pri pokuse o detailnejšie skúmanie hadrónov narážame na problém. Skoro všetky sú nestabilné, čo znamená, že naše možnosti skúmať ich excitované stavy sú obmedzené, najmä pre ich veľmi krátky čas života.

Teraz môžeme lepšie pochopiť, prečo je nový výsledok meraní z LHCb úžasný. Z analýzy obrovského množstva dát, ktoré produkuje urýchľovač v CERN-e, sa najskôr musia vybrať zrážky relevantné pre skúmanie Ωc0.

Následne musí štatistická analýza s veľkou istotou preukázať, že to, čo pozorujeme, nie je dielom náhody, ale naozaj značí prítomnosť dobre definovaného objektu. Až s príchodom veľkého hadronového urýchľovača máme dostatočné množstvo a kvalitu dát, aby sme sa vôbec mohli zaoberať otázkou excitovaných stavov Ωc0.

Ako sa ukázalo, z dát vieme vyčítať základné vlastnosti (hmotnosť) rovno piatich excitovaných stavov tejto častice. Vedci ich označili ako Ωc(3000)0, Ωc(3050)0, Ωc(3066)0, Ωc(3090)0 a Ωc(3119)0, pričom čísla v zátvorkách značia ich hmotnosti v megaelektrónvoltoch.

Meranie je veľmi dôležité, pretože nám umožňuje skúmať vlastnosti kvarkov, napríklad vlastnosti silných interakcií, no na oveľa jemnejšej škále. Navyše, tieto merania poskytujú možnosti testovať štandardný model aj pre ťažšie generácie kvarkov.

Medzinárodná spolupráca

V kontexte 60. výročia Rímskych zmlúv sú aj výsledky získané vďaka urýchľovaču v CERN-e skvelým príkladom, ako všetci ťažíme z obrovskej medzinárodnej spolupráce.

Nie je v možnostiach žiadnej krajiny, tobôž Slovenska, prevádzkovať a financovať projekt tohto rozsahu.

Veda nám tu ponúka skvelý príklad, ako z úzkej medzinárodnej spolupráce profitujú všetky zúčastnené strany.

Dostupné z arXiv.org

Máte pripomienku alebo ste našli chybu? Prosíme, napíšte na pripomienky@dennikn.sk.

CERN

Technológie

Veda

Teraz najčítanejšie