Částicové Zoo – neutrony

Neutrony tvoří spolu s protony základní stavební kameny hmoty. Stejně jako protony, jsou i neutrony tvořeny třemi kvarky. Umí ale i překvapit. Například tím, že nejsou stabilní, ale celkem rychle se rozpadají. 

Neutron je podobně jako proton komplikovaná částice s bohatým vnitřním životem. Je tvořen třemi hlavními kvarky s různými náboji (dvěma down a jedním up kvarkem) a celou řadou neustále vznikajících a zanikajících virtuálních kvarků. Interakci mezi nimi zajišťují pomocníci - gluony. 

V našem pomyslném virtuálním Zoo tvoří neutron skupinka dvou antilop a jedné zebry v kvarkové ohradě hned u vchodu. Antilopy představují jeho down-kvarky, zebra znázorňuje up-kvark. 

Neutrony ve všeobecném vesmírném obraze

Na neutrony působí (stejně jako na protony) všechny čtyři vesmírné síly - gravitace, slabá a silná jaderná interakce a kupodivu také elektromagnetismus. 

Gravitace působí na neutrony stejně jako na ostatní hmotu. 

Podobně je tomu s elektromagnetickou sílou. Celkový náboj neutronu se skládá, stejně jako je tomu u protonu, z nábojů těchto jeho hlavních (valenčních) kvarků. Dva down kvarky s nábojem -1/3 a jeden up kvark s nábojem +2/3 tvoří celkový nulový elektrický náboj.  

Přesto, že je navenek elektricky neutrální, vlastní neutron má díky své vnitřní struktuře (třem kvarkům s elektrickým nábojem) určitý magnetický moment. Následkem celkově nulového elektrického náboje ale není přitahován nebo odpuzován  jinými, elektricky nabitými částicemi. 

Silná jaderná interakce drží jeho kvarky pohromadě, další ze základních sil, slabá jaderná interakce, je pro změnu zodpovědná za další specifickou vlastnost neutronu – jeho rozpad. 

Jepičí život neutronů

Fascinující vlastností našeho vesmíru je fakt, že jsou vlastnosti jeho hmoty a sil, v něm působících, přesně vyvážené. 

Existence a stabilita atomových jader  v naší hmotě je například závislá na poměru hmotností, jaké mají proton a neutron. Kdyby byl tento poměr jiný, nejspíš bychom tu nebyli – a nemohli obdivovat ani vesmír, ani komplexitu jeho jevů. Výsledkem by byl vesmír s příliš mnoha neutrony a příliš malým množstvím vodíku, nebo s nedostatkem právě těch elementů, které jsou potřebné pro vznik života.  

Neutron je o něco málo hmotnější než proton. Podle údajů, získaných v experimentech a nově i v počítačové simulaci nejrychlejšího evropského superpočítače JUQEEN ve výzkumném ústavu v německém Juelichu, se hmotnosti obou částic liší přibližně o 1,4 promile. Tato malá „nedokonalost“ způsobuje, že se volný neutron už po zhruba patnácti minutách rozpadá na proton, elektron a elektronové antineutrino. Proton, základní stavební kámen pro vodík (který je pro změnu zase základním chemickým elementem, ze kterého ve hvězdách vznikají všechny ostatní elementy) je naopak stabilní. 

Neutrino a antineutrino jsou elementární částice ze skupiny leptonů. Neutrino vzniká při jaderných reakcích, které zahrnují beta rozpad. Má isospin s hodnotou 1/2, a patří proto mezi fermiony. Jeho hmotnost je ve srovnání s většinou elementárních částic malá, experimenty ale dokazují, že není nulová. Jeho elektrický náboj je nulový, nepůsobí na něj ani silná ani elektromagnetická interakce, ale jen slabá interakce a také gravitace. Neutrina téměř nereagují s okolním prostředím a je velmi obtížné je detekovat. Jde o stabilní částice – nepodléhají tedy žádnému samovolnému rozpadu.

Mezi hmotností samotného neutronu a hmotností nově vzniklých částic je malý rozdíl, který se přitom přemění na pohybovou energii.   

Děje se tak průměrně za 880 sekund – volný neutron tedy může ve vesmíru existovat jen slabou čtvrthodinu. Pokud se dnes volný neutron skutečně ve vašem okolí skutečně vyskytne, svého rozpadu se ale s největší pravděpodobností nedožije. Už během prvních zlomků vteřiny je nejspíše absorbován některých z okolních atomů. Pro dřívější vývoj vesmíru byl naopak rozpad neutronů důležitým jevem. Volné elektrony tvořily v jedné z prvních fází vesmíru velké procento tehdejší hmoty. Jejich rozpadem vnikaly volné protony a následně pak i plynný vodík. 

Mimochodem – opačný jev, tedy vznik neutronů z protonu a elektronu, probíhá ve vesmíru dodnes. Uhádnete kde? (Odpověď najdete v diskuzi k blogu.) 

Neutron, který je vázaný v atomovém jádru je stabilní. 

Protony a neutrony se v jádrech atomů navzájem přitahují. Přitom má ale proton pozitivní náboj a neutron elektrický náboj nemá. Nebude to tedy elektromagnetismus, kdo má vliv na jejich vzájemnou přitažlivost. 

  Vybavujete si naše částicové Zoo? Vzpomínáte na roli silné jaderné interakce, kterou v něm hrají ošetřovatelé zeber a antilop? Neustále převlékají sebe i zebry a antilopy- předávají „barevný“ náboj mezi jednotlivými kvarky i sebou samými. Síla, která drží protony a neutrony v jádře atomu pohromadě, je zbytkovým projevem stejného jevu. Působí ale jen na malou vzdálenost – ovlivňuje jen přímé sousedství protonů a neutronů. 

Interakce mezi protony a neutrony v atomových jádrech neprobíhá tak, jak bychom si to představovali díky svým zkušenostem z makrosvěta - pomocí výměny energie nebo výměnou informací. Svět mikročástic je divočejší. 

Obě částice spolu v jádrech atomů reagují tak, že si mění své identity. Konkrétně probíhá tento proces tak, že se z up kvarku jedné částice stává díky vzájemné výměně down kvark, zatímco se u druhé částice mění down kvark na up kvark.  Celá proměna trvá jen velice krátkou dobu – typicky je to 10 ^-16 s.  

Obě částice vlastně drží pohromadě jen proto, že se neumí rozhodnout, která je která. 

Fyzikům tento elegantní výklad samozřejmě nestačí. Chtějí ho přesně spočítat a doložit. Zjistili, že výměna mezi protonem a neutronem probíhá díky částici nazývané „pion“ – pí mezon. Vzpomenete si na obrázek, ve kterém se velké množství (v minulém století nově objevených) částic dělilo na bosony a fermiony? 

Náš pion se nachází v zeleném políčku. Je to tzv. „hadron“, částice, která je složená z kvarků. Obsahuje ale jen dva kusy, takže aby splňovala základní fyzikální potřebu a byla neutrální (z pohledu silné jaderné interakce musí mít tedy „bílou barvu“) musí se skládat z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Podle toho, které kvarky se na stavbě částice podílí, jsou pak tyto složené mezony pojmenovány různými jmény. 

Na tomto místě nezůstává, než obdivovat úžasnou komplexnost našeho vesmíru, stejně jako kreativitu a důmyslnost fyziků, kteří tuto komplikovanou strukturu odhalují. Teorie tu totiž naráží na praxi a plně ji potvrzuje a vysvětluje. 

Je to právě pion, částice složená z up kvarku a anti-down antikvarku, která způsobuje výměnu identity mezi protonem a neutronem. 

Diagram znázorňuje procesy, které přeměnu neutronu na proton umožňují. Dá se interpretovat tak, že čas je nanesen vertikálně. Výchozí stav je tedy dole, konečný stav procesu v horní polovině schematu.

V levém dolním rohu vidíte proton (s up-up-down kvarky). Mají různé „barvy“, které složené dohromady spolu vytváří neutrální bílou. V protonu probíhá neustálá výměna barev mezi jednotlivými kvarky. 

V bodě, který je znázorněn zelenou „1“ vzniká z vakua virtuální kvarkový pár „down-antidown“. Pokud najde vhodné podmínky, reaguje s jedním z up kvarků našeho výchozího protonu. 

Up kvark se z protonu „odštěpí“ a spolu s antikvarkem oné virtuální (tedy jen na malou chvíli existující) částice vytvoří teď už reálnou částici pion. Zbylá polovina kdysi virtuálního páru pokračuje v existenci jako reálný down kvark a promění tím proton na neutron. 

Antidown kvark anihiluje s jedním down kvarkem neutronu a zanechá tím jeho konfiguraci neúplnou. Na schematu je to znázorněno zeleným bodem „2“.  

Odštěpený protonový up kvark se připojí k částici, která byla původně neutronem a která je teď neúplná, protože jí chybí jeden down kvark. Tím se promění původní neutron na výsledný proton. 

Procesy, které jsou na našem schématu znázorněny zelenou barvou, trvají jen nepatrně krátkou dobu – a to výše zmiňovaných 10 ^-16 s. 

Výměny identit mezi protonem a neutronem jsou tak rychlé, že nedovolují dobře rozlišovat mezi protony a neutrony. Jádra atomů se tak mohou držet pohromadě i když by se jejich protony měly teoreticky navzájem elektrostaticky odpuzovat. Čím vyšší je počet protonů v jádře, tím vyšší počet neutronů jádro potřebuje na to, aby bylo stabilní a nemělo tendenci se rozpadat na menší fragmenty. U Uranu, který vlastní 92 protonů je souhrnný počet neutronů v jádře relativně stabilního izotopu U238  už 146. 

Převeďme si tyto jevy do reality našeho pomyslného částicového Zoo: vidíme velkou, zelenou louku. Na ní se pasou dvě stádečka zvířat. Jedno z nich je tvořeno dvěma zebrami a jednou antilopou – ve druhém je zebra jen jedna, zato antilopy dvě. 

Když se na ně zadíváte podrobněji, zjistíte, že se při každém soustu mění ve skupinkách jak počet zeber, tak i antilop. V podstatě se nedá ani určit, kde je kolik zeber, protože jejich okamžité množství se mění příliš rychle. Obě stádečka zvířat se tak sloučila do jednoho, většího. 

Když budete všechna zvířata pozorovat déle a důkladněji, zjistíte, že větší skupinky zvířat obsahují vždy více antilop než zeber. Samotné zebry se nejspíše mezi sebou nemají rády a chtějí být navzájem od sebe oddělené antilopami. 

Částicové Zoo – Proton

Proton je jednou z nejznámějších částic hmoty. Přesto umí ještě překvapit zajímavými detaily ze svého života. Jsou například daleko těžší, než by naznačoval součet hmotnosti elementárních částic, ze kterých se skládají.


Hmota, kterou kolem sebe vidíte, se skládá z atomů. Ty se naopak skládají z atomových jader a elektronového oblaku, který jádro obklopuje. V jádrech atomů se skrývají protony a neutrony – částice hmoty, které jsou pro změnu složeny z několika kvarků.

Celý systém je tedy na první pohled celkem jednoduchý a přehledný. Ale už na druhý pohled udiví několika zajímavými detaily.

Teoretický proton

Proton patří mezi hadrony, částice, složené z jiných částic. Tvoří se z kombinace tří kvarků (jistě si vzpomenete na naše pomyslné částicové Zoo a jeho červený výběh, ve kterém žijí tři kvarkové rodiny). Nejsou to libovolné tři kvarky – ve viditelné hmotě vesmíru nacházíme jen ty nejlehčí ze všech – kvarky „up“ a „down“.



Tento zjednodušený model protonu je bohužel velmi nepřesný.

Reálné protony jsou skutečně tvořeny mimo jiné třemi kvarky, které jsou zodpovědné za vnější vlastnosti naší složené částice. Ovlivňují její elektrický náboj. U protonu jsou to konkrétně dva „up“ kvarky a jeden „down“ kvark. Když sečteme jejich vlastní náboje 2/3 + 2/3 - 1/3, dávají protonu výsledný náboj +1.

Silná jaderná interakce v protonech

Všechny tyto kvarky (říká se jim „valenční“) spolu neustále komunikují a působí na sebe pomocí tzv. „gluonů“ – částic, kterými se uvnitř hadronů zprostředkovává tzv. „silná jaderná interakce“. Je to jedna ze čtyř základních, ve vesmíru působících sil. Stará se o to, že se dokonce ani stejně elektricky nabité kvarky v protonu navzájem neodpuzují, ale naopak drží pospolu.

Gluony samy také podléhají této síle - silné jaderné interakci - mohou tedy reagovat nejen s kvarky, ale i samy mezi sebou.

Tak jako elektromagnetická síla pracuje s elektrickým nábojem, předává silná jaderná interakce tzv. „barevný náboj“. Je to pomyslná vlastnost, která se chová podobně jako barvy, na které jsme zvyklí z našeho vlastního makrosvěta. Díky této síle se může z „červeně zbarveného“ kvarku stát modrý nebo zelený. Výměna barev je umožněna právě gluony, které samy nesou podobný barevný náboj jako kvarky. Pokud například kvark se zeleným nábojem mění barvu s červeným gluonem, odchází z interakce kvark s barvou červenou a zelený gluon.




Na obrázku našeho virtuálního Zoo jsou gluony znázorněny ošetřovateli. Při každém doteku pod jejich rukama zvířata mění svou identitu. Zebra sice zůstane zebrou a antilopa antilopou, mění ale příslušnost k určitému druhu, mění tedy svou „barvu“. Aby byl chaos dokonalý, vyměňují si navíc i tito ošetřovatelé navzájem své identity – a to při každém vzájemném kontaktu.

Zdá se vám to chaotické? Pak vás asi další výklad nepotěší. pořád ještě jsme se nedostali ke skutečné, komplikované realitě.

Virtuální kvarky

Kromě těchto základních reálných částic se v protonu nachází také tzv. „moře virtuálních částic“. Jsou to páry kvarků a antikvarků, které neustále vznikají a rychle zase zanikají. I ony reagují s gluony a kvarky kolem sebe a celý systém tak elegantně dovádějí k absolutní perfekci nebo chaosu (záleží na vašem úhlu pohledu).

Hmotnost protonu

Na první pohled by se mohlo zdát, že se dá hmotnost protonu vypočítat z hmotnosti jeho vnitřních součástí – tedy částicových zeber, antilop a jejich ošetřovatelů.

Ve světě částic se ale hmotnost projevuje také rychlostí, kterou se pohybují.

Tato „rychlostní“ komponenta hmoty se v našem makrosvětě moc neprojevuje. Necestujeme tak rychle, aby dosáhla znatelných hodnot. Ale i zde, pokud bychom například urychlili raketu na tzv. „relativistickou“ rychlost (počítají se do ní už i zlomky rychlosti světla) by hmota rakety jakoby zázračně narostla. Když počítáme hmotnost, tak vždycky pro jednu konkrétní hodnotu rychlosti v.



Čím vyšší je rychlost v, tím vyšší je hodnota zlomku v odmocnině. Čím vyšší hodnotu má tento zlomek (může se při hodně vysokých rychlostech se může blížit k 1), tím menší číslo v odmocnině nacházíme. Menší číslo v odmocnině a tím i dolní části zlomku pak znamená vyšší hmotnost v levé části rovnice.

Pokud vzroste rychlost částice a blíží se rychlosti světla, roste tedy i její hmotnost. Elementární částice se v protonu pohybují velice rychle. Je to vidět z porovnání součtu jejich hmoty a hmoty protonu samotného.



Hmotnost protonu – 938 MeV. Hmotnost kvarků a gluonů v protonu – 16 MeV. Skutečná klidová hmota elementárních částic, ze kterých se proton skládá, tvoří tedy jen asi setinu jeho reálné hmoty.


Příště: Částicové Zoo – Neutrony

Částicové Zoo – kvarky

Zvu vás na návštěvu jedné z nejexotičtějších zoologických zahrad vesmíru. Obdivovat v ní dnes budeme kvarky – elementární částice,  ze kterých se skládají mimo jiné i částice naší hmoty: protony a neutrony. 

V našem pomyslném částicovém Zoo se nachází hned několik výběhů s elementárními částicemi. Na obrázku, který jste mohli vidět už v minulém blogu, jsou kvarky hned u vchodu – v „červené“ ohradě.

Obrázek: elementární částice. Zdroj: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ed/Standard_Model_From_Fermi_Lab.jpg

Částice – všude samé částice!

Poté, co věda v první polovině dvacátého století dosáhla určité úrovně, začaly se množit objevy zvláštního charakteru. Při průzkumu vlivu kosmického záření na vnější vrstvy atmosféry a později, při pokusech v urychlovačích, objevili vědci stovky nových částic. Začali je dělit podle hmotnosti na dvě kategorie – mezony a baryony se společným názvem „hadrony“. 

Původní euforie z nových objevů ale rychle vyprchala. Seznam částic se stal nepřehledným. Situace začala nápadně připomínat stav v zoologické zahradě. Velké množství různorodých částic, stejně jako velké množství různých zvířat, vyžadovalo nějaké smysluplné rozdělení do jednotlivých kategorií, druhů a rodů. 

V chemii přinesl pořádek do změti různých chemických elementů Mendělejev. Uspořádal je podle jejich vlastností do logické tabulky. Dal by se podobně elegantní systém najít i mezi částicemi? U chemických prvků rozhoduje o jejich vlastnostech počet protonů v atomovém jádru. Co by mohlo ovlivňovat hadronové částice? 

V roce 1961 přišel fyzik Murray Gell-Mann se spásným nápadem. Nanesl do specifického systému koordinát vlastnosti částic a vytvořil z nich pravidelné geometrické figury – šestihrany, trojúhelníky, apod. Tyto úhledné a důmyslné konstrukce dostaly název „multiplety“. Částice se v nich vzájemně liší zastoupením různých kvarků, ze kterých se skládají. 

Kvarky a antikvarky se nikdy nevyskytují odděleně, ale tvoří skupinky po dvou nebo po třech.  Dvojice, sestávající vždy z jednoho kvarku a jednoho antikvarku vytváří tzv. „mezony“. Ze tří kvarků se tvoří baryony, například proton, který se skládá z up-up-down kvarků a neutron (down-down-up kvarky). 

Vlastnosti kvarků

Dřív, než se vydáme třídit částicová „zvířata“ podle druhů do různých kategorií, podívejme se na vlastnosti samotných kvarků. Jsou to vlastnosti, které patří do mikrosvěta – a ne vždy jsou srovnatelné s tím, co se vyskytuje v běžném makrosvětě kolem nás. 

Spin

Jednou z jejich exotických vlastností je tzv. spin. Je to přesně daná a neměnitelná vlastnost, která je odlišná u fermionů (částic hmoty) a bosonů (částic, zprostředkujících síly). Spin je vždy násobkem určitého čísla – Planckovy konstanty ( =1,05.10^-34 Js). Fermiony mají spin poločíselný (1/2 nebo 3/2) a bosony celočíselný (například 0, 1 nebo 2). 

Kvarky mají spin 1/2 – a to má dalekosáhlý význam pro všechny částice, které z nich skládají. 

Částicím, které nejsou elementární, ale skládají se z jednotlivých kvarků, se říká „hadrony“. V případě, že daná částice obsahuje jen dva kvarky, je její spin 0 nebo 1 – a stává se tak automaticky bosonem, tedy částicí, která přenáší silovou interakci (viz horní obrázek). Těmto „bosonům druhé generace“ se říká mezony, na rozdíl od „pravých“ bosonů, které jsou skutečně elementární, tedy nejsou složeny z jiných, menších součástí.   

V případě, že se na složené částici podílí hned tři kvarky, musí být (jakkoliv bychom jednotlivé spiny kvarků sčítali nebo odčítali) nutně její spin poločíselný. Daná částice se pak řadí mezi fermiony. To jsou částice, které tvoří naši běžnou hmotu. 

„Vůně“ nebo „chuť“

Ani zde se nejedná o skutečnou vlastnost, spíše o přirovnání. Pokud mluví fyzik o tzv. „flavour“ kvarků, myslí tím jejich druh: up, down, strange, charm, top nebo bottom.  Zjednodušeně si je můžeme představit jako vůně různých zvířat, které umí vnímat například lev. My lidé na jejich detekci nemáme vhodný smysl. 

Elektrický náboj

I když patří elektrický náboj k těm vlastnostem kvarků, které si umíme výjimečně dobře představit, udivují vědce i laiky ze všeho nejvíce. 

Není to ani tak tím, že kvarky elektrický náboj vlastní – jde spíše o jeho velikost. Příroda odvážila náboje kvarků tak přesně, že odpovídají třetinám jiného náboje – náboje elektronu. To je velice důležitý fakt. 

Up kvark vlastní elektrický náboj s hodnotou +2/3, down kvark pro změnu -1/3. 

Složením tří kvarků up+up+down (2/3 + 2/3 - 1/3) pak vzniká částice s pozitivním nábojem +1 (proton), který matematicky odpovídá náboji elektronu. Složením kvarků up+down+down (-2/3 – 2/3 + 1/3) se tvoří neutron s celkovým nulovým elektrickým nábojem. 

Stejná (jen matematicky opačná) hodnota náboje protonu a elektronu  dovoluje atomům hmoty, aby byly navenek zdánlivě elektricky neutrální v případě, že se skládají z vyrovnaného počtu protonů v jádře – a kolem jádra obíhajících  elektronů. Kdyby měly náboje kvarků jen trochu jinou velikost, měla by běžná hmota jiné vlastnosti. S největší pravděpodobností bychom nemohli obdivovat ani komplexní struktury ve vesmíru ani existenci jednotlivých živých a inteligentních bytostí. 

Ostatní (těžké) kvarky jsou na tom podobně jako up a down. Charm a top kvark vykazuje náboj +2/3 e…  strange a bottom kvark pak -1/3 e. 

Hmotnost

Vzhledem  k tomu, že se ale kvarky nikdy nevyskytují osamoceně a izolovaně, jedná se jen o teoretickou hmotnost. Přesto, že se dají kvarky vážit jen nepřímo a měření je zatíženo celkem velkou chybou, víme, že se jejich hmotnosti značně liší. Kvarky „vážíme“ v jednotkách MeV/c^2. 

Up kvark je velice „lehký“ a váží 1,5 -5 jednotek. Down kvark, který spolu s ním tvoří naši běžnou hmotu, váží už 17 – 25 jednotek. Všechny ostatní kvarky jsou daleko těžší. Strange kvark váží 60 – 170, charm pak 1100 – 1400 jednotek. Botton kvark odpovídá 4100 – 4400 a jeho kolega top je skutečným obrem. Svými 173 800 +/- 5200 jednotkami získává v pomyslné hitparádě první cenu. 

Rodina

Zdroj: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ed/Standard_Model_From_Fermi_Lab.jpg

Jako rodinu u kvarků označujeme skupinu, která má specifickou hmotnost. Známe tři rodiny kvarků. Tvoří je lehké částice – up a down, těžší rodina se skládá z kvarků strange a charme, nejtěžší jsou pak top a bottom. Na tvorbě hmoty se v našem vesmíru podílí ale jen ta nejlehčí z nich – up a down kvarky. 

Působení sil a interakce

Kvarky jsou jedinou skupinou elementárních částic, na které působí jak silná, tak slabá jaderná interakce a elektromagnetická síla. Interagují tedy jak s fotony, tak s Z a w- bosony a gluony (silovými částicemi).

Barevný náboj

Poté, co byla objevena první částice, která se skládala ze tří na pohled identických kvarků (strange-strange-strange), vynořilo se dilema: ona částice totiž popírala Pauliho vylučující princip, podle kterého nemohou fermiony (ke kterým tedy patří i kvarky) vzájemně sdílet stejný prostor, pokud mají stejné vlastnosti. Tři stejně vypadající kvarky ale zjevně ve stejném prostoru existovaly – nemohly být tedy opravdu stejné. Musely se od sebe odlišovat nějakou další veličinou, kterou věda dosud neznala. Fyzika tak objevila další novou vlastnost, kterou se navzájem liší i na pohled „stejné“ kvarky. Dostala název „barevný náboj“. 

Nejde samozřejmě o barvu v pravém slova smyslu. Jedná se o náboj silné jaderné interakce podobně, jako je elektrický náboj nábojem elektromagnetické síly. 

Obrázek: barvy kvarků a antikvarků. 

Barvy kvarků nebyly vybrány náhodně. Odpovídají aditivním (skládanému) vjemu barevných paprsků. Když v našem  běžném světě složíme paprsky zelené, modré a červené barvy, je výsledkem paprsek s bílým světlem. Podobně se skládají i „barvy“ kvarků. Výsledná částice musí mít vždy bílou barvu, ať už se jedná o částici složenou ze tří nebo ze dvou kvarků.

Až potud je tedy situace jasná – složením tří barev (tří kvarků) získáme „bílou“ částici. Jak to ale funguje v případě dvoukvarkových částic – mezonů? Jaké dvě barevné částice lze ale složit tak, aby měly ve výsledku bílou barvu? Jde to jen pomocí antičástic. Červený kvark se spojí s antičerveným a vytvoří přitom boson vyšší kategorie – mion. U „dvoukvarkových částic“ se tedy jedná o částice, které se skládají z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Díky měření dnes víme, že páry kvarků a antikvarků v mezonech své barvy neustále mění.  Kvark je během určité doby stejně často červený jako zelený a modrý. Znamená to, že naše pomyslná částicová zebra průběžně mutuje. Ze zebry obecné se stává zebra Boehmova, aby později změnila svůj vzhled na zebru Grévyho. Jak je to možné? Částice mění svou barvu pomocí gluonů, bosonů (tedy výměnných částic silné jaderné interakce). Gluony totiž samy také reagují silnou jadernou interakcí a nesou tedy vlastní barevný náboj. Kvark si s nimi barevný náboj jednoduše vymění. Gluon je tedy zebřin pomocník, který ji i sebe neustále převléká no nových a nových převleků, simulujících určitý druh zebry. Pak si je sám obléká. Mate tím nejen vás, ale i pomyslného částicového lva, který právě dostal na částicovou zebru chuť.  

Gluony (částice, které zprostředkovávají silnou jadernou interakci) se tedy samy na této interakci podílejí. To je zásadní rozdíl mezi silnou jadernou silou a například elektromagnetismem. Jeho výměnné částice (fotony) jsou elektricky neutrální. Díky tomu také fotony mezi sebou navzájem nereagují. Gluony to umí – reagují jak se svými kvarky, tak mezi sebou navzájem. Na doplnění – gluonů existuje 8 různých druhů.

Tříkvarkové částice se mohou skládat z šesti různých barevných stavů podle toho, který kvark nabral jaký barevný náboj. Představte si tedy tři vedle sebe stojící zebry, které neustále mění svoje převleky. Mezi nimi pobíhají gluonoví pomocníci, kteří jsou za převlékání zeber odpovědní. Sami navíc neustále mění svoje vlastní převleky podle toho, jaký druh právě své kvarkové zebře přidělili. Pokud si k tomuto chaosu přimyslíte ještě velké množství vznikajících a zanikajících virtuálních kvarků – máte celkem solidní obrázek, jak to vypadá uvnitř klasických částic hmoty. 

Izolovanost - confinement

V přírodě se ještě nikdy nepodařilo pozorovat jednotlivý, izolovaný kvark. Vždycky, když vědci zkoušeli izolovat některý z nich, vznikaly namísto osamělého kvarku jen další mezony a baryony. 

Vysvětlení tohoto jevu nabízí sama podstata silné jaderné interakce, síly, která kvarky drží pohromadě. 

Jakmile se kvarky nacházejí poměrně blízko sebe, mají relativní volnost a síla, která je spojuje je relativně slabá. 

Když je ale zkusíme rozdělit a navzájem je vzdálíme, vzroste také síla silné jaderné interakce. Na to, abychom oddělili jeden kvark od ostatních by byla teoreticky nutná nekonečně vysoká energie. K tomu, abychom ale systému dodali nekonečně vysokou energii ale nikdy nedojde – a to nejen proto, že ji nemáme k dispozici. Už při menších hodnotách přidané energie totiž vzniká nová částice, například antikvark, který se s kvarkem, který se snažíme oddělit, spojí a vytvoří příslušný nový mezon. 

Chudák částicový lev. Nemá to vůbec lehké. Snaží se oddělit z trojice zeber tu nejšťavnatější, aby ji poobědval. Když se mu to konečně podaří, je zebra pryč a on stojí tváří v tvář naštvanému nosorožci. 

Příště: Částicové Zoo – protony

Svět elementárních částic – částicové Zoo

Fyzika má problém... ...a je to velice vážný problém. Navzdory veškerým, v minulých desetiletích a staletích získaným vědomostem, dnes nevíme, z čeho se skládá 96 % našeho vesmíru. 

Za úspěch můžeme samozřejmě považovat fakt, že už víme, co všechno nevíme. Tím jsou ale naše pozitiva vyčerpána. 

Vesmír, ve kterém žijeme, se skládá z energie a hmoty. Díky Albertu Einsteinovi víme už zhruba sto let, že má jak hmota tak energie stejný základ. Umíme dokonce vzájemně přepočítat jednu na druhou. Spojuje je jednoduchý vzorec E=mc^2, který e v průběhu let stal symbolem lidského poznání. Co ovšem Einstein vědět nemohl – viditelná hmota i energie, kterou propojuje jeho slavná teorie, tvoří jen 4% našeho vesmíru.

Straší tady...?

26 % vesmíru připadá na tzv. „temnou hmotu“. Tato exotická látka se od naší běžné hmoty liší tím, že nereaguje na elektromagnetické záření. Nevysílá světlo, tak jako to dělají například běžné , je dokonce pro elektromagnetické záření,  které na ni dopadá, průhledná. Nereaguje s ním, neodráží ho - a ani její povrch ho nepohlcuje. Záření naší „běžné“ hmoty i běžná hmota sama touto „temnou hmotou“ prochází, jako by reálně vůbec neexistovala. Díky této své vlastnosti by si zasloužila spíše název „průhledná“ nebo „strašidelná“.

Elektromagnetismus a Pauliho princip dělají ze strašidel reálné objekty

Za to, že obyčejná „pevná“ hmota nemůže procházet jinou pevnou hmotou, může právě elektromagnetická síla. Když držíte v ruce tužku, nepropadne vám dlaní proto, že elektrony na oběžných drahách kolem jader vnějších atomů vaší ruky odpuzují elektrony vnějších atomů tužky. Elektrony jsou samotáři, svým kolegům se vyhýbají, pokud to jen trochu jde.
Kromě toho se část naší běžné hmoty řídí tzv. Pauliho vylučujícím principem, který se stará o to, aby dvě stejné částice atomových jader nemohly zaujmout stejné místo ve stejném prostoru. S trochou nadsázky bychom mohli říci, že některé z částic naší hmoty (dostaly jméno „fermiony“) nemají rády dvojlůžkové pokoje a trvají na pokojích jednolůžkových. Některé zase sdílejí svůj prostor s jinými částicemi velice ochotně a dalo by se říci, že často a rády pořádají v pomyslném hotelovém pokoji divokou party. Společným názvem takových kamarádsky založených částic je „bozon“.

Není ji vidět, odkud tedy víme, že temná hmota existuje? 

Tzv. „temná“ hmota se v našem vesmíru naštěstí přeci jen něčím projevuje - a to svou gravitací. Křiví svým vlivem prostor, který pak ovlivňuje dráhu jím prolétajících částic, například fotonů. Ty následně vidíme v našich teleskopech. Díky tomuto jevu známe celkem přesně místa výskytu temné hmoty. Nachází se kupodivu ve stejných oblastech vesmíru, ve kterých pozorujeme i „běžnou“, zářící hmotu. Oba druhy hmoty tedy existují paralelně vedle sebe, nebo dokonce „v sobě“.
Právě to, že temná hmota neodolá gravitaci, by mohlo jednoho dne přivést k vysvětlení její podstaty. Podle jedné z dnešních teorií tvoří temnou hmotu tzv. WIMP-částice (weakly interacting massive particle).
Měly by to být specifické částice, které jsou zároveň svými vlastními antičásticemi. Pokud se dostanou do vzájemné blízkosti, anihilují se za vzniku spršky gamazáření. Vědci, kteří po podobných výronech gamazáření pátrají, zatím neměli úspěch. Mohli by ale uspět, pokud budou jednoho dnes schopni pozorovat blízké okolí černých děr. Supermasivní černé díry (jaké se nacházejí v centru téměř každé galaxie) jsou totiž pro temnou hmotu neodolatelné. V jejich blízkosti by se mohly částice temné hmoty koncentrovat, srážet a díky tomu také často anihilovat.

... záhady se množí

Zbytek hmoty vesmíru, celých 70% připadá na tajemnou „temnou energii“. Zatímco u temné hmoty mají vědci alespoň náznaky teorií, které by mohly objasnit její podstatu, je temná energie velkou neznámou. Projevuje se tím, že rozpíná náš vesmír. A během posledních několika miliard let to dělá stále rychleji.
U temné hmoty a temné energie si musíme na potvrzení teorií nejspíš ještě počkat. Jak je to ale s „běžnou“, normální a viditelnou hmotou? Víme, z čeho se skládá a co ji tvoří?

Známý neznámý svět částic – částicové Zoo

Částice, ze kterých se skládá naše „běžná“ hmota, jsou zahaleny množstvím záhad. Zdá se, že každá nová teorie, která vysvětluje jejich vlastnosti, přidává na druhé straně jednu nebo hned několik nových nesrovnalostí. A tak věda hledá další teorii k jejich vysvětlení. Ta ovšem sice svůj účel splní, zároveň ale vyvolá nové kolo otázek.
Jako „částice“ fyzika označuje malé části hmoty, které se projevují nějakými, pro sebe typickými a charakteristickými vlastnostmi (energií, hmotností, elektrickým nábojem, spinem, chemickou reaktivností, dobou života a podobně).
Rozeznáváme dva základní druhy částic. Tzv. „elementární částice“ se nedá dále dělit. Její  vnitřní struktura je neznámá. Elementární částice se dají roztřídit na základní fermiony (kvarky, leptony a jejich antičástice) a základní bosony (výměnné bosony a Higgsův boson). Dalším druhem jsou složené částice. U nich vnitřní strukturu známe. Tvoří ji různě kombinované elementární částice.
Svět našich částic zatím nejlépe popisuje tzv. standardní model. V jeho rámci se dají vysvětlit mnohé jejich vlastnosti a dokonce i jejich vzájemné interakce. Standardní model zahrnuje několik poměrně známých, často používaných, ale pro laika lehce matoucích pojmů. Které částice jsou mezony? Které leptony a které fermiony? A proč se některým částicím říká hned několika jmény? Situace je poměrně jednoduchá. Pojďme se na ni podívat s pomocí obrázku.
Částice se podle svých vlastností dělí na bosony a fermiony. Některé z nich jsou skutečně elementární – tedy nedělitelné, jiné se skládají z příslušných dalších ementárních částic, kvarků. Složeným částicím se říká souhrnně hadrony.

Bosony jsou částice, zprostředkující základní, ve vesmíru působící síly: slabou a silnou jadernou interakci, elektromagnetismus a gravitaci.
Fermiony jsou naopak částicemi pevné hmoty.
Obě kategorie obsahují jak částice složené, tak jednoduché. Těm složeným se říká hadrony. Patří k nim mesony, které jsou podkategorií bosonů – představují bosony, složené ze dvou kvarků. Podobnou podkategorii fermionů tvoří baryony, které jsou složené hned ze tří kvarků. Nesloženým, jednoduchým fermionům se říká leptony.

Standardní model

„Zoologické zahradě“, ve které jsou zavřené elementární i složené částice, se říká „standardní  model“. Tak, jako jsou od sebe odděleny šelmy a býložravci ve skutečně Zoo, dělíme i částice pomyslně podle jejich schopností a vlastností do různých skupin.
Když je v reálném životě přivedeme do vzájemné blízkosti, začínají mezi sebou reagovat podobně, jako by mezi sebou reagovala zvířata. Pokud pustíme do výběhu s antilopami hladového lva, „poreaguje“ s nimi. Podobně se chovají i některé částice. Na rozdíl od zvířat mají ale částice daleko život daleko pestřejší. Lev si může vybrat – a antilopu buď sežere nebo nesežere. Částice mají větší výběr. Částicová obdoba lva se umí například sežráním částicové antilopy ... přeměnit na tygra nebo nosorožce. Existují dokonce i částice, které ráno vyletí z hnízda jako orli, v poledne  se z nich stanou čápi a navečer vystupují před udiveným publikem jako dobře vycvičení papoušci.
Líbí se vám představa částicové Zoo? Prohlédněme si ji trochu důkladněji.
Na obrázku je vidět rozdělení elementárních částic ve standardním modelu – tedy základní dělení naší Zoo. Různé druhy tvoří různé skupiny a jsou uzavřené do svých vlastních výběhů. Rozlišujeme tak mezi kvarky, leptony a bosony, viz následující obrázek.
Uvnitř každého výběhu se nacházejí zdi, které od sebe dělí různá částicová zvířata. Kvarky se například podle své hmotnosti dále dělí na tři tzv. „rodiny“.“ Úplně lehké kvarky (up a down) se chovají jinak než těžší rodina (charm a strange) a ta má zase jiné vlastnosti než těžkotonážní varianta kvarků (top a bottom).
Ve vedlejším (zde zelenou barvou natřeném) výběhu vidíme jeden set elektricky nabitých a jeden set elektricky neutrálních leptonů. Stejně jako kvarky se dělí na lehké, těžší a těžkotonážní.
Poslední výběh je určen pro částice zprostředkovávající síly, působící na vesmírnou hmotu. Tyto síly jsou dohromady čtyři, proto rozlišujeme čtyři různé silové částice.
Výčet završuje tzv. higgsův boson. Ten nemá žádný výběh, a to z jednoduchého důvodu: patří k vymřelým druhům. Ne, nevyhubili jsme ho my, lidé, zmizel už před delší dobou. S trochou štěstí dnes nacházíme už jen jeho fosilie.

Obrázek: Elementární částice, ze kterých se skládá „běžná“ hmota. Zdroj: By Fermi National Accelerator Laboratory (Fermi National Accelerator Laboratory (Fermi Lab)) [Public domain], via Wikimedia Commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Standard_Model_From_Fermi_Lab.jpg

Kvarky

Kvarky vidíte na horním obrázku v červeném výběhu. Mají zvláštní vlastnosti, působí na ně například tzv. „silná jaderná síla“ – dalo by se říci „bojí se lva“.
Kvarky jsou zajímavé elementární částice, které se ve vesmíru nikdy nevyskytují osamoceně, ale jen ve skupinách, podobně jako kopytníci. Rozlišujeme dohromady šest druhů. Jejich jména jsou možná trochu exotická: up, down, charm, strange, top a bottom. Tak, jako se od sebe liší zebry a antilopy barvou a tělesnou konstrukcí, liší se od sebe kvarky svou hmotností.

Obrázek: kvarky a jejich hmotnost. Na tvorbě běžné hmoty se podílejí jen dva nejmenší – up a down.
Fyzikální zákony v našem vesmíru si pro tvorbu „běžné“ hmoty vybraly jen dva nejlehčí kvarky: up a down. Ostatní kvarky umíme vyrobit v urychlovačích, pro vznik hmoty v dnešních vesmírných podmínkách se ale nehodí. Proces by byl příliš energeticky náročný – a příroda je na to, aby povolila podobné excesy, příliš spořivá.

Vlastnosti kvarků

Moderní věda nám dnes umí kvarky celkem dobře - vykreslit.
Jsou to částice „běžné“ hmoty, reagují tedy nejen na výše zmíněnou sílu, silnou jadernou interakci, ale také na elektromagnetickou sílu. Mají dokonce vlastní elektrický náboj. Pro zjednodušení se vyjadřuje zlomky jednotek. „Up“ kvarky mají elektrický náboj, rovný +2/3 jednotky. „Down“ kvarky mají náboj jiný, -1/3 jednotky.
Odlišují se ještě jednou vlastností, které se říká zjednodušeně „barva“. Nejde samozřejmě o barvu v klasickém smyslu slova, je to spíše vlastnost, která se chová stejně jako se chovají barvy duhy.

Obrázek: „Barvy“ kvarků a antikvarků.

Kvarky nesou „barvu“ červenou, modrou a zelenou. Jejich antičástice (antikvarky) nesou barvu antičervenou, antimodrou a antizelenou - tedy cyklamovou, žlutou a magentu. Kvarky tvoří vždycky skupinky po třech, výjimečně po dvou. Stejně jako barvy duhy, i kvarky pak mísí svoje „barevné náboje“ tak, že je výsledná „barva“ konečné částice bílá.

Obrázek: částice, složené z kvarků: ze tří kvarků se tvoří protony a neutrony – základní částice naší hmoty, ze dvou pak například piony a kaony, které patří k bozonům, částicím zprostředkujícím jednu ze základních sil. Zdroj: By Maschen (Own work) [CC0], via Wikimedia Commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Qcd_fields_field_(physics).svg

Částicím, které se z kvarků skládají, se souhrnně říká „hadrony“. Nejznámějšími hadrony jsou protony, neutrony a piony.
Protony a neutrony obsahují tři kvarky: Jeden up a dva down nebo jeden down a dva up. Elektrický náboj těchto kvarků se skládá dohromady a vytváří celkový náboj protonu a neutronu. Výsledný proton má elektrický náboj up+2/3 up+2/3 down-1/3, tedy rovný celému číslu 1. Neutron vlastní pro změnu down-1/3 down-1/3 a up+2/3 kvarky. Jeho výsledný náboj je tedy 0.
Tzv. piony se skládají jen ze dvou součástek - z jednoho kvarku a jeho příslušného antikvarku. „Jak je to možné, hmota a antihmota se přeci navzájem anihiluje“, namítnete jistě na tomto místě. Ano, to je pravda, ale tato anihilace neprobíhá okamžitě, je na ni potřeba určitá (i když velice krátká) doba. Částice, které se skládají z kvarků a antikvarků, proto mají samozřejmě úplně jiné vlastnosti, než částice hmoty, skládající se ze tří kvarků. Jejich vlastnosti jsou dokonce tak odlišné, že tyto částice zařazují do úplně jiného výběhu našeho pomysleného částicového Zoo – nepatří k částicím hmoty, ale mezi částice, zprostředkující vesmírné síly.

Leptony

Dalším druhem elementárních částic, ze kterých se skládá naše hmota a které si můžete prohlédnout v částicové Zoo, jsou tzv. „leptony“. Na horním obrázku se nacházejí v zeleném výběhu. Nepůsobí na ně silná jaderná síla, takže se mohou v přírodě vyskytovat i osamoceně.
Samotářské leptony se dělí na elektricky nabité (vrchní řádek) a elektricky neutrální (dolní řádek).
Mezi nabité leptony patří elektrony, myony a tauony. Tak, jako existuje 6 kvarků, rozdělených podle své hmotnosti do tří „rodin“, liší se hmotností i tyto leptony. Příroda si k tvorbě hmoty vybrala zase jen ten nejlehčí z nich – elektron. Stejně jako mezi zvířaty, i tady se vždy prosadí ta nejefektivnější varianta. Druhá a třetí rodina leptonů je daleko hmotnější, jejich použití by bylo proto energeticky náročnější. Myony jsou například 200x těžší než elektrony a taurony dokonce 4000x hmotnější. Protože příroda volí vždy raději tu jednodušší z nabízených variant, pro tvorbu hmoty dnes tyto těžké částice nevyužívá. Hojně se vyskytovaly ale bez pochyb v raném vesmíru, těsně po Velkém třesku.
Neutrálními leptony se nazývají neutrina. Neutrina reagují naopak slabou jadernou silou, ta má ale jen velice krátký dosah. To je i důvodem pro vysokou intertnost neutrin. Při běžné teplotě s ostatní hmotou prakticky nereagují.  Neutrina jsou v naší částicové Zoo opravdovými lenochody. Možná budete mít štěstí a na chvíli je zahlédnete,  ale většinu doby prospí. Nedělejte si iluze, že rozeznáte jednotlivé členy rodiny, jsou si všichni úžasně podobní. Navíc umí po libosti měnit pohlaví (díky jevu, kterému se říká elektronová oscilace) a mají legraci z toho, že vás to mate.

Obrázek: Částice tzv. „první generace“ jsou ty, které se podílejí na tvorbě „běžné“ hmoty. Na obrázku jsou znázorněny barevně. Zdroj:By Fermi National Accelerator Laboratory (Fermi National Accelerator Laboratory (Fermi Lab)) [Public domain], via Wikimedia Commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Standard_Model_From_Fermi_Lab.jpg

 „Životnost“ elementárních částic

Průměrná doba existence základních elementárních částic se případ od případu liší. Některá částicová „zvířata“ mají život vpravdě jepičí. Jiná žijí daleko déle, než my, lidé.
Díky experimentům v urychlovačích (jedním z nejznámějších je CERN) víme, že se těžké leptony během zlomků vteřiny rozpadají na menší a méně hmotné. Při rozpadu pak nevznikají úlomky velkých částic, jako je tomu při rozpadu radioaktivních jader – rozpad částic se řídí takovými pravidly, která zaručují, aby se zachoval celkový náboj původního objektu a jeho hmota, případně energie.
Up kvarky, elektrony a jim odpovídající antičástice jsou prakticky věčné. Down kvarky jsou trvanlivé jen tehdy, když se pojí s up kvarky a tvoří s nimi proton nebo neutron.
Kvarky druhé a třetí generace, stejně jako w- a z-bozony jsou oproti tomu nestabilní a rozpadají se během více či méně krátké doby na lehčí částice. Přitom je rozpad tím rychlejší, čím hmotnější je – a čím více variant rozpadu je částici umožněno.

Poločas rozpadu

Pokud se někdy setkáte s tzv. „střední dobou“ nebo „poločasem“ rozpadu elementární částice, je to jiný pojem, než jaký používá fyzika pro rozpad radioaktivních jader. U těch je střední doba rozpadu časovým úsekem, během kterého se rozpadne polovina atomů. Střední doba rozpadu elementárních částic je také rovna době, během které se počet částic sníží na určité množství. Toto množství ale určuje zlomek 1/e. Odpovídá to zhruba 36 procentům původního množství.

Obrázek: rozdíl mezi poločasem rozpadu radioaktivních jader a elementárních částic. 

Místo rozpadu – neustálé přeměny

U jednoho druhu částic, neutrin, se nedá mluvit o „životnosti“ v pravém slova smyslu. Tyto málo aktivní částice se sice nerozpadají, zato mění svůj druh, nebo, chcete-li – pohlaví. Z elektronového neutrina se tak průběžně stává tau-neutrino nebo myonové neutrino. Tomuto zvláštnímu jevu vědci říkají neutrinová oscilace. Patří k tomu nejzajímavějšímu a nejexotičtějšímu, co vám může částicové Zoo nabídnout.
Pokračování příště...