Student World

Středisko evropského jaderného výzkumu CERN si připomíná výročí zásadního experimentu, jehož výsledky byly zveřejněny před dvaceti lety. Při této příležitosti CERN pořádá 16. září 2003 sympozium, jehož se zúčastní řada významných fyziků.

Před dvaceti lety, v roce 1983, se v urychlovači částic Střediska evropského jaderného výzkumu (CERN) experimentálně potvrdila tzv. teorie slabé interakce (též označovaná jako teorie elektroslabé interakce), jež je jednou ze čtyř fundamentálních sil. Byl zároveň potvrzen jeden z úhelných kamenů „Standardního modelu elementárních částic a jejich interakcí“ (http://public.web.cern.ch/public/about/why/SM/sm.html). Každou ze čtyř základních sil zprostředkovávají určité částice, jakési balíčky energií. Slabá interakce (neboli síla), na níž se podílí slabé kalibrační bosony, se projevuje na nejhlubší úrovni hmoty a charakterizuje procesy, jichž se účastní leptony. Je zodpovědná např. za interakce elektronů, pozitronů a neutrin s jádry a za procesy rozpadu beta. Výzkumnému týmu, jenž řídil italský fyzik Carlo Rubbia, se při technicky nesmírně náročném experimentu podařilo identifikovat tyto nosiče slabé síly, do té doby pouze hypotetické těžké částice známé pod názvy W a Z.

Teorii slabé interakce vypracovali Steven Weinberg, Abdus Salam a Sheldon Glashow již v 60. let minulého století, a to na základě tzv. Feynmanových diagramů. Teorie, která spojuje elektromagnetickou a slabou interakci do interakce elektroslabé, vyžadovala ovšem existenci tří kalibračních bosonů, kladného W, záporného W a neutrálního Z. Tyto částice, W a Z, byly v té době ovšem neznámé a po jejích fyzikálních efektech při částicových experimentech nebylo dosud ani stopy. (Další částice, „Higgisův boson“, na jehož schématu byly W a Z odvozeny, zůstává nadále hypotetickou, ale to je jiná kapitola.) Předpokládalo se, že jde o značně hmotné částice, neboť slabá interakce má pouze krátký dosah, ale zato je 10 exp 28krát silnější než gravitace. Nejprve nebyla teorie slabé interakce ostatními vědci takřka vůbec akceptovaná. Počátkem 70. let se ovšem o ni probudil zájem v důsledku prací holandského fyzika Geralda t Hoofta, který ji dal matematický smysl (http://www.nobel.se/physics/laureates/1999/index.html).
Trojice teoretických fyziků Weinberg, Salam a Glashow, za svou práci obdržela v roce 1979 Nobelovu cenu (http://www.nobel.se/physics/laureates/1979/index.html). Není sporu o tom, že jde o brilantní teorii, ale přesto výbor pro udělování Nobelovy ceny prokázal značnou odvahu, neboť teorie, dnes označované jako „Standardní model elektroslabých interakcí“, nebyla v té době experimentálně prokázána.

Právě toho se měli zhostit experimentátoři. Bylo zde však několik zádrhelů. Hypotetické kalibrační bosony W a Z, jež přenášejí slabou interakci, měly být bezmála stokrát těžší než protony a neutrony. Aby tyto částice fyzikové „vykřesali“, potřebovali získat obrovskou energii. To se dlouho nedařilo, a to ani v tehdejších největších supersynchrotonech, z ncihž jeden byl právě v CERNu, druhý vlastnila americká Fermilab. Vědci sice využívali důmyslného pokusu, ale ani ten nepřinesl kýžené ovoce. Pokus spočíval ve vystřelování dvou svazků těžkých částic proti sobě, přičemž jeden tvořily protony a druhý antiprotony. Nikomu se ale stále nedařilo připravit takové množství aniprotonů, aby bylo možno provést experiment s efektivním výsledkem a potvrdit tak existenci hypotetických kalibračních bosonů.

Carlo Rubbia, který tehdy přednášel na Harvardově univerzitě, přišel s návrhem, jak upravit urychlovač pro srážky protonů ve stejném prstenci. Domníval se, že našel způsob, jak W a Z identifikovat. Když svou inovaci navrhl Fermilabu, byl odmítnut. V ženevském CERNu jeho myšlenku naopak přijali s otevřenou náručí, což se jim, jak jsme již naznačili, bohatě vyplatilo. Jedním z důvodů, proč CERN přijal návrh Rubbia, jehož již tehdy pověst excentrického a poněkud konfliktního fyzika, byla i skutečnost, že se evropské středisko v minulých letech kvůli přílišné opatrnosti připravilo o řadu významných objevů, které byly mezitím učiněny za oceánem. Buď jak buď, CERN tentokrát zvedl hozenou rukavici. Ne že by se jednalo o snadnou záležitost, právě naopak.
Urychlovač SPS (http://ab-div-op-sps.web.cern.ch/ab-div-op-sps/) byl podle Rubbiových návrhů a za přispění know-how holandského fyzika Simona van der Meera změněn na „proton-antiprotonový prstenec“ a vedle toho začala vyrůstat stavba prvního samostatného urychlovače na antiprotony na světě. Antihmota se v požadovaném množství v přírodě nevyskytuje a vědci si ji museli k svému experimentu vyrobit. Kromě zmíněné úpravy SPS a stavby zařízení na antiprotony bylo nutno hluboko pod zemí vybudovat betonové „úkryty“, v nichž byly umístěny dva masivní a složité detektory, které obklopovaly bod srážky. Pro zajímavost uveďme, že jeden z detektorů měl hmotnost 2 000 tun a skládal se z nespočtu postupně se zvětšujících soustředěných válcových „krabic“, zapadajících jedna do druhé jako ruské matrjošky. O náročnosti experimentu vypovídá rovněž fakt, že si vyžadoval vytvoření podmínek, jaké ve vesmíru panovaly miliardtinu sekundy po velkém třesku.

Superurychlovač vstřícných svazků SPS zahájil činnost v roce 1981. O dva roky později bylo oficiálně oznámeno, že v zařízení se podařilo detekovat částici W. K tomu, aby tento kalibrační boson fyzikové vytvořili, bylo zapotřebí miliardy srážek protonů s antiprotony. Na snímcích, které se objevily ve všech významných fyzikálních časopisech, bylo vidět dráhy rozpadu částice W, při kterém vzniká elektron. Zbylou energii v opačném směru odnášejí lehoučká neutrina. O něco později se na tomtéž zařízení podařilo zachytit i částici Z.
Byly to nesmírně významné objevy, potvrzující správnost teorie slabé interakce, a jak jsme již poznamenali, hned rok nato Carlo Rubbia a Simon van der Meer získali Nobelovu cenu za fyziku, „za rozhodující přínos při velkém projektu, který vedl k objevení částic W a Z, zprostředkujících slabou interakci“(http://www.nobel.se/physics/laureates/1984).

K zcela plnému ověření a rozšíření symetrie elektroslabé interakce zbývá ještě polapit dosud pouze předpokládaný „Higgisův boson“. O to se vědci v ženevském CERN budou snažit, až se dokončí realizace zařízení LHC (Large Hadron Colliger, http://public.web.cern.ch/public/about/future/future.html). Předpokládá se, že záhada Higgisova bosonu bude definitivně rozřešena kolem roku 2010.

Slavnostního sympozia, pořádaného zejména při příležitosti objevení částic W a Z, se kromě Carla Rubbii účastní řada světově proslulých vědců, např. již zmíněný Steven Weinberg (jeho přednáška nese název „The Making of the Standard Model“), Georges Charpak (přednáška „Particle Detectors and Society“), Pierre Darriulat (přednáška „The Discovery of the W and Z, a Personal Recollection“). Hovořit se bude ale zejména o budoucnosti fyziky elementárních částic a práci, které vědce čeká na urychlovači LHC. Panelové diskuse se kromě výše zmíněných fyziků zúčastní např. i Simon van der Meer, Donald Perkins a Martinus Veltman.

Více informací:

CERN

http://www.cern.ch
http://public.web.cern.ch/public

autor Jan Kapoun