Je svět složen ze strun? aneb cesta k jednotném popisu hmoty a interakcí “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 Částice a interakce 2.3 Symetrie a jejich význam 2.4 O platnosti teorie rozhoduje experiment 2.5 Cesta k jednoduchosti - - sjednocení interakcí 3. Standardní model 3.1 Elektromagnetická interakce 3.2 Elektroslabá interakce 3.3 Kvantová chromodynamika 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

Abstrakt

Úvod 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

Složení hmoty 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

Částice a interakce Hmota je složena z částic, mezi kterými působí interakce Výměnný charakter interakce - je zprostředkována výměnou „virtuálních částic“ Virtuální částice - nelze je přímo pozorovat ale projevují se důsledky jejich existence Možnost existence virtuálních částic  důsledek kvantové fyziky: Heisenbergovu principu neurčitosti  časově omezené nezachování energie Dosah interakce závisí na hmotnosti zprostředkující částice: nulová klidová hmotnost  nekonečný dosah Při dostatečné energii lze částice interakcí „zviditelnit“ - stánou se reálnými naopak částice hmoty mohou být i virtuální - kreace virtuálního páru částice a antičástice a následná anihilace

Symetrie a jejich význam 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“

O platnosti teorie rozhoduje experiment ! Zjednodušeně ! Věda hledá soubor pravidel pro popis světa ! Zjednodušeně ! Hypotéza - návrh hlavních předpokladů popisu, zatím neověřeno experimentálně Teorie -soubor pravidel, který umožňuje kvantitativně přesně popsat experimentální data Vědecká hypotéza musí dávat vyvratitelné předpovědi, které se konfrontují s experimentem Experimentální pozorování je rozhodujícím kritériem pro uznání platnosti hypotézy a její přeměnu v teorii Neustálé průběžné experimentální testování všech teorií (oblastí jejich platnosti) & Systém detektorů (experiment D0 ve Fermilabu) Urychlovač (LHC v CERNu)

Cesta k jednoduchosti - sjednocení popisu interakcí 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

Standardní model + antičástice 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

Kvarkový model Hadrony složeny z kvarků (původně (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 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 částicí Ω

Elektromagnetická interakce - kvantová elektrodynamika 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/mp Výpočet: 1.001159652307(110) eħ /mp

Slabá interakce  elektroslabá interakce 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

Silná interakce - kvantová chromodynamika 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

Otevřená otázka - odkud se bere hmotnost? (Hmotnost - velmi složitý filosofický i fyzikální pojem) Hmotnost - 1) setrvačná - míra setrvačnosti daného objektu 2) gravitační - náboj gravitační interakce (Podle současných pozorování shodné - základ OTR) Dva pohledy (s použitím relativistické hmotnosti a bez): 1) Klidová hmotnost Relativistická hmotnost 2) Vztah mezi energií, hybností a klidovou hmotností E2 = p2c2 + m02c4 Poměr relativistické a klidové hmotnosti v závislosti na rychlosti tělesa Vztah mezi hmotností a energií (klidovou hmotností a klidovou energií) Hierarchie hmotností kvarků a leptonů: Neznáme její původ ! Hmotnosti leptonů a kvarků by mohly být dány tzv. Higgsovým procesem Hierarchie hmotností kvarků a leptonů

Odkud se bere hmotnost částic I - Higgsův mechanismus Kalibrační symetrie - měřitelné veličiny se nezmění při změně popisující funkce o konstantu (případně stejný násobek) Napětí a další měřitelné elektrické veličiny se nezmění při změně potenciálu ve všech bodech o konstantu Kvantová elektrodynamika - měřitelné fyzikální veličiny se nemění při vynásobení popisující vlnová funkce speciální konstantou  platí kalibrační symetrie Peter Higgs objevil spontánní narušení symetrie Lokální kalibrační symetrie - platnost při změně konstanty v prostoročase  zavedení „nehmotného“ kompenzujícího pole - fotonu Spontánní narušení lokální kalibrační symetrie  vznik nového „Higgsova“ pole (i částice) „Ztěžknutí“ některých částic při prodírání se Higgsovým polem Slabá interakce - narušení kalibrační symetrie  velká hmotnost bozonů W+, W- a Z Ztěžknutí i dalších částic Jak potvrdit platnost Higgsova mechanismu??  Najít Higgsovu částici !!

Odkud se bere hmotnost částic I -lov na Higgse Hledání Higgse na urychlovači LEP v CERNu Dostupná energie až 209 GeV Produkce Higgse současně se Z bosonem (hlavní příspěvek): e+ + e-  H + Z Možný vznik Higgsovi částice na urychlovači LEP MZ = 91 GeV  pro MH zbývá 118 GeV Případy, který může být vznikem a rozpadem Higgse Rozpad Higgse a Z bosonu: Většinou: Pozorováno několik kandidátů Problém pozadí a nedostatečné statistiky Higgs neprokázán

Odkud se bere hmotnost částic II - chirální symetrie p = uud n = udd mu = 1 - 5 MeV md = 3 - 9 MeV mp = 938 MeV mn = 940 MeV Proč je hmotnost nukleonů mnohem větší než hmotnost částí, ze kterých se skládají? Hmotnost nukleonu dána vlastnostmi silné interakce a symetriemi (jejich narušeními) s ní spojených Rozhodující úlohu by mělo hrát narušení chirální symetrie: Proč 64 kg a ne <1.4 kg? Normální jaderná hmota: Chirální symetrie narušena - velké hmotnosti částic Horká a hustá hmota: Chirální symetrie se obnovuje - hmotnost částic klesá

Změna hmotností a dob života vektorových mezonů v husté a horké jaderné hmotě mezon ρ: P(e+e-) =4.5.10-5 , m = 770 MeV, τ = 1 fm/c HADES - detekce e+e- párů určení invariantní hmotnosti vektorového mezonu Využití detekce Čerenkovova záření:

Gravitace - obecná teorie relativity Gravitační interakce je nejslabší ale 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

Proč jít dále? - experimentální a teoretické důvody 1) Příliš mnoho volných parametrů ve standardním modelu 2) Nutnost zahrnout i gravitaci - kvantová teorie gravitace 3) Pozorované podobnosti, symetrie (např. mezi rodinami kvarků a leptonů) 4) Hierarchie hmotností u částic 5) Nutnost odstranění divergencí (nekonečných hodnot fyzikálních veličin) Experimentální důvody: 1) Pozorování asymetrie v existenci hmoty a antihmoty 2) Velmi přesná měření magnetického momentu mionu 3) Pozorování oscilací neutrin 4) Existence nebaryonové temné hmoty ve vesmíru 5) Sbližování síly různých interakcí s rostoucí energií 6) Náznaky rozdílů oproti Standardnímu modelu u některých vysokoenergetických experimentů ( nezachování CP invariance, produkce b částic …) Detektor Superkamiokande

Od velkého sjednocení k supersymetrii !!!! Varování !!! vše dále zatím jen hypotézy !!! Od velkého sjednocení k supersymetrii Velké sjednocení: 1) Symetrie mezi rodinami kvarků a leptonu  sjednocení kvarků a leptonů do jedné rodiny 2) Vyrovnání síly elektroslabé a a silné interakce při 1015 GeV  sjednocení těchto interakcí Důsledky a předpovědi: 1) Existence „leptokvarků“ X a Y - přeměňují kvarky na leptony, MXY ~ 1015 GeV/c2, QX = -4/3e a QY = -1/3e 2) Rozpad protonu - experiment τp > 51032 let 3) Baryonová asymetrie vesmíru - převaha hmoty nad antihmotou p = uud  e+ + ... Příklad rozpadu protonu Rozpad protonu hledal i detektor Kamiokande

Supersymetrie Hledání symetrií, které umožňují transformaci bosonů na fermiony  supersymetrie Důsledky a předpovědi: Hlavním je existence supersymetrických partnerů známých částic: Boson má partnera fermion, fermion pak boson foton  fotino kvark  s - kvark gluon  gluino lepton  s - lepton Z  Zino graviton  gravitino Hledání supersymetrických částic - jeden z hlavních programů největších existujících i plánovaných urychlovačů Supersymetrické částice jsou vhodnými kandidáty na vysvětlení temné hmoty ve vesmíru - neutralino (směs fotina, gluina, ..) - nejmenší hmotnost Jejich vlastnosti by umožnily vybrat správnou supersymetrickou teorii Supersymetrické částice budou hledat i experimenty na budovaném urychlovači LHC v CERNu

Strunové teorie Strunová teorie - částice nejsou bodové, ale tvoří je struny o rozměru 10-35 m Jednotlivé částice jsou různé módy kmitů struny čím vyšší kmitočet  tím vyšší hmotnost Nutnost zavedení šesti dalších rozměrů: 1) Další rozměry jsou velmi malé - svinuté 2) Některé možná velké až nekonečné  náš svět - čtyřrozměrná brána ve vícerozměrném prostoru Otevřená struna Uzavřená struna Do dalších rozměrů by pronikala pouze gravitace Další rozměry jsou svinuté Strunový Feynmanův diagram Povolené kmitočty dány délkou struny

Struny -2 Strunová teorie musí: 1) Jako limitní případ obsahovat standardní model a obecnou teorii relativity  stejně dobře popsat známá data 2) Musí vysvětlit pozorování, která předchozí teorie vysvětlit nedokáže 3) Předpovědět nové jevy a nabídnout je k experimentálnímu testování Brian Green Momentální závěr hledání vhodné varianty strunové teorie: Všech šest známých superstrunových teorií jsou limitními případy jedné mateřské teorie M-teorie Obrovským problémem je příslušný matematický aparát a kvantitativní testovatelné předpovědi

Experimentální test strunové hypotézy Potvrzení teorií velkého sjednocení a supersymetrických teorií: 1) Potvrzení rozpadu protonu a určení jeho poločasu a kanálů 2) Nalezení supersymetrických partnerů a určení jejich vlastností 3) Velikost nezachování CP symetrie a baryonového čísla Potvrzení strunových teorií: Pozemské laboratoře: Vznik mikročerných děr během srážek při vysokých energiích Možnost pocítit další rozměry: 1) zkoumání gravitační síly na velmi malé rozměry 2) srážky částic při velmi vysokých energiích Vesmírná pozorování: 1) Účinky gravitace z jiných bran 2) Únik gravitační energie do dal- ších rozměrů  zdánlivé narušení zákona zachování energie 3) Vlastnosti černých děr - jejich vypařování ... Účinky gravitace velmi hmotných objektů ze sousedních bran Únik gravitační energie

Závěr 1) Stavba hmoty je hierarchická, skládá se s částic, mezi kterými působí čtyři druhy interakcí, zprostředkovanou výměnou částic 2) Tato stavba je popsána „standardním modelem“, potvrzeným velkým množstvím experimentálních pozorování. 4) Jsou dobré důvody teoretické i experimentální jít za standardní model. 3) Jsou dobré důvody pro předpoklad, že strunová „hypotéza“ je správnou cestou k jednotnému popisu hmoty a interakcí. 4) Zda-li je tomu opravdu tak, rozhodne experimentální pozorování. 5) 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, …) 6) Velmi důležité je hledání matematického aparátu, který umožní přesné kvantitativní předpovědi.

Nabídka témat přednášek hp.ujf.cas.cz/~wagner/prednasky/ 1) Jaderné zdroje pro vesmírné sondy aneb jak získat energii tam kde Slunce nesvítí 2) Nejmohutnější exploze ve Vesmíru? aneb jaký je původ gama záblesků 3) Kosmické záření - co to je, jak se zkoumá a odkud pochází 4) Cesta do mikrosvěta aneb jak člověk poznával a poznává strukturu hmoty 5) Jak přežít v kosmu se zářením - jak ochránit kosmonauty při dlouhodobých letech 6) Putování světem urychlovačů aneb kde se získávají stále nové částice 7) Urychlovačem řízené transmutace aneb budeme jaderný odpad spalovat?