“Chytří lovci stopují konečnou teorii hledáním známek symetrie. Přírodní zákony jsou všechny

1. “Chytří lovci stopují konečnou teorii hledáním známek symetrie. Přírodní zákony jsou všechny vyjádřením symetrie, a veškerá fyzika je v jistém smyslu hledáním symetrie.” T. Ferris: “Zpráva o stavu vesmíru” Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: WAGNER@UJF.CAS.CZ, WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/ 1. Úvod 2. Co víme o hmotě? 2.1 Složení hmoty 2.2 Hierarchická struktura hmoty 2.3 Problémy popisu mikrosvěta 2.4 Nástroje pro popis mikrosvěta 2.5 O platnosti teorie rozhoduje experiment 3. Standardní model 3.1 Kvarkový model • 3.2 Kvantová chromodynamika • 3.3 Elektroslabá interakce • 3.4 Obecná teorie relativity • 4. Hurá za standardní model • 4.1 Proč - experimentální a • teoretické důvody • 4.2 Od velkého sjednocení • k supersymetrii • 4.3 Strunové teorie • 5. Závěr Z čeho a jak je poskládán svět a jak to zkoumáme?anebstandardní model hmoty a interakcí, co je vakuum ...

2. Od Adama ne! ale od řeckých atomistů ano ! Atomová idea- řečtí atomisté Demokritos a Leukipos 5. století př. n. l. pouze filosofické úvahy Atomová hypotéza- konec 17. století, experimentální náznaky pro její budování testovatelné předpovědí Atomová teorie - 18. a 19. století chemie a fyzika poskytla experimentální data pro její experimentální potvrzení 20. století - vybudování teorie popisu hmoty a tří ze známých interakcí - „standardního modelu“ a její experimentální potvrzení Pozorujeme náznaky 1) možnosti sjednocení popisu všech interakcí 2) možnosti, že „fundamentální“ částice nejsou bodové ale „struny“ s konečným rozměrem 21. století - dokončení sjednoceného popisu hmoty a všech interakcí (možná ve strunové teorii) Začátek zkoumání hmoty v 17. století Zkoumání hmoty dnes experiment ALEPH v CERNu Úvod

3. Hmota je složena z částic - mezi nimi působí interakce Atomová fyzika, fyzikální chemie Jaderná fyzika Fyzika elementárních částic Superstrunové teorie? (rozměr 10-35 m)? Důležité nástroje pro popis mikrosvěta: 1) Speciální teorie relativity - rychlosti blízké rychlosti světla, kinetická energie srovnatelná s klidovou 2) Kvantová fyzika - velmi malé hodnoty veličin  kvantový a pravděpodobnostní charakter, Heisenbergův princip neurčitosti Složení hmoty

4. „Jediné, co mě zajímá, je najít soubor pravidel, která by souhlasila s chováním přírody, a nezkoušet jít příliš daleko za to. Zjistil jsem, že většina filozofických diskusí je psychologicky užitečná, ale nakonec, když se podíváte zpátky do historie, zjistíte, že to, co bylo kdysi řečeno s takovou pádností, je téměř vždy -- do jisté míry -- nesmyslné! “ R. Feynman v rozhovoru v knize P. Daviese a J. Browna „Superstrings: A Theory of Everything?“ Věda hledá popis reálného světa Nalezené zákonitosti umožňují dělat testovatelné předpovědi Každá vědecká teorie i hypotéza musí být falzifikovatelná - testovatelná Pravdivost různých interpretací lze řešit jen experimentálním pozorováním Úplné pochopení teorie ↔ úplné osvojení fyzikálního i matema- tického aparátu → spočtení předpovídaných fyzikálních veličin Richard Feynman Mikrosvět – neobvyklé vlastnosti popisované kvantovou fyzikou Přiblížení pomocí analogie – tato zjednodušení je třeba je brát velmi opatrně Použití pojmů z makrosvěta na vlastnosti mikrosvěta ↔ pozor opatrně při interpretaci Karl Popper v Praze v r. 1994 (těsně před smrtí) Fyzika mikrosvěta z pohledu metodologie

5. Problémy při popisu mikrosvěta Řada vlastností odlišná od běžné makroskopické zkušenosti – přímo jí odporují v → c EKIN→ ∞ Speciální teorie relativity:důsledky platnosti Lorentzovy transformace E2 = (m0c2+EKIN)2= (m0c2)2 + p2c2 Nerelativistické přiblížení: (p << m0c) → EKIN p2/2m Ultrarelativistické přiblížení: (p  m0c) → EKIN E  pc Kvantová fyzika 1) Ovlivnění měřeného objektu samotným aktem měření. 2) Principielní neurčitost měření: px  ħ Et  ħ 3) Pravděpodobnostní charakter. 4) Diskrétní hodnoty některých veličin 5) Popis vlnovou funkcí (není pozoro- vatelnou veličinou). Složitá forma vakua možnost popisu pomocí virtuálních částic

6. Symetrie - neměnnost některých vlastností při změně jiných Neměnnost (invariance) vůči jisté změně (transformaci) Vzhled dvojhlavé karty se nemění při jejím otočení o 180o Fyzika - fyzikální zákonitosti se nemění při jistých transformacích - vlastnosti fyzikálních objektů se nemění při jistých transformacích Prostoročasové transformace - posunutí v čase, posunutí v prostoru, otočení Vnitřní transformace - změna nábojů Narušení symetrie- symetrie neplatí úplně, pro všechny zákonitosti, interakce ... „Stejně jako v hudbě právě drobné disharmonie a narušení pravidelnosti vedou k dokonalosti“ Symetrie a jejich význam

7. Experimentální pozorování je rozhodujícím kritériem pro uznání platnosti hypotézy a její přeměnu v teorii Neustálé průběžné experimentální testování všech teorií (testuje se oblastí jejich platnosti) Stěžejní nástroj – srážka urychlených částic Nárůst energie → větší detaily Největší urychlovače E ~100 GeV → 10-18m & Systém detektorů (experiment D0 ve Fermilabu) Urychlovač (LHC v CERNu) Měření v mikrosvětě – o platnosti teorie rozhoduje experiment

8. Hmota je tvořena částicemi (fermiony s=1/2), mezi kterými působí interakce, které jsou zprostředkovány výměnou částic (bosony s=celé číslo) Tři druhy interakcí: 1) Silná - kvantová chromodynamika 2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika 3) Slabá - elektroslabá teorie + antičástice Standardní model

9. Interakce – pojem popisující možnost přenosu energie, hybnosti, náboje ... nebo možnost kreace či anihilace částic *) Efektivní hodnota dána velkými hmotnostmi W+, W- a Z0 bosonů Výměnný charakter interakce- je zprostředkována výměnou „virtuálních částic“ – jedná se o bosony (celočíselný spin) Možnost existence virtuálních částic  důsledek kvantové fyziky: Dosah interakce závisí i na hmotnosti zprostředkující částice: nulová klidová hmotnost  nekonečný dosah Při dostatečné energii lze částice interakcí „zviditelnit“ - stanou se reálnými naopak částice hmoty mohou být i virtuální – kreace virtuálního páru částice a antičástice a následná anihilace Interakce a jejich popis nosičem interakce mohou být i virtuální „složené částice“ – mezony jako nositelé silné jaderné interakce

10. Cíl -co nejjednoduššími pravidly a s co nejmenším počtem počátečních parametrů popsat hmotu a její chování Využití symetrií a narušení symetrií - budování příslušného matematického aparátu Hledání podobnosti různých interakcí Počátek - sjednocení popisu elektrických a magnetických jevů - Maxwelova teorie Mikrosvět - kvantové vlastnosti: vybudování kvantové elektrodynamiky Další krok: sjednocení popisu slabých a elmg interakcí Síla interakce se mění s energií - při určité hodnotě se pro různé interakce vyrovnají Očekávané sjednocení popisu všech interakcí Základní pravidla budou jednoduchá - konkrétní popis složitějších systémů může být i velmi náročný dokonce i neřešitelný v konečném čase Cesta k jednoduchosti - sjednocení popisu interakcí

11. (Gell-Mann či Zweig - epos a sláva či fraška a tragedie) Částice interagující silnou interakcí - hadrony Hadrony složeny z kvarků (původně tři druhy, nyní šest): mezony - kvark a antikvark baryony - tři kvarky (patří k nim proton i neutron) G. Zweig - esa M. Gell-Mann - kvarky Elektrické náboje kvarků: neceločíselné násobky jednotkového náboje Nutnost zavedení nové fyzikální veličiny „barvy“ Kvarkový model vycházel z podobností - symetrií ve světě elementárních částic Nepozorování volných kvarků se později vysvětlilo vlastností silných interakcí - asymptotickou volností Kvarkový model byl plně potvrzen: 1) Objevem předpověděné částice 2) Vysvětlením vlastností hadronů 3) Rozptylem elektronů z vysokou energií na hadronech 4) Pozorováním výtrysků hadronů Dekuplet s předpovídanou novou částicíΩ Kvarkový model

12. Váže kvarky do částic (hadronů) Interakce mezi barevnými náboji: tři druhy č + m + z zprostředkovaná osmi druhy gluonů Barevné náboje vytváří bezbarvé objekty Popis: kvantová chromodynamika Asymptotická volnost nelze vytrhnout jeden samotný kvark z částice: Tvorba nových hadronů Ještě vyšší energie - tvorba výtrysků Potvrzení:popis rozptylu částic při vysokých energiích, tvorby výtrysků Silná interakce - kvantová chromodynamika

13. proton – velmi silně interagující systém tří tzv. konstituentních kvarků nosiče silné interakce – gluony – mají barevný náboj → komplikovaná struktura protonu podíl komplikované struktury vakua Tři složky tvořící proton: 1) Proton je složen ze tří „konstituentních“ kvarků 2) virtuální gluony 3) virtuální páry kvarku a antikvarku Každá složka ~ 1/3 celkové hybnosti Komplikovaná struktura protonu se projevuje při rozptylových experimentech při vysokých energiích Tři „konstituentní“ kvarky k popisu protonu nestačí Nutno brát v úvahu při produkci částic pomocí srážek protonů Strukturu protonu bylo třeba brát v úvahu při produkci W, Z bosonů na urychlovači SPS v CERNU (obrazky WWW CERNu) Struktura protonu a dalších hadronů

14. Potvrzení existence kvarků a gluonů 1) Lze pomocí nich vysvětlit všechny pozorované hadrony (skladbu multipletů): 2) Na strukturu nukleonů (i dalších hadronů) ukazují jejich anomální magnetické momenty (30. léta – Stern, Gerlach) 3) Rozptyl elektronů (50. léta) – rozložení náboje a magnetického momentu → hadrony nejsou bodové 4) Hluboce nepružný rozptyl (70. léta) – produkce výtrysků → důkaz existence partonů, které lze spojit s kvarky a gluony (případy s třemi výtrysky prokazují existenci gluonů) Kvarky nelze z hadronů uvolnit – lze je však pozorovat uvnitř nich Problémy – komplikovaná struktura silné interakce, interpretace měření je závislá na teorii

15. Náboj - elektrický, může být + a - Zprostředkující částice - foton Popis:Makrosvět - Maxwelovy rovnice Mikrosvět -kvantová elektrodynamika Slabá interakční konstanta α = 1/137  použití poruchového počtu Feynmanův diagram rozptylu elektronů Možnost velmi přesných výpočtů  jedny z nejpřesnějších předpovědí potvrzené experimentem: Magnetický moment elektronu: Experiment: 1.001159652187(4) eħ/me Výpočet: 1.001159652307(110) eħ /me Elektromagnetická interakce - kvantová elektrodynamika

16. Nejslabší - zodpovědná za radioaktivní rozpady jader 1) Přeměna mezi jednotlivými druhy leptonů 2) Přeměna mezi jednotlivými druhy kvarků 3) Jediná interakce neutrin Popsána jednotnou teorií elektroslabé interakce Zprostředkována výměnou W+, W- a Z bozonů Rozptyl neutrina na elektronu Potvrzena objevem neutrálních proudů a zprostředkujících bosonů - urychlovač SPS v CERNu Produkce a rozpad W bosonu v experimentu DELPHI na urychlovači LEP v CERNu: Rozpad neutronu Slabá interakce  elektroslabá interakce

17. Gravitační interakce je nejslabšíale působí na velké vzdálenosti a je pouze přitažlivá (má pouze jeden typ náboje) Vyrovnání gravitační síly s ostatními při vysokých energiích 1019 GeV, na malých rozměrech 10-35 m - Planckův rozměr Hledání kvantové podoby teorie gravitace: S. Hawking Vypařování černých děr - vyváření párů částice a antičástice v blízkosti horizontu jeho rychlost nepřímo úměrné hmotnosti Zavádění pojmu entropie, teploty a dalších termodynamických veličin do popisu černých děr Zakřivení prostoru v okolí rotující černé díry Jedna z předpokládaných černých děr (NASA) S. Hawking hraje poker s I. Newtonem, A. Ein- steinem a Datem v jednom z dílů seriálu Star Treck Gravitace - obecná teorie relativity

18. Závěr 1) Stavba hmoty je hierarchická, skládá se z částic, mezi kterými působí čtyři druhy interakcí, zprostředkovanou výměnou částic 2) Tato stavba je popsána „standardním modelem“, potvrzeným velkým množstvím experimentálních pozorování. Ač nemůžeme kvarky pozorovat samostatně v hadronech je „vidíme“. 3) Jsou dobré důvody teoretické i experimentální jít za standardní model. 4) Jsou dobré důvody pro předpoklad, že strunová „hypotéza“ je správnou cestou k jednotnému popisu hmoty a interakcí. 5) Zda-li je tomu opravdu tak, rozhodne experimentální pozorování. 6) Příslušné experimenty využijí: A) Velmi citlivé a velké detektory (rozpad protonu, oscilace neutrin, hledání částic tvořících temnou hmotu …) B) Velmi výkonné urychlovače (LHC …) C) Různé druhy vesmírných pozorování (černých děr, kosmologie, …) 7) Velmi důležité je hledání matematického aparátu, který umožnípřesné kvantitativní předpovědi.