Co – možná - přinese příštích několik let ve fyzice částic?

1. Co – možná - přinese příštích několik let ve fyzice částic? Jiří Chýla, Fyzikální ústav AV ČR V polovině příštího roku bude v CERN uveden do provozu nový mohutný urychlovač zvaný LHC, v němž se budou srážet dva protiběžné svazky protonů, každý s energií sedmkrát větší než je dosud největší dosažená energie. Na LHC budou od podzimu 2008 na čtyřech místech probíhat experimenty, jichž se účastní i čeští fyzikové, které by měly přinést zásadně nové informace o základ- ních stavebních kamenech hmoty a o silách, které mezi nimi působí a odpovědět tak na základní otázku Jdeme správnou cestou nebo slepou uličkou? Otevřená věda regionům

2. Snad trocha historie nikoho (z vás) nezabije ... Otevřená věda regionům

3. Zrod kvantové teorie na přelomu 19. a 20. stole-tí je názorným příkladem, jak neočekávaně může dojít k zásadní změně pohledu na fyzikální zákony a jak těžko se s nimi člověk smiřuje. Lummers a Pringsheim (jaro 1900): datao spektrální hustotě záření absolutně černého tělesa leží pro větší vlnové délky a vyšší teplotynad předpovědí formule, již odvodil Wien v roce 1896 v rámci klasické statistické fyziky. Pointa: Wienova formule popisuje kvan- tovou povahu záření. Kvantová teorie byla objevena tím, že bylo pozorován odklon od této formule, v oblasti, kde platí klasické zákony. Otevřená věda regionům

4. Rutherfordův objev jádra (měření provedli Geiger a Marsden) Otevřená věda regionům

5. Obr. 3: Vlevo: Rutherford s Marsdenem u svého zařízení, jehož schéma je znázorněno nahoře. Částic alfa vycházejících ze zdroje R se rozptýlily na zlaté fólii F a dopadaly na vrstvu ZnS na předním okénku kukátka M které se otáčelo kolem osy kolmé na rovinu obrázku a do nějž se dívaly střídavě Geiger s Marsdenem. 1911: Rutherfordův experiment Otevřená věda regionům

6. 1932: Objev pozitronu cca 17 cm • Od konce 19. století vyvíjel H. R. Wilson ke zviditelnění drah nabitých částic mlžné komory, jež • jsou dvojího druhu: • - expanzní • difuzní Mlžná komora, kterou používal Anderson v letech 1935-1941 Otevřená věda regionům

7. Princip práce expanzní mlžné komory cca 17 cm Wilsonova expanzní mlžná komora používaná Andersonem v letech 1935-1941 v Caltechu. Otevřená věda regionům

8. 1932: první pozitron olověná deska Carl Anderson1905 — 1991 Otevřená věda regionům

9. Fyzici prošli dlouhou cestu od urychlovačů poslepo-vaných pečetním voskem jako byl první cyklotron, který vynalezl a postavil za 25$Ernest Lawrence v roce 1930,k obrovským urychlovačům v ceně okolo 1 G$skrytých v podzem-ních tunelech jako je budovaný LHC v CERN ... Replika of Lawrenceova cyklotronu v CERNském Microcosmu Otevřená věda regionům 9

10. proton 7000 GeV proton 7000 GeV V polovině roku 2008 by měl začít pracovat v tunelu kde byl do roku 2000 urychlovač LEP Velký srážeč hadronů LHC který – doufejme – přinese odpovědi na některé z v přednášce nastíněných otázek. Jde o po všech stránkách - velikosti, ceny, složitosti, doby vývoje a výstavby i očekávaného provozu - o největší projekt v historii základní fyziky. Významná je i účast skupin českých fyziků a techniků z UK, ČVUT a FZÚ AV ČR. Otevřená věda regionům

11. Ženevské jezero CERN LEP/LHC SPS Protonový synchrotron Otevřená věda regionům

12. Mont Blanc Otevřená věda regionům

13. tunel LHC dnes Otevřená věda regionům

14. Detektor ATLAS na urychlovači LHC v CERN Otevřená věda regionům

15. Otevřená věda regionům

16. Otevřená věda regionům

17. Jeden z nejpozoruhodnějších rysů současné fundamen- tální fyziky je stále patrnější skutečnost, že struktura a zákonitosti mikrosvěta úzce souvisí se vznikem a ranným stádiem vývoje vesmíru. Je tomu tak proto, že pro vývoj vesmíru těsně po velkém třesku byly rozhodujícístruktury a zákonitosti, které zkoumá fyzika částic. Ale i naopak: z vesmíru k nám, tak jako již mnohokrát v minulosti, může přiletět objekt, jenž bude klíčem k hlubšímu pochopení zákonitostí mikrosvěta. Otevřená věda regionům

18. Kvarky a vesmír : jedenáct otázek pro nové století Publikace Americké Akademie věd Otevřená věda regionům

19. Co tvoří temnou hmotu? Co je podstata temné energie? Jak vznikl vesmír? Jaké jsou hmotnosti neutrin a jak neutrina ovlivnila vývojvesmíru? Existují extra dimenze prostoru a času? Je proton stabilní? Měl Einstein poslední slovo o gravitaci? Jak pracují kosmické urychlovače a co urychlují? Existují nová skupenství hmoty při velkých hustotách a vysokých teplotách? Je třeba při vysokých energiích nová teorie hmoty? Jak vznikly prvky od železa po uran? Otevřená věda regionům

20. Obsah • Co o mikrosvětěvíme • Co si o něm domýšlíme • Jak se do něj díváme • Co přinese LHC? • Žijeme v mnohamíru? • Teorie všeho nebo čehokoliv? Otevřená věda regionům

21. Rozdíl 45 řádů! Charakteristické rozměry Otevřená věda regionům

22. Jednotky V mikro i makrosvětě se používajípřirozené jednotky Mikrosvět: 1 fm = 10-15 m = poloměr protonu 1 GeV = 1.8 10-27kg = klidová hmotnost protonu hmotnosti se uvádějí v jednotkách odpovídající energie podle vztahuE=mc2 Makrosvět: 1 světelný rok =9,5∙1016 m(rok má 3,15∙107s) 1parsek = 3.26 světelných let Teplota jemíra kinetické energie částic a proto se uvádí ve stupních Kelvina nebo ekvivalentní energii, přičemž 1 K = 0.0001 eV Otevřená věda regionům

23. Povaha zákonů mikrosvěta Moderní fyzika se opírá o dvě teorie, jež zásadním způsobem změnily naše představy o prostoru, čase a zákonech, jež v mikrosvětě působí: teorii relativity a kvantovou teorii. Vesmír, tak jak ho známe, by nemohl vzniknout, kdyby v něm platily zákony klasické fyziky. Kdyby se protony, neutrony a elektrony řídily zákony klasické fyziky, nebyly by atomy stabilní, neboť elektrony by podle nich při oběhu kolem jádra vyzařovaly energii a během krátké doby by se na něj zřítily. Energie z jádra a paprsky ze Slunce jsou podmíněny sku-tečností, že klidová hmotnost částic se může přeměnit na kinetickou energii jiných částic a obráceně. Díky tomu mohou při srážkách částic vznikat částice jiné, což jsou procesy, které hrály rozhodující roli ve velkém třesku. Otevřená věda regionům

24. Kvantová teorie pole, podivuhodné království v němž.... • káču (spin) nelzezastavit • vakuum (kvantové) není prázdné • konstanty (vazbové) nejsou konstantní • a nad vším vládne Maestro Pauli se svým„Pauliho vylučovacím principem“. Bez přehánění lze říci, že právě tomuto principu, jenž nemá v klasické fyzice obdobu, vděčíme za bohatost struktur mikrosvěta a tím i za svou vlastní existenci. Otevřená věda regionům

25. Vakuum v kvantové teorii pole je stav pole s nejnižší energií, v němž nejsou přítomny reálné částice ani antičástice. Nejde ovšem o triviální stav pole, ale stav, jenž je plný „virtuálních“ párů částic a antičástic jenž se v QED chová jako dielektrikum: vložený elek- trický náboj je v důsledku polarizace dielektrika od- stíněn. Výsledný efektivní elektrický náboj je proto klesající funkcí vzdálenosti. Otevřená věda regionům

26. Co o mikrosvětě víme Základní dnešní znalosti zákonů mikrosvěta jsou shrnuty ve standardním modelu Podle něj jsou základními stavebními kameny hmoty tři generace základních fermionů tj.částic se spinem 1/2, jež se dále dělí na kvarky a leptony Otevřená věda regionům hmotnost

27. U d U u d d Z kvarků jsou složeny dobře známé částice jako jsou například proton a neutron, jež tvoří atomová jádra. Ta spolu s elektrony vytvářejí atomy. neutron= proton= Vše nasvědčuje tomu, že na rozdíl od leptonů kvarky v přírodě neexistují jako volné částice ale vždy jen uvnitř částic jako jsou protony a neutrony. Experimentální data lze přitom pochopit jen pokud předpokládáme, že hadrony jsou bezbarvé kombinace kvarků. Otevřená věda regionům

28. Síly mezi kvarky a leptony gravitační elektromagnetické slabé silné. Patří do jedné třídy tzv. kalibračních teorií jež představují základní rámec pro popis sil v mikrosvětě. Mají společnou charakteristiku: lze je popsat pomocí výměny zprostředkujících částic se spinem 1, tzv. intermediální vektorové bosony (IVB) Otevřená věda regionům

29. vazbový parametr Grafickou reprezentací výměnných sil jsou v odborných textech Feynmanovy diagramy: Dosah sil je nepřímo úměrný hmotnosti příslušného IVB Otevřená věda regionům

30. Elektromagnetické síly Foton základní vlastnosti: • působí jen na elektricky nabité částice • jsouinvariantní vůči záměnám vpravo ↔ vlevo a částice ↔ antičástice •mají nekonečný dosah, foton má nulovou hmotnost • jsou dobře popsány kvantovou elektrodynamikou (QED) • kromě velmi malých vzdáleností, kde QED nemá smysl. Otevřená věda regionům

31. Slabé síly bosony W+,W-,Z • základní vlastnosti: • • působí na všechny kvarky a leptony • • nejsou invariantní vůči záměnám • vpravo ↔ vlevo a • částice ↔ antičástice, ani kombinaci • vpravo ↔ vlevo & částice ↔ antičástice • •mají konečný dosah,W+,W-, Zmají velkou hmotnost • •jsou popsány teorií Glashowa, Weinberga a Salama • IVB bosony W+,W- a Z interagují sami se sebou! Otevřená věda regionům

32. osm barevných gluonů Silné síly • základní vlastnosti: • působí jen na barevné částice tj. kvarky i gluony • gluony interagují sami se sebou • jsouinvariantní vůči záměnám • vpravo ↔ vlevoa • částice ↔ antičástice • mají velmi neobvyklé chování na velkých vzdálenostech • jsou popsány kvantovou chromodynamikou (QCD) Otevřená věda regionům

33. p p U U e e e e e e d Důvod, proč nelze proton „ionizovat“tak jako atom vodíku rozptýlený elektron vyražený elektron „zbytek“ atomu U U to jest proč neprobíhá proces rozptýlený elektron vyražený kvark u d „zbytek“ protonu u u je důsledkem pozoruhodných vlastností „barevných“ sil působících mezi kvarky Otevřená věda regionům

34. protony elektrony To, co v přírodě pozorujeme jsou „stopy“ po vyráženém kvarku a „zbytku“ protonu, jimiž jsou jety Detektor experimentu H1 v DESY v Hamburku Otevřená věda regionům

35. To, co v přírodě pozorujeme jsou „stopy“ po vyráženém kvarku a „zbytku“ protonu, jimiž jsou jety jet – stopa po vyráženém kvarku elektron proton rozptýlený elektron Tok energie ve dvou úzkých kuželech Otevřená věda regionům

36. mírně modifikovaný Potenciál mezi dvěma těžkými kvarky Otevřená věda regionům

37. Srovnání závislostí elektromagnetických (čárkovaně), slabých (tečkovaně) a silných (plná čára) sil mezi dvěma kvarky či na vzdálenosti. Závislost efektivních nábojů silných, slabých a elektromagnetických sil na vzdálenosti. Proč se zdají být různé síly tak rozdílně silné? Především proto, že jsme zvyklí je porovnávat na vzdále- nostech mnohem větších než je poloměr protonu, tj. rp=10-15cm. Na vzdálenostechřekněme r<0.001 rpjsou elektromagnetické, silné a slabé síly skoro stejně velké. Otevřená věda regionům

38. Síly jako celek tedy • nejsouinvariantní vůči prostorové inversi (P) • nejsouinvariantní vůči nábojové inverzi (C) • ani vůčikombinované inverzi CP • ale neměníkvarky na leptony Narušení P, C a hlavně CP invariance bylo zpočátku nevítané, neboť fyzikové očekávali, že přírodní zákony jsou vůči těmto „přirozeným“ symetriím invariantní i v mikrosvětě. Dnes se jasné, že právě narušení CP invariance sil v mikro- světě vděčíme za naši existenci, neboť bez něj by se vesmír nemohl vyvinout do dnešní podoby. Otevřená věda regionům

39. Standardní model je až překvapivě úspěšný při popisu jevů • mikrosvěta. Je ovšem zjevně neúplný a jistě nepředstavuje • konečnou úroveň struktury mikrosvěta a jeho zákonů neboť • obsahuje cca 20 volných parametrů (hmotnosti, náboje • a několik dalších) • v pravém slova smyslu nesjednocuje všechny tři síly a • nezahrnuje gravitaci. • Ústřední otázka dnešního standardního modelu: Jak vznikají klidové hmotnosti kvarků, leptonů a IVB a co způsobuje jejich rozdílné hodnoty? Může za to Higgsův boson? Otevřená věda regionům

40. Za hranicemi standardního modelu Kvarky a leptony nejsou základní cihly hmoty, ale jsou sami složeny z ještě menších částeček (preonů, rishonů apod.). Tato přirozená myšlenka je z řady důvodů stále méně přitažlivá, ale pořád stojí za to si ji klást. Ke každé částici Standarního modelu existuje partner, jenž se od svého „standardního“ protějšku liší hodnotou spinu. Tato hypotéza tzv. supersymetriebourá klíčový rys standardního modelu, jímž je zásadní odlišnost částic s poločíselným spinem (kvarků a leptonů) a částic se spinem celočíselným (jako jsou IVB). Po supersymetrických part-nerech částic Standardního modelu se již 30 let pátrá, ale dosud neúspěšně. Jedna z nich je žhavým kandidátem na podstatu tzv. „temné hmoty“ ve vesmíru. Otevřená věda regionům

41. Kvarky a leptony nejsou zásadně odlišné, jak tomu jez hlediska empirických zákonů zachování,ale představují jen různé stavy jednoho fundamentálního fermionu. Tato hypotéza ve svých důsledcích znamená, že proton není stabilní se zdá být téměř nevyhnutelná pro pochopení proč je ve vesmíru přebytek hmoty nad antihmotou. Pátrání po rozpadu protonu bylo a je věnována řada experimentů, ale zatím bezúspěšně. Základními objekty mikrosvěta nejsou částice, ale struny Tato hypotéza poskytuje potenciální možnost sjednotit gravitaci s ostatními třemi silami. Původní naděje, že povede k „teorii všeho“, v jejímž rámci bude možné spočítat i hodnoty zmíněných cca 20 volných parametrů standardního modelu, však byla již opuštěna. Otevřená věda regionům

42. Fyzikální zákony „žijí“ ve více prostorových rozměrech Tato myšlenka se ve fyzice objevila již počátkem minulého století (Kaluza a Klein) při snahách sjednotit gravitaci a alektromagnetické síly. Je i nezbytnou součástí teorií strun, ale v posledních deseti letech se objevila v novém „hávu“, jež jí činí mimořádně zajímavou z hlediska možnosti experimentálního potvrzení. Poněkud, ale ne zcela, mimo samotnou fyziku částic stojí hledání odpovědi na zcela zásadní otázku týkající se povahy gravitačních sil: Existují gravitační vlny? I zde je, byť malá, šance na úspěch. Otevřená věda regionům

43. Supersymetrie Ve standardním modeluje rozdíl mezi částicemi se spinem ½ a1zcela zásadní, neboť pro první platí Pauliho vylučovací principa pro druhé ne. Přesto se počátkem 70. let objevila hypotéza, že ke každé částici SM v přírodě existuje supersymetrický partner částice, jež má spin o ½ různý. Partneři kvarků a leptonů tedy mají mít spin ½ a partneři IVB spin 0. Přes veškerou snahu se žádnou supersymetrickou částici najít nepodařilo. Pokud existují,musí být velmi těžké, nejlehčíz nichmusí mít větší hmotnost než 50 GeV. Otevřená věda regionům

44. Teorie velkého sjednocení Motivace: snaha sjednotit elektromagnetické, slabé a silné síly. Opírají se o myšlenku, že kvarky a leptony (a jejich antičástice) jedné generace jsou v jen různé stavy jednoho základního fermionu. To jev rozporu se všemi dosud známými empirickými fakty, ale právě tato myšlenka je možnáklíčem k pocho- pení vzniku a vývoje vesmírutěsně po velkém třesku. Konkrétně: navelmi malýchvzdálenostech, řádově 10-30 cmse kvarky a leptony chovají stejně a přecházejí jeden na druhého prostřednictvím sil, které na větších vzdáleno- stech nepůsobí. Je tak možný například proces kvark u +kvark u → pozitron + antikvark d Otevřená věda regionům

45. proton π0 Z kvarků tedy mohou vzniknout leptony či antikvarky. V takových procesech senezachovává baryonové číslo, což má dramatický důsledek: proton není stabilní! typický rozpad: Hledáním rozpadu protonu se fyzikové zabývají již 30 let, zatím bezúspěšně. Byla stanovena jen dolní mez na dobu poločas rozpadu protonu, jež činí 1033 let. Aby tyto přechody mohli snadno probíhat, musí se kvarky a leptony srážet s obrovskými energiemi, jež na urychlo- vačích nikdy nedosáhneme.Na po čátku vesmíru byly ovšem takové energie zcela běžné. Otevřená věda regionům

46. Struny Hypotéza: základními objekty mikrosvěta nejsou bodové částice, ale struny. Koncem 60. let se zdálo, že některé vlastnosti protonů, neutronů a mezonů lze vysvětlit, předpokládáme-li, že se chovají jako struny ve třírozměrném prostoru o délce řádově femtometr. Brzy se ovšem ukázalo, že takto protony chápat nelze a strunový model byl opuštěn. Struny se do fyziky vrátili počátkem 80. let ale v jiném hávu: jako součást snahsjednotit elektromagnetické, slabé a silné síly s gravitací. Tyto struny se však „pohybovaly“ve vícerozměrném (obvykle 10ti) prostoročase a mělidélku řádově 10-33 cm,tj. o 20 řádů menší než je rozměr protonu. Otevřená věda regionům

47. Podobně jako majírůzné tóny (tj. vibrační stavy) klasické struny různou energii, mají různou energii i vibrační stavy strun těchto teorií. Struny mohou být otevřené i i uzavřené a pokud se na ně díváme s malou„rozlišovací schopností“, jeví se námjako body. Různá energie vibrač-ních stavů struny odpovídají různým hmotnostem. Otevřená věda regionům

48. Rozptyl strun Rozptyl částic Otevřená věda regionům

49. náš třírozměrný svět další rozměr V „extra“ dimenzích prostoru se šíříjen gravitační síly, ostatní tam „nemohou“. Proto jsou gravitační síly ve 3+1 rozměrech vůči ostatním slabé. „Velké“ extra dimenze Otevřená věda regionům

50. Planckova délka: ze tří fundamentálních konstant přírody lze zkonstruovat veličinu rozměru délka takto Planckova délka v systému jednotek čemuž odpovídá hmotnost Planckova hmotnost Planckova délka hraje roli základní délky ortodoxní teorie strun, v níž je gravitace sjednocena s ostatními silami až na této délce. Otevřená věda regionům