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? Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Snad trocha historie nikoho (z vás) nezabije ... Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 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): data o spektrální hustotě záření absolutně černého tělesa leží pro větší vlnové délky a vyšší teploty nad 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. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Rutherfordův objev jádra (měření provedli Geiger a Marsden) Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 1911: Rutherfordův experiment 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. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 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 Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Princip práce expanzní mlžné komory cca 17 cm Wilsonova expanzní mlžná komora používaná Andersonem v letech 1935-1941 v Caltechu. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 1932: první pozitron olověná deska Carl Anderson 1905 — 1991 Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 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 Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům 9

Velký srážeč hadronů LHC V polovině roku 2008 by měl začít pracovat v tunelu kde byl do roku 2000 urychlovač LEP Velký srážeč hadronů LHC proton 7000 GeV 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. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Ženevské jezero CERN LEP/LHC SPS Protonový synchrotron Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Mont Blanc Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům tunel LHC dnes Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Detektor ATLAS na urychlovači LHC v CERN Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 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 rozhodující struktury 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. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Publikace Americké Akademie věd Kvarky a vesmír : jedenáct otázek pro nové století Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Co tvoří temnou hmotu? Co je podstata temné energie? Jak vznikl vesmír? Jaké jsou hmotnosti neutrin a jak neutrina ovlivnila vývoj vesmíru? 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? Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Obsah Co o mikrosvětě víme Co si o něm domýšlíme Jak se do něj díváme Co přinese LHC? Žijeme v mnohamíru? Teorie všeho nebo čehokoliv? Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Charakteristické rozměry Rozdíl 45 řádů! Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Jednotky V mikro i makrosvětě se používají přirozené jednotky Mikrosvět: 1 fm = 10-15 m = poloměr protonu 1 GeV = 1.8 10-27 kg = klidová hmotnost protonu hmotnosti se uvádějí v jednotkách odpovídající energie podle vztahu E=mc2 Makrosvět: 1 světelný rok = 9,5∙1016 m (rok má 3,15∙107s) 1 parsek = 3.26 světelných let Teplota je míra kinetické energie částic a proto se uvádí ve stupních Kelvina nebo ekvivalentní energii, přičemž 1 K = 0.0001 eV Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 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. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Kvantová teorie pole, podivuhodné království v němž.... káču (spin) nelze zastavit 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. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 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. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 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 Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům hmotnost

Otevřená věda regionům Z kvarků jsou složeny dobře známé částice jako jsou například proton a neutron, jež tvoří atomová jádra. Ta spolu s elektrony vytvářejí atomy. d u U d 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. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 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) Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům CERN

Otevřená věda regionům vazbový parametr Grafickou reprezentací výměnných sil jsou v odborných textech Feynmanovy diagramy: Dosah sil je nepřímo úměrný hmotnosti příslušného IVB Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Elektromagnetické síly Foton základní vlastnosti: • působí jen na elektricky nabité částice • jsou invariantní 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. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 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-, Z mají velkou hmotnost • jsou popsány teorií Glashowa, Weinberga a Salama IVB bosony W+,W- a Z interagují sami se sebou! Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům osm barevných gluonů Silné síly základní vlastnosti: působí jen na barevné částice tj. kvarky i gluony gluony interagují sami se sebou jsou invariantní vůči záměnám vpravo ↔ vlevo a částice ↔ antičástice mají velmi neobvyklé chování na velkých vzdálenostech jsou popsány kvantovou chromodynamikou (QCD) Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Důvod, proč nelze proton „ionizovat“ tak jako atom vodíku e rozptýlený elektron e e e vyražený elektron p p „zbytek“ atomu U U to jest proč neprobíhá proces rozptýlený elektron e u vyražený kvark e U d d u u „zbytek“ protonu je důsledkem pozoruhodných vlastností „barevných“ sil působících mezi kvarky Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům To, co v přírodě pozorujeme jsou „stopy“ po vyráženém kvarku a „zbytku“ protonu, jimiž jsou jety protony elektrony Detektor experimentu H1 v DESY v Hamburku Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 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 Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům CERN

Otevřená věda regionům Potenciál mezi dvěma těžkými kvarky mírně modifikovaný Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 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 vzdálenostech řekněme r<0.001 rp jsou elektromagnetické, silné a slabé síly skoro stejně velké. 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. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Síly jako celek tedy nejsou invariantní vůči prostorové inversi (P) nejsou invariantní vůči nábojové inverzi (C) ani vůči kombinované inverzi CP ale nemění kvarky 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. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 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? Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 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. supersymetrie bourá 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. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Kvarky a leptony nejsou zásadně odlišné, jak tomu je z 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. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 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. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Supersymetrie Ve standardním modelu je rozdíl mezi částicemi se spinem ½ a 1 zcela zásadní, neboť pro první platí Pauliho vylučovací princip a 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, nejlehčí z nich musí mít větší hmotnost než 50 GeV. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 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 je v rozporu se všemi dosud známými empirickými fakty, ale právě tato myšlenka je možná klíčem k pocho- pení vzniku a vývoje vesmíru těsně po velkém třesku. Konkrétně: na velmi malých vzdálenostech, řádově 10-30 cm se 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 Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Z kvarků tedy mohou vzniknout leptony či antikvarky. V takových procesech se nezachovává baryonové číslo, což má dramatický důsledek: proton není stabilní! typický rozpad: proton π0 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. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 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 snah sjednotit elektromagnetické, slabé a silné síly s gravitací. Tyto struny se však „pohybovaly“ ve vícerozměrném (obvykle 10ti) prostoročase a měli délku řádově 10-33 cm,tj. o 20 řádů menší než je rozměr protonu. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Podobně jako mají různé 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 nám jako body. Různá energie vibrač-ních stavů struny odpovídají různým hmotnostem. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Rozptyl částic Rozptyl strun Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům V „extra“ dimenzích prostoru se šíří jen gravitační síly, ostatní tam „nemohou“. Proto jsou gravitační síly ve 3+1 rozměrech vůči ostatním slabé. náš třírozměrný svět další rozměr „Velké“ extra dimenze Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 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. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Proč je gravitace ve srovnání s jinými silami tak slabá? Obvyklá odpověď: protože je gravitační konstanta GN malá. Potenciály elektromagnetických a gravitačních sil mezi dvěma jednotkovými elektrickými náboji s hmotnostmi m 1/137 aby musí být hmotnost m dána výrazem Tak těžké elementární částice ovšem v přírodě neexistují. Neobvyklá odpověď: protože na rozdíl od ostatních sil, gravitace „žije“ ve více prostorových dimenzích!! Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Gaussův zákon v d prostorových dimenzích Uvažujme hmotnosti M a m na vzdálenosti r od sebe gravitační konstanta v d dimenzích r povrch koule v d dimenzích síla na vzdálenosti r od hmotnosti M M m položme d=3+n a přepišme předchozí ve tvaru Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům pokud je n dimenzí „svinuto“ do válců o poloměru R, má gravitační zákon pro velké vzdálenosti jiný tvar: Planckova hmotnost ve 3+n dimezích již polo-žíme rovnou 1000 GeV. Efektivní Planckova hmotnost ve 3 dimenzích řádu 1019 GeV pak může být důsledkem velkého R>>10-17cm! tento bezrozměrný součin může být >>1 Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Jak dobře je ověřen Newtonův gravitační zákon? Odklon od New-tonova zákona se standardně popisuje multipli- kačním faktorem ve tvaru relativní velikost dosah „nové síly“ Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům První měření gravitační síly v pozemských měřítkách provedl v roce 1798 H. Cavendish pomocí torzních vah. Jeho cílem bylo změřit hustotu Země, nikoliv gravitační konstantu, ale z jeho měření bylo snadno možné ji určit. a to s – na tu dobu úžasnou - přesností 1%. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Princip Realizace podmínka rovnováhy: torze gravitace Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Ověření gravitačního zákona na vzdálenostech zlomku milimetru byla v poslední době věnována velká pozornost. Pomocí moderní verze torzních vah byl Newtonův zákon ověřen až na vzdálenosti 80 mikronů! Narušení Newtonova zákona? Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Jak lze pozorovat extra dimenze? Extra prostorové dimenze nebudeme nikdy schopni vnímat svými smysly tak, jako vnímáme „naše“ tři dimenze. Jediný způsob, jak extra dimenze „pozorovat“ je pátrat po jejich projevech ve srážkách částic v našem třírozměrném prostoru. Konkrétně to znamená hledat jevy, které se vymykají naší dosavadní zkušenosti. Takové pátrání již probíhá na urychlovači Tevatron ve Fermiho národní laboratoři u Chicaga, kde se zkoumají produkty srážek protonů s antiprotony. Předpokladem úspěchu je jako vždy co nejlepší znalost „normální fyziky“, v tomto případě konkrétně mechanismu jak ve srážkách vznikají jety. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Jety nahradily částice jako hlavní nástroj zkoumání struktur a sil v mikrosvětě. Příklad: potvrzení samointerakce gluonů 4 jety elektron pozitron jako v QED tento vrchol odlišuje QCD od QED úhel mezi rovinami jetů Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům ALEPH jet μ- μ+ jet jet jet jet jet jet jet jet Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Fermiho národní laboratoř nedaleko Chicaga 2 km Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům CDF V „normální“ srážce antiprotonu s protonem vzniknou dva jety s opačnými hybnostmi. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Nejdramatičtějším projevem existence extra dimenzí by bylo pozorování srážek, v nichž vznikne jen jeden jet a celková energie se proto ve srážce nezachovává podobně jako si počátkem 20. let 20. století mysleli Bohr a Heisenberg, že k tomu dochází v β-rozpadu neutronu. Po takových srážkách se v experimentech na TEVATRONu již – zatím bezúspěšně – pátrá. Pauli by měl jistě radost. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Phys.Rev.Lett. 92 (2004) 121802 Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Dosavadní výsledky CDF experimentu: Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům CERN

Otevřená věda regionům simulace srážky dvou protonů, při níž vzniknou normální částice a jeden graviton, který odnese energii do čtvrté prostorové dimenze a my proto pozorujeme nezachování energie a hybnosti! zatím takové případy nebyly pozorovány. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům takhle by měl vypadat výsledek srážky na LHC v níž by vznikla a okamžitě se rozpadla černá díra. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Vývoj představ o vesmíru Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům od Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům k velkému třesku Klíčové okamžiky 1927: G. Lemaitre: vesmír vznikl při výbuchu primor- diálního atomu, prostor se rozpíná, „Hubbleův“ zákon 1964: objev reliktního záření (Penzias a Wilson) 1981: myšlenka inflace v ranném stádiu vývoje vesmíru (Guth, Linde) 1929: E. Hubble: spirální mlhoviny jsou extragalaktické, nalezl empirický vztah mezi rychlostí vzdalování galaxií a jejich vzdáleností. 1946: G. Gamow, Alpher, Herman: syntéza lehkých prvků v raném vesmíru, předpověď reliktního mikrovlného záření jako důsledek velkého třesku Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Georges Lemaitre (1894 – 1966) katolický kněz a nedoceněný génius, byl po Einsteinovi, Fridmanovi a de Sitterovi čtvrtým fyzikem, jenž aplikoval Einsteinovu obecnou teorii relativity v kosmologii. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Ve své práci z roku 1927 Un univers homogène de masse constante et de rayon croissant, rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiques a publikované v Annales de la Société Scientifique de Bruxelles objevil (2 roky před Hubblem) „Hubbleův zákon“ Utilisant les 42 nébuleuses extra-galactiques figurant dans les listes de Hubble et de Strömberg, et tenant compte de la vitesse propre du Soleil, on trouve une distance moyenne de 0,95 millions de parsecs et une vitesse radiale de 600 km/s, soit 625 km/s à 106 parsecs. Nous adopterons donc R’/R = v/rc = 0,68×10-27 cm -1 (24) Rovnice (24) je přitom přesně to, co se dnes nazývá „Hubbleův zákon“ a i hodnota „Hubbleovy konstanty“ je přesně stejná, jakou o dva roky později zjistil Hubble. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Otec velkého třesku V článku The begining of the world from the point of quantum theory, publikovaném v r. 1931 v časopise Nature, vyslovil hypotézu, že svět měl počátek, kdy byla veškerá hmota koncentrována v jednom bodě. Jeho slova: „Jestliže svět vznikl v jednom kvantu, pojmy prostor a čas neměly na samém počátku žádný smysl. Ten mohly nabýt až když se původní kvantum rozdělilo na dostatečný počet kvant. Je-li tato hypotéza správná, svět vznikl krátce před počátkem prostoru a času.“ byla více než jasnozřivá a daleko předběhla dobu. Einstein v lednu 1933 po Lemaitreově přednášce v Kalifornii “Tohle je nejkrásnější a nejuspokojivější vysvětlení stvoření světa, jenž jsem kdy slyšel“ Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Lemaitrova představa o rozpínání vesmíru: Singularita čas Dnešní vesmír Horká polévka, v níž byly přítomny všechny částice standardního modelu, ale i částice, o nichž nemáme ani tušení. Všechny ovliv- nily další vývoj vesmíru do dnešní podoby Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Dopplerův efekt Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Rudý posuv z=0.25 z=0.06 z=0.02 nanometry Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 1929 Edwin Hubble vynesl závislost rudého posuvu (rychlosti) galaxií na jejich vzdálenosti a formuloval to, co se nazývá „Hubbleův zákon“, ale co znal již Lemaitre. Původní Hubbleův graf vzdálenost v Mpc Časový vývoj hodnoty H0 ! rychlost v km/sec v=H(t)D(t) t0 =1/H0: Hubbleův čas udává zhruba stáří vesmíru Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Vývoj měření Hubbleovy konstanty Situace v polovině 90. let vzdálenost v Mpc Původní Hubbleův diagram rychlost v km/sec 250-krát větší vzdálenosti! Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Velký třesk je velmi netriviální hypotéza, kterou si nelze plně představit, ale lze ji jen přiblížit různými analogiemi jako je rozpínající se míč či kynoucí těsto To co expanduje je sám prostor, nikoliv předměty do již existujícího prostoru. Naopak, předměty se primárně vzdalují proto, že se prostor rozpíná. Rychlost tohoto rozepínání může být větší než rychlost světla. Existují tělesa, která jsou „vázaná“ a jež se s expanzí nerozpínají. Jedině díky nim můžeme expanzi pozorovat. Rozpínání vesmíru definuje pro každého pozorovatele preferovaný systém, v němž se všechny galaxie vzdalují. Pohyb vůči tomuto systému lze detegovat. Například náš sluneční systém se vůči němu pohybuje rychlostí 370 km/sec. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům rychlost vzdálenost Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům 1965: Penzias a Wilson (náhodně) objevili mikrovlnné reliktní záření a tím přinesli druhé a klíčové experimentální svědec- tví ve prospěch hypotézy rozpínán vesmíru, která se již tehdy (Hoylem posměšně) nazývala velký třesk Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Mikrovlnné reliktní záření Podle teorie velkého třesku je to stopa po klíčovém okamžiku vývoje vesmíru, v němž teplota klesla na cca 3000 K, při níž již fotony neměly dost energie k tomu, aby bránily vytvoření neutrálních atomů a díky tomu se od dalšího vývoje vesmíru oddělily. přichází ze všech směrů a je velmi izotropní má charakter záření absolutně černého tělesa o teplotě (dnes) 2.73 K měření jeho velmi slabé anizotropie je zdrojem důležitých informací o skladbě a vývoji vesmíru Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Prvotní teorie velkého třesku a její problémy kde se vzala převaha hmoty nad antihmotou? vesmíru je příliš homogenní vesmír je příliš izotropní (hvězdy a CMB) vesmír se zdá být příliš plochý co tvoří temnou hmotu a temnou energii? jak vznikly nehomogenity? a především: odkud se vzala hmota a co a proč třesklo? Teorie velkého třesku by se tedy měla správně nazývat Teorie vesmíru krátce po velkém třesku Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Jak vznikla převaha hmoty nad antihmotou? Na jeden nukleon dnes připadá v jednotce objemu vesmíru cca miliarda reliktních fotonů, ale po antinukleonech není ani vidu ani slechu přitom se všeobecně předpokládá, že na počátku velkého třesku bylo hmoty a antihmoty přesně stejně. Andrej Sacharov (1967): Převaha hmoty nad antihmotou vznikla během počáteční fáze vývoje vesmíru v důsledku tří okolností, které tehdy charakterizovaly síly působící ve vesmíru a které způsobily, že původně symetrický stav vesmíru přešel během miliardtiny vteřiny do stavu, v němž jsou kvarky, ale ne antikvarky. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Tři Sacharovovy podmínky: nezachování baryonového čísla narušení CP invariance sil, které v počátku vesmíru působily narušení termodynamické rovnováhy První dvě podmínky se bezprostředně týkají fyziky částic, ale i třetí s ní souvisí. Narušení CP invariance v přírodě existuje, i když není jasné, zda ke generaci přebytku hmoty stačí. Po narušení baryonového čísla se usilovně pátrá, zatím bezvýsledně, ale .. I narušení termodynamické rovnováhy je pravděpodobně důsledkem dynamiky sil, které hrají klíčovou roli v teoriích velkého sjednocení. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Co vyvolalo inflaci? trochu fantasmagorie plus hodně kvantové fyziky: Na počátku byl „materiál“, kterému se říká „falešné vakuum“ a jež má tu velmi neobvyklou vlastnost, že je gravitačně odpudivé. Toto falešné vakuum exponenciálně expandovalo a současně se „rozpadalo“ při čemž vznikala normální hmota. Jde o kvantový jev, který nemá klasickou analogii! Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům K rozpadu falešného vakua dochází v malých oblastech prostoru přičemž přitom vzniká nejen obrovské množství normální hmoty, ale také obrovské množství záporné gravitační energie, takže celková energie našeho vesmíru může být nula. Logickým důsledkem této hypotézy je ovšem představa, že v každém okamžiku někde v prostoru dochází k lokální inflaci, která generuje jeden „kapesní“ vesmír. Náš vesmír je jen jeden z mnoha těchto „kapesních“ vesmírů, které stále vznikají ve vzájemně nekomuniku- jících částech „mnohamíru“ Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Věčná inflace a „mnohamír“ prostor falešné vakuum čas Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Teorie strun a mnohamír: teorie všeho nebo čehokoliv? Hypotéza mnohamíru jde ruku v ruce s dnešní teorií strun, která dochází k závěru, že jejími základní rovnice mají nepředstavitelně množství řešení 10500-1500 z nichž každé odpovídá jednomu „kapesnímu vesmíru“ teorie věčné inflace. V každém takovém kapesním vesmíru budou platit jiné fyzikální zákony a tedy se vytvoří i jiné fyzikální struktury. Většina takových kapesních vesmírů bude pro život, v podobě, jak ho známe, nehostinná. Bude to triumf nebo krach moderní fyziky? Nebo se změní pohled na to, co fyzika může vysvětlit? Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Parametry každé teorie lze rozdělit na skutečně základní a ty, které jen charakterizují prostředí. Poslední vývoj teorie strun přinesl výraznou změnu v pohledu na to, jakou povahu má oněch cca 20 volných parametrů standardního modelu (počet kvarků a leptonů jejich hmotnosti a náboje apod). Zatímco před pár lety je strunaři slibovali spočítat z teorie strun samotné, dnes se zdá, že většina, ne-li všechny mají charakter prostředí a nejsou tedy teorií určitelné. Brian Greene: Elegantní vesmír (anglické vydaní z roku 1999): na str. 217 říká, že počet generací kvarků a leptonů je určen „počtem děr v geometrickém tvaru zahrnujícím extra dimenze“ a na str. 218 tvrdí, že „teorie strun poskytuje rámec pro odpověď na otázky jako např. proč mají elektron a jiné částice ty hmotnosti, jaké mají.“ Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Starověcí Řekové vnímali vesmír v geometrických pojmech. Platonovy pravidelné mnohastěny přitom hrály důležitou roli. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Keplerův model vesmíru z knihy Mysterium Cosmographicum z roku 1596. V té době bylo známo šest planet, jejichž oběžné dráhy ležely na sférických slupkách mezi pěti Platonovými mnohastěny. Detail čtyř vnitřních planet: Merkur, Venuše, Země a Mars. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

LIGO a Virgo: velké interferometry pro detekci gravitačních vln Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Princip detekce Gravitační vlny vyvolávají deformaci prostoročasu Měření pomocí laserů Interferenční kroužky Cíl: h ~ 10-21 Realistické: L~103 m Je třeba měřit vzdálenosti s přesností ΔL~10-18 m což je velká výzva pro experimentátory Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Schéma reálného detektoru Vacuum: 10-9 mbar Isolation from ground vibrations 3-4 km long Fabry-Perot cavities: lengthen the optical path to 100 km 10-20 W Laser large fused silica mirrors (low thermal noise) Input optics Power recycling mirror: increase the light power to 1 kW Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Interferometry ve světě LIGO Hanford, 4 km: 2 ITF on the same site! GEO, Hannover, 600 m TAMA, Tokyo, 300 m Virgo, Cascina, 3 km LIGO Livingston, 4 km Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

The LIGO Observatories aligned along the great circle connecting the sites 10 ms Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům CERN

The Virgo Collaboration CNRS - LAPP - Annecy INFN - Firenze/Urbino CNRS - LMA/ESPCI – Lyon/Paris INFN - Napoli CNRS - OCA - Nice CNRS - LAL - Orsay INFN - Perugia INFN - Pisa INFN – Roma NIKHEF – Amsterdam (joining) INFN Roma Tor Vergata (joining) + EGO (European Gravitational Observatory) 175 physicists/engineers Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům Inaugurated: July 2003

Otevřená věda regionům neutrina CMBR gravitony Reliktní gravitony? Pátrání po pozadí z reliktních gravitačních vln, které by měly být pozůstatkem inflační expanze vesmíru je FUNDAMENTÁLNÍ FYZIKA! Očekávaný signál je však pro dnešní generaci detektorů příliš slabý. Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům

Otevřená věda regionům Konec Žatec 24.6.2008 Otevřená věda regionům