Přijímejte e-maily o připravovaných pořadech NOVA a souvisejícím obsahu, stejně jako tematické reportáže o aktuálních událostech z pohledu vědy.
Od Velkého hadronového urychlovače: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind , zasvěcený popis historie provozu LHC a hledání Higgsova bosonu, autor Don Lincoln. Vydalo nakladatelství Johns Hopkins University Press. Přetištěno se souhlasem vydavatele.
Matematik viktoriánské éry Augustus de Morgan napsal:
Velké blechy mají na zádech malé blechy, které je koušou
A malé blechy mají menší blechy, a tak donekonečna.
A samy velké blechy mají zase větší blechy, které se na ně vrhají,
A ty mají zase ještě větší a ještě větší a tak dále.
Tato často citovaná pasáž je parodií na spis Jonathana Swifta O poezii z roku 1733: A Rhapsody , která byla napsána o poezii. Vědci však tyto řádky pojali jako metaforu pro svět přírody. Při poznávání mikrosvěta se člověk rychle setká s poznatkem, že veškerá hmota se skládá z molekul. Molekuly se zase skládají z atomů, které se samy skládají z elektronů a atomových jader. Jádra jsou tvořena protony a neutrony a ty se skládají z kvarků.
Pokud však víme, kvarky a elektrony jsou to. Tím to, co se týče struktury, končí. Na rozdíl od atomu nebo protonu, které mají bohatou strukturu se složitými interakcemi mezi jejich složkami, se v současnosti předpokládá, že kvarky a elektrony nemají vůbec žádnou vnitřní strukturu. Teoreticky i fyzikálně jsou považovány za matematické body.
Samozřejmě, že každý, kdo má alespoň špetku představivosti, si nemůže pomoci a řekne si: „Tak počkejte chvilku. Proč by kvarky a leptony samy o sobě nemohly mít vnitřní strukturu?“. No, existuje jen jedna možná odpověď, a to „mohly by“. Kvarky a elektrony (a potažmo všechny leptony) by se mohly skládat z ještě menších objektů. Nebo (což je dosti nepravděpodobné) mohou být skutečně fundamentální (tj. nemají žádné menší části, jinými slovy, jsou bez struktury).
Než budeme pokračovat dále, uvažujme o příslušných velikostech. Všechno v mikrosvětě je malé. Jediná molekula je tak malá, že byste jich mohli umístit milion vedle sebe na jediný milimetr. Jsou tak malé, že k jejich spatření nelze použít běžné světlo. A přesto jsou takové menší objekty nesmírně velké: miliardkrát větší než hranice výzkumu.
Molekuly se skládají z atomů, které jsou asi z desetiny tak velké jako molekuly. Mentální představa atomu jako malé sluneční soustavy se Sluncem jako jádrem a planetárními elektrony je chybná, a přesto není bez opodstatnění. Zdůrazňuje skutečnost, že atom se skládá převážně z prázdného prostoru, kde elektrony zběsile víří daleko od malého, hustého jádra. Poloměr jádra je asi 10 000krát menší než poloměr atomu a zabírá pouhou biliontinu jeho objemu.
Jádro atomu se skládá z protonů a neutronů, těsně namačkaných na sebe. Můj mentální obraz jádra je hmota žabích vajíček nebo kuliček po manipulaci batolete s velmi lepkavými prsty. Každý proton nebo neutron je široký asi 10 až 15 metrů a potřebovali byste jich bilion položených konec na konec, aby se rozprostřely na jeden milimetr. To je málo.
Protony a neutrony v sobě obsahují kvarky a gluony. Nejjednodušší způsob, jak si představit proton, je, že jsou v něm dva kvarky up a jeden kvark down, které jsou zaklíněné v silovém poli gluonů. Představte si tři očíslované plastové kuličky v jednom ze vzduchových loterijních automatů a získáte základní představu.
Ale mentální představa kvarků jako plastových kuliček má jednu zásadní chybu. Kuličky nejsou o mnoho menší než loterijní stroj. Kvarky jsou malé. Možná je lepší mentální představa protonu jako tří malých polystyrenových skvrn ve stejném stroji.
Co tedy víme o velikosti kvarků? Dříve jsem řekl, že nemají žádnou velikost, a tak s nimi určitě zachází současná teorie. Jako experimentátora mě však více zajímají měření. Vás čtenáře jistě zajímá, jaká měření odhalila velikost kvarku. A nyní odpověď… buben prosím… nezjistily. To neznamená, že o jejich velikosti nic nevíme. Tuto otázku jsme studovali poměrně důkladně a přesně víme, jak dobré je naše vybavení. Kdyby kvarky (a elektrony) byly větší než asi desettisíckrát menší než proton, zjistili bychom, že mají nějakou velikost. Při všech našich experimentech jsme nikdy neviděli ani ten nejmenší věrohodný náznak velikosti. Dospěli jsme tedy k závěru, že ačkoli nemůžeme říci, jaká je skutečná velikost kvarku nebo elektronu, můžeme bezpečně říci, že pokud kvarky vůbec mají velikost, jsou menší než jedna desetitisícina velikosti protonu.
Pokud je pro vás tato myšlenka těžko pochopitelná, zamysleme se nad tím, jak malý objekt můžete vidět svýma očima. Snadno uvidíte zrnko písku. S velmi značným úsilím byste mohli vidět i ten nejmenší kousek mouky ve vaší skříni. Ale to je asi tak všechno. Holým okem nic menšího neuvidíte. Když se tedy rozhodnete podívat se okem na mikrob, mohli byste dojít k závěru, že nemá žádnou velikost, ale přísně správný závěr, který byste měli učinit, je, že mikroby jsou menší než drobné zrnko mouky.
S lepším vybavením, řekněme výkonným mikroskopem, lze zjistit, že zárodky skutečně mají měřitelnou velikost. Jakmile tedy narazíte na omezení svého vybavení, musíte si prostě pořídit výkonnější mikroskop. Mikroskop, kterým je LHC a jeho dva primární detektory, bude pozorovat velikost kvarků, pokud nebudou menší než 20 nebo 30 tisícin velikosti protonu… nebo stanoví hranici, která je asi dvakrát nebo třikrát menší, než se v současnosti předpokládá.
Zatímco pozorování, intuice a de Morganova dikce mohou stačit k tomu, aby podpořily náhodné podezření, že další úrovně hmoty se mohou vyskytovat ve stále menších rozměrech – celá nová vrstva nebo soubor vrstev v kosmické cibuli – existují i další vědecké důvody. Vezměme si například periodickou tabulku prvků. Mendělejev ji sice zamýšlel jako organizační schéma, ale s formulováním teorie jaderného atomu a kvantové mechaniky v prvních desetiletích dvacátého století se ukázalo, že periodická tabulka byla ve skutečnosti prvním ukazatelem atomové struktury, a to půl století předtím, než jsme její poselství skutečně pochopili.
Zatímco příběh vyprávěný periodickou tabulkou jasně naznačoval strukturu atomu, příběh jaderného záření naznačuje i strukturu jádra. Například cesium ( 137 55 Cs, s padesáti pěti protony a osmdesáti dvěma neutrony) vyzáří elektron a stane se z něj baryum ( 137 56 Ba, s padesáti šesti protony a osmdesáti jedním neutronem).
Vezměme tyto historické příklady a aplikujme úvahy na moderní svět. Uvědomujeme si, že historické poučky neplatí vždy. Někdy však ano.
Naše „periodická tabulka“ částic je znázorněna na obrázku výše. Její uspořádání se liší od chemické periodické tabulky. Na obrázku je šest typů kvarků. Kvarky up, charm a top mají náboj +⅔ (v systému, kde je náboj protonu +1) a hmotnost kvarku charm převyšuje hmotnost kvarku up, který zase převyšuje hmotnost kvarku top. Podobně i down, strange a bottom kvarky mají elektrický náboj -⅓, přičemž jejich hmotnost roste směrem doprava.
V moderní periodické tabulce jsou „chemicky podobné“ jednotky řádky, na rozdíl od sloupců Mendělejevovy tabulky. Vidíme, že existují tři „generace“ neboli uhlíkové kopie stejného kvarkového a leptonového vzoru. To velmi připomíná náznaky, které nám dávala chemická periodická tabulka v druhé polovině devatenáctého století.
Je tu ještě jedna historická podobnost, kterou je třeba zvážit. Stejně jako se různá atomová jádra mohla rozpadat na jiná jádra, mohou se rozpadat i kvarky a leptony. Top kvark se může rozpadat na dolní kvark a boson W. Podobně se mion může rozpadat na elektron a dvě neutrina. Možné jsou i další typy rozpadů kvarků a leptonů. Ve skutečnosti se všechny částice druhé a třetí generace nakonec rozpadají na částice první generace. Jedním z klíčových vodítek je, že jedinou silou, která může změnit jeden kvark nebo lepton na jiný (říkáme „změnit ‚příchuť‘ kvarku nebo leptonu“), je slabá síla. Dále, konkrétně pouze elektricky nabitý boson W může provést tuto práci.
Neexistuje žádný pádný důkaz, že přítomnost generací kvarků a leptonů naznačuje, že kvarky a leptony se samy skládají z menších (dosud neobjevených) částic. Historická analogie je však silně sugestivní a jistě si zaslouží bližší pozornost. Skutečnost, že vyzářením bosonu W lze změnit příchuť kvarku nebo leptonu, je nesmírně cenným vodítkem, které na fyziky něco důležitého křičí.
Jen bych si přál, abych měl dost rozumu na to, abych pochopil, co to říká.
Nicméně i bez zásadního vhledu, který rozlouskne hádanku dokořán, můžeme na toto téma inteligentně spekulovat a (což je mnohem důležitější) prosít naše hromady dat a hledat další vodítka. Stejně jako při každém hledání nových fyzikálních jevů je třeba kvalifikovaně odhadnout, co hledat, a pak to hledat. Jaké jsou tedy pravděpodobné experimentální znaky kvarkové struktury?
Z historického hlediska jsou jedním z nejlepších míst k hledání nejprudší srážky. Rozbijete dva objekty o sebe a sledujete, kolik srážek je na každé úrovni násilí. Konkrétně se podíváte na množství „bočního násilí“. Technicky tomu říkáme příčná hybnost , což znamená kolmá na paprsek. Tato volba má své technické důvody, ale většinou je to proto, že musíte do něčeho silně narazit, aby to šlo do strany od původního směru.
Dnes většina fyziků zaujímá postoj „počkej a uvidíš“ a raději sleduje, jaké náznaky nám vesmír poskytne. I přesto byly pro tyto objekty menší než kvarky navrženy názvy, z nichž nejpopulárnější je „preon“ (pro prekvark). Každý teoretický fyzik, který přišel s nějakou teorií, si však vymyslel svůj vlastní název, přičemž byly navrženy subkvarky, maony, alfony, kvinky, rišony, tvídly, helony, haplony a částice Y. Mně osobně se docela líbí názvy quinks nebo tweedles.
Jaký bude další velký objev? Nemám tušení. Dost možná to bude jedno ze zde zmíněných témat. Nebo, což je ještě zajímavější, to může být něco naprosto nečekaného; něco, co nás prostě z ničeho nic zasáhne. Jak se říká, to ukáže čas.