Denník N

Fyzici v CERN-e zrážajú svetlo, aby objavili nové častice

Foto – CERN
Foto – CERN

Myšlienka stará 80 rokov sa dočkala experimentálnych testov.

Autor je fyzik

Obe časti tvrdenia z názvu článku znejú podozrivo. Po prvé, je známe, že svetlo sa nezráža. Ak krížom cez seba svietite dvomi baterkami, ich lúče sa nevyrušia, jednoducho idú ďalej. Po druhé, aj keby sa svetlo zrážalo, ako to má pomôcť odhaliť nové častice?

Začnime šokujúcim tvrdením: keď tlieskate, vaša ľavá ruka sa nedotkne pravej. Teda presnejšie sa nedotknú atómy v nich. Nikdy sa nič nedotkne ničoho. Keď sa k sebe atómy priblížia, začnú sa odpudzovať, a to v nás vyvoláva dojem dotyku.

Atómy v ľavej ruke elektromagneticky tlačia na atómy v pravej ruke a my vnímame ich tlak. Buďme radi. Ak by sa atómy naozaj spojili a vytvorili nové molekuly, už by sme ruky od seba tak ľahko nedostali.

Interakcia medzi hmotou je ešte zaujímavejšia, ak sa na ňu pozrieme zblízka. Ak oproti sebe vystrelíme dva elektróny a vidíme, ako po zrážke letia úplne inými smermi, ani raz sa počas nej nedotkli. Keď sa k sebe priblížili, začali si vymieňať fotóny, teda častice svetla, a to ich mierne vychýlilo. Časticiam, ktoré sa len takto vymieňajú počas zrážky, sa hovorí virtuálne.

Virtuálne častice

Rôzne druhy virtuálnych častíc určujú, či k danej zrážke môže dôjsť a s akou pravdepodobnosťou k nej dôjde. Napríklad neutrína sa s bežnou hmotou obhadzujú len veľmi nepraktickým (ťažkým) druhom častíc, a tak ich prakticky nevnímame. Zrážka s nimi je veľmi nepravdepodobná. Každú sekundu ich vaším telom preletia miliardy, no za život zachytíme v priemere len jedno.

Z klasických rovníc vieme, že svetlo sa so svetlom zraziť nemôže. Ak sa však na to pozrieme zblízka – v kvantovom svete atómov –, taká možnosť predsa len existuje. Fotóny si totiž medzi sebou môžu prehadzovať virtuálne častice. Stáva sa to len veľmi zriedka, ale nie je to vylúčené.

Aby tento efekt dokázali fyzici spozorovať, museli zostrojiť sofistikovaný experiment. Zobrali jadrá olova, urýchlili ich a nasmerovali proti sebe tak, aby sa veľmi tesne minuli (na rozdiel od nich sa zvyšok CERN-u snaží o čelné zrážky). Silné elektromagnetické pole pri tomto tesnom prelete vytvára podmienky na interakciu svetla.

Potreba ďalších experimentov

Pravdepodobnosť tejto interakcie závisí od toho, aké častice si môžu fotóny medzi sebou prehadzovať. Predpokladáme, že zoznam známych častíc je úplný, a spočítame, ako často by k zrážke svetla malo dôjsť.

Ak budeme pozorovať, že sa to deje oveľa častejšie, ako by malo, tak bude jasné, že musia existovať aj ďalšie častice, ktoré si fotóny prehadzujú, len ich nepoznáme – a v našom výpočte tak chýbajú.

Samozrejme, ide o veľmi delikátny experiment, treba napríklad odfiltrovať všetky ostatné interakcie – a tých možností je šialene veľa.

Výskumníci tak očakávali, že v roku 2015 prejde cez prísne kritériá len sedem až osem zrážok. V skutočnosti ich zaznamenali až trinásť.

Ešte však nie je čas otvárať šampanské, ide o veľmi malú vzorku. Experiment beží ďalej a na jednoznačné výsledky si musíme počkať, no možnosti aj očakávania sú vysoké.

Dostupné z doi: 10.1038/nphys4208

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

CERN

Technológie

Veda

Teraz najčítanejšie