Částice na konci vesmíru

Za posledních pět let jste možná zaznamenali zprávy o ohromujícím Velkém hadronovém urychlovači, který vybudovala Evropská organizace pro jaderný výzkum (CERN) nedaleko Ženevy. Co to ale vlastně je? A proč je důležitý nejen pro fyziky, ale pro celý svět?

Abychom na tyto otázky odpověděli, je potřeba porozumět některým základním principům, které určují, jak náš vesmír funguje, a seznámit se se základy subatomární fyziky. A právě to se naučíte v knize „Částice na konci vesmíru“.

Ponoříte se do podivného světa atomových interakcí až k těm nejmenším částicím. Pochopíte také, proč jsou tyto částice důležité – jak pro podobu našeho vesmíru, tak pro to, jak jejich objev posunul naši civilizaci vpřed.

S těmito základy budete připraveni sledovat vědecký tým v CERNu při jejich nedávném průlomovém objevu jedné z nejpozoruhodnějších základních částic: Higgsova bosonu.

V tomto shrnutí se mimo jiné dozvíte, proč by Angelina Jolie kvůli své společenské „hmotnosti“ nikdy nedoběhla k bufetu tak rychle jako vy; proč jsou některé kvarky „okouzlující“ a jiné „podivné“; a jak vědci dokázali existenci této nepolapitelné Higgsovy částice.

Od samého počátku lidstva se ptáme, z čeho přesně se naše těla skládají. Moderní věda odhalila, že vše – včetně vás – je složeno z drobných částic neboli stavebních bloků, kterým říkáme atomy. A tyto stavební bloky se samy skládají z ještě menších subatomárních částic: protonů, neutronů a elektronů.

Každý jednotlivý atom má v jádře jedinečný počet protonů – své atomové číslo. To lze použít k identifikaci atomu v periodické tabulce, kterou poprvé publikoval Dmitrij Mendělejev v roce 1869. Například atom helia má v jádře dva protony, a proto má atomové číslo 2. Plutonium má naopak 94 protonů (je to „těžší“ atom) a v tabulce mu odpovídá číslo 94.

V roce 1913 přispěl Niels Bohr k našemu porozumění atomu svým modelem atomu. Ukázal, že elektrony „obíhají“ kolem jádra s protony a neutrony podobně, jako Měsíc obíhá kolem Země.

Protony a elektrony se liší ve dvou důležitých ohledech: nábojem a hmotností. Elektrony mají záporný náboj a jsou ve srovnání s protony velmi lehké. Protony mají kladný náboj a jsou přibližně 1 840krát „těžší“ než elektrony.

Atom je nejmenší jednotka daného chemického prvku. Někdy se však atomy mohou spojovat a vytvářet to, čemu říkáme molekuly. Mnohé běžné látky, jako je voda nebo oxid uhličitý, jsou ve skutečnosti molekuly – tedy specifické kombinace atomů navzájem vázaných. Když se například dva atomy vodíku spojí s jedním atomem kyslíku, vznikne molekula vody. Můžete si ji představit jako nejmenší možnou kapku vody.

Ačkoli jsou atomy nesmírně malé, vědci brzy objevili ještě podivnější a menší svět uvnitř protonů, neutronů a elektronů samotných.

Pokud jsou atomy stavebními bloky hmoty, jaké jsou stavební bloky samotných atomů? Ukázalo se, že vědci objevili další, ještě menší subatomární částice. Jak ale mohli objevit něco tak nepatrného?

Vše začalo, když zkoumali, jak se neutrony rozpadají. Když neutron „zemře“, vyzáří elektron. Když však vědci tyto elektrony studovali, zjistili, že uvolněná energie neodpovídá energii původního neutronu. Ve skutečnosti naměřili méně energie, než kolik by mělo být k dispozici – jako by se část energie někam ztratila. Kam se poděla?

V roce 1930 navrhl švýcarský fyzik Wolfgang Pauli odpověď. Kromě elektronů uvolňují rozpadlé neutrony ještě další drobnou částici, která byla později nazvána neutrino. Neutrina a elektrony patří do rodiny lehkých částic zvaných leptony.

Jakmile se vědci podívali blíže, začali objevovat celou řadu různých leptonů. V roce 1936 objevili američtí fyzici Carl Anderson a Seth Neddermeyer při studiu kosmického záření další lepton – mion.

Tím to ale neskončilo. V roce 1962 zjistil Leon Lederman se svými kolegy, že ve skutečnosti existují dva druhy neutrin: jedno, které interaguje s elektrony (tzv. elektronové neutrino), a druhé, které interaguje s miony (tzv. mionové neutrino). A pak byly v 70. letech objeveny částice tau a odpovídající tau neutrino, čímž se rodina leptonů rozrostla na celkem šest částic.

Spolu s leptony objevili vědci také těžší subatomární částice: kvarky. Podobně jako leptony existuje i šest různých, podivně pojmenovaných druhů kvarků: up a down, charm a strange a top a bottom. Tyto kvarky se liší mimo jiné svým elektrickým nábojem: kvarky up, charm a top nesou kladný náboj (ve zlomkových jednotkách), zatímco kvarky down, strange a bottom mají záporný náboj.

Kvarky si můžete představit jako stavební kameny protonů a neutronů: stejně jako má každý atom v periodické tabulce přesně daný počet protonů, skládá se každý proton z konkrétní kombinace kvarků.