Z čeho a jak je poskládán svět a jak to zkoumáme Z čeho a jak je poskládán svět a jak to zkoumáme? aneb standardní model hmoty a interakcí, co je vakuum ... “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” 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 Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: WAGNER@UJF.CAS.CZ, WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/

Úvod Od Adama ne! ale od řeckých atomistů ano ! Atomová idea - řečtí atomisté Demokritos a Leukipos 5. století př. n. l. pouze filosofické úvahy Od Adama ne! ale od řeckých atomistů ano ! 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 21. století - dokončení sjednoceného popisu hmoty a všech interakcí (možná ve strunové teorii) Pozorujeme náznaky 1) možnosti sjednocení popisu všech interakcí 2) možnosti, že „fundamentální“ částice nejsou bodové ale „struny“ s konečným rozměrem Začátek zkoumání hmoty v 17. století Zkoumání hmoty dnes experiment ALEPH v CERNu

Složení hmoty Hmota je složena z částic - mezi nimi působí interakce 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 Atomová fyzika, fyzikální chemie Jaderná fyzika Fyzika elementárních částic Superstrunové teorie? (rozměr 10-35 m)?

Fyzika mikrosvěta z pohledu metodologie Mikrosvět – neobvyklé vlastnosti popisované kvantovou fyzikou Přiblížení pomocí analogie – tato zjednodušení je třeba je brát velmi opatrně Věda hledá popis reálného světa Pravdivost různých interpretací lze řešit jen experimentálním pozorováním Každá vědecká teorie i hypotéza musí být falzifikovatelná - testovatelná „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?“ Nalezené zákonitosti umožňují dělat testovatelné předpovědi Úplné pochopení teorie ↔ úplné osvojení fyzikálního i matema- tického aparátu → spočtení předpovídaných fyzikálních veličin Richard Feynman Karl Popper v Praze v r. 1994 (těsně před smrtí) Použití pojmů z makrosvěta na vlastnosti mikrosvěta ↔ pozor opatrně při interpretaci

Problémy při popisu mikrosvěta Řada vlastností odlišná od běžné makroskopické zkušenosti – přímo jí odporují Speciální teorie relativity: důsledky platnosti Lorentzovy transformace Kvantová fyzika Nerelativistické přiblížení: E2 = (m0c2+EKIN)2= (m0c2)2 + p2c2 Ultrarelativistické přiblížení: 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). (p  m0c) → EKIN  E  pc Složitá forma vakua možnost popisu pomocí virtuálních částic (p << m0c) → EKIN  p2/2m v → c EKIN → ∞

Symetrie a jejich význam Symetrie - neměnnost některých vlastností při změně jiných 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 Neměnnost (invariance) vůči jisté změně (transformaci) Narušení symetrie - symetrie neplatí úplně, pro všechny zákonitosti, interakce ... „Stejně jako v hudbě právě drobné disharmonie a narušení pravidelnosti vedou k dokonalosti“

& Měření v mikrosvětě – o platnosti teorie rozhoduje experiment Urychlovač (LHC v CERNu) Systém detektorů (experiment D0 ve Fermilabu) 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

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

Interakce a jejich popis Výměnný charakter interakce - je zprostředkována výměnou „virtuálních částic“ – jedná se o bosony (celočíselný spin) Možnost existence virtuálních částic  důsledek kvantové fyziky: *) Efektivní hodnota dána velkými hmotnostmi W+, W- a Z0 bosonů Dosah interakce závisí i na hmotnosti zprostředkující částice: nulová klidová hmotnost  nekonečný dosah Interakce – pojem popisující možnost přenosu energie, hybnosti, náboje ... nebo možnost kreace či anihilace částic 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 zprostředkující boson interakční konstanta dosah Gravitační  graviton 2·10-39   nekonečný Slabá W+ W- Z0  7·10-14 *) 10-18 m Elektromagnetická  γ 7·10-3  nekonečný Silná  8 gluonů  1 10-15 m nosičem interakce mohou být i virtuální „složené částice“ – mezony jako nositelé silné jaderné interakce

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

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

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 Asymptotická volnost  nelze vytrhnout jeden samotný kvark z částice: Tvorba nových hadronů Ještě vyšší energie - tvorba výtrysků Popis: kvantová chromodynamika Potvrzení: popis rozptylu částic při vysokých energiích, tvorby výtrysků

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

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

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

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 Zprostředkována výměnou W+, W- a Z bozonů Popsána jednotnou teorií elektroslabé interakce Rozpad neutronu 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:

Gravitace - obecná teorie relativity Hledání kvantové podoby teorie gravitace: Vypařování černých děr - vyváření párů částice a antičástice v blízkosti horizontu jeho rychlost nepřímo úměrné hmotnosti 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 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 S. Hawking hraje poker s I. Newtonem, A. Ein- steinem a Datem v jednom z dílů seriálu Star Treck

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 umožní přesné kvantitativní předpovědi.