História elementárnych častíc

História elementárnych častíc

Za počiatok histórie fyziky častíc môžeme dnes považovať objav elektrónu  Josephom J. Thomsonom v roku 1897, ktorý podstatne zmenil predstavu o atómoch ako nedeliteľných stavebných kameňoch hmoty. Za skutočne elementárnu časticu sa tak na prelome 19. a 20. storočia začal považovať elektrón a ľubovoľne elektricky neutrálny atóm. Elektrón nesie záporný náboj a jeho veľkosť bola nazvaná elementárnym nábojom.

V roku 1911 Ernestom Rutherfordom, kedy sa ukázalo, že kladný náboj je v atóme lokalizovaný vo veľmi malej oblasti – jadre s rozmerom približne o 5 rádov menším ako je rozmer celého atómu. Typický polomer jadra je asi 10-15 m a polomer atómu je 10-10 m . V katalógu elementárnych častíc tak zaujal svoje miesto aj protón, ktorý nesie kladný náboj  a jeho hmotnosť je 1836 krát väčšia ako hmotnosť elektrónu.

Búrlivý rozvoj nastal v 20. storočí, kedy častice mikrosveta rozdelili podľa kvantovej teórie do 2 skupín podľa veľkosti spinu, spin je vnútorný moment hybnosti, ktorá má častica aj keď nevykonáva žiaden orbitálny priestorový pohyb. Táto veličina môže byť len celočíselným alebo polocelým násobkom  (redukovaná planckova konštanta ). Častice s celočíselným spinom nazývame bozóny a s polocelým fermióny. Názvy dostali podľa  fyzikov Satyendra Boseho a Enrica Fermiho. Platí, že 2 identické fermióny nemôžu byť v rovnakom kvantovom stave (Pauliho vylučovací princíp), naopak identických bozónov môže byť v rovnakom stave ľubovoľne veľa. Podľa toho elektrón a protón sú fermióny a majú spin 1/2 a jadro atómu hélia (častica a) je bozón  a má spin 0.

Rutherford už okolo roku 1920 navrhol, že by mohol existovať neutrón ako elektricky neutrálny partner protónu, ale až roku 1932 bol experimentálne objavený Jamesom Chadwickom. Neutrón bol objavený ako produkt jadrovej reakcie pri bombardovaní berýlia, pričom vzniká uhlík a prenikavé žiarenie.

Objav neutrónu viedol k hlbšiemu pochopeniu b-rozpadu, ktorý pozoroval už Henri Becquerel roku 1896. Pôvodcom jadrového b-rozpadu je rozpad neutrónu. Podrobnejším skúmaním b-rozpadu sa zistil zdanlivý paradox. Spektrum energie produkovanej elektrónmi bolo spojité, čo bolo v rozpore s predstavou, že sa jedná o dvojčasticový rozpad na protón a neutrón. Fyzici prišli na to, že musí vznikať ešte jedna častica, ktorá je elektricky neutrálna a veľmi ľahká, preto ju nazvali neutríno.

Paul Dirac v roku 1928 predpovedal antičastice. Pre antičasticu elektrónu sa ustálil názov pozitrón a v roku 1932 ho ako prvý pozoroval Carl Anderson v kozmickom žiarení.

V polovici tridsiatych rokov 20. storočia sa za elementárne častice považovali: elektrón, protón, neutrón, z ktorých možno budovať celý okolitý svet zložený z atómov a molekúl.  Dôležitú úlohu hralo aj neutríno a fotón g, ako kvantum elektromagnetického žiarenia. Medzi ďalšie vtedy známe stavebné kamene hmoty môžeme zaradiť antičastice pozitrón a antiprotón, pričom fotón je neutrálna častica, nemá náboj a je sám sebe antičasticou.

V tomto období sa vytvorila predstava o 4 typoch interakcií medzi časticami: okrem elektromagnetických a gravitačných síl známych z klasickej fyziky existujú aj silná interakcia, ktorá drží pohromade nukleóny v atómových jadrách a slabá interakcia, ktorá spôsobuje b-rozpad a reakcie s účasťou neutrína. Sprostredkovateľom elektromagnetickej interakcie je fotón.

Hideki Yukawa navrhol, že prostredníkom v silnej interakcii by mohol byť pión resp. π-mezón (mezóny sú silno interagujúce častice, ktoré neprejdú cez hrubšiu vrstvu materiály).

Cecil Powel experimentálne preukázal,  že v kozmickom žiarení možno identifikovať 2 rôzne častice s kľudovými energiami okolo 100 MeV. Ľahší nazvali μ a ťažší ako π. Ďalej zistili, že π sa rozpadá na μ (patrí medzi mióny, ktoré môžu prejsť cez hrubšie vrstvy materiálu) a neutríno, mezón π má nulový spin. Neskôr bola urobená klasifikácia častíc na: hadróny a leptóny. Hadróny (z gréckeho slova hadros, znamená ťažký)  sú častice, na ktoré pôsobí slabá, elektromagnetická a silná interakcia, môžeme ich rozdeliť na baryóny, ktoré majú polocelý spin (napr. nukleóny) a mezóny s celočíselným spinom. Leptóny (z gréčtiny leptos je ľahký) silnú interakciu necítia. Poznáme pióny: π0, π+, π- . Práve tento neutrálny pión π 0 má nulový spin.

Od roku 1937 pozorovali Carl Anderson a Seth Neddermayer v kozmickom žiarení časticu, ktorú dnes nazývame mión μ. Mión je prenikavou zložkou kozmického žiarenia. Je asi 200 krát ťažší ako elektrón a je nestabilný so strednou dobou života asi 10-6 s, spin má ½. Mión sa prakticky vždy rozpadá na elektrón a 2 neutrálne veľmi ľahké a slabo interagujúce častice neutrína.  Nesie aj špecifický náboj, ktorý sa zachováva v interakciách a môžeme ho nazvať miónové číslo.

Prvá nová častica, ktorá nasledovala za piónmi bol nabitý kaón alebo mezón K+ , rozpadá sa na pióny. K+  sa rodí veľmi rýchlo a rozpadá veľmi pomaly, to bolo podivné. Murray Gell-Mann zaviedol pre hadróny nové kvantové číslo, ktoré sa zachováva v silných a elektromagnetických interakciách, ale v slabých sa môže meniť. Je to podivnosť s označením S, hadróny-pióny a nukleóny majú podivnosť S = 0, pretože jedna podivná častica sa rodí vždy s druhou ich výsledná podivnosť je nulová. Mezón K+ má S = +1 a hyperóny- Λ a Σ majú S = -1. Platí, že antičastici sa priradí opačná podivnosť než častici, takže mezón K- má podivnosť –1.

Za ním nasledovali neutrálny kaón K0 a 2 nové baryóny : Λ a Σ+ , ktoré nazývame hyperóny, rozpadajú sa na nukleón a pión. Medzi hyperóny sa zaradil ďalší hyperón Ξ-  ktorý sa rozpadá na Λ a π-.

Koncom roku 1953 bola potvrdená existencia Σ+  a objavený hyperón Σ- , ktorý nie je antičasticou Σ+ .  Po experimentálnom objave Ω- Gell-Mann a George Zweig  postulovali, že hadróny sú zložené z kvarkov označených ako: u (up), d (down) a s (strange). Pojem kvark pochádza z anglosaských krajín, vedci v nich používajú častejšie poetické názvy na rozdiel od ostatných krajín, kde sa využívajú odborné termíny. Súvisí to hlavne s kultúrou národov. Baryóny sú zložené z troch kvarkov a mezóny z kvarku a antikvarku, každý kvark nesie spin ½ a preto baryóny majú spin ½ alebo 3/2, mezóny  majú 0 alebo 1. Ich elektrické náboje sú pre kvark u je to +2/3, pre d a s –1/3. Protón má kvarkové zloženie uud, neutrón udd, hyperón Λ uds. Kvarky u a d majú nulovú podivnosť a s má podivnosť –1. Podivnosť hadrónov vyjadruje počet s kvarkov a antikvarkov, napr. baryón Ω- s podivnosťou –3 má kvarkové zloženie sss. V druhej polovici 60. rokov sa za elementárne častice považovali 3 kvarky u,d,s a štyri leptóny e, νe, μ, νμ  a fotón γ.

V 70. rokoch objavili ďalší kvark c charm, (v angličtine to znamená pôvab) s nábojom 2/3. V roku 1974 bola objavená nová častica nazvaná J/ψ. Bolo rýchlo vysvetlené, že tento mezón bol zložený z nového typu kvarku, a to pôvabného (charm, označovaný c) kvarku, s hmotnosťou o niečo vyššou ako protón, ktorého existencia bola teoreticky predtým predpovedaná. V roku 1977 bol objavený 5. kvark s hmotnosťou približne 4,5 GeV a nábojom –1/3, asi 4-krát ťažší ako protón, nazvaný b (bottom, v niektorých prameňoch nazývaný tiež beauty).

2.marca 1995 vedci z Fermilabu oznámili objavenie t kvarku, posledného zo šiestich predpovedaných, ktorého hmotnosť je blízka hmotnosti jadra volfrámu.  Výskum začal v roku 1977, po tom, keď fyzici vo Fermilabe objavili piaty, b kvark. Trvalo to tak dlho preto, lebo t kvark bol oveľa masívnejší ako sa predpokladalo, a preto na jeho vznik bolo treba vyvinúť výkonnejšie urýchľovače.

Aj keď sa t kvark rozpadal veľmi rýchlo na to, aby sa dal pozorovať, zanechával po sebe častice. Top kvark sa môže rozpadať viac ako jedným spôsobom. Objavuje sa však len raz za miliardu zrážok častíc, preto bolo nutné vykonať bilióny zrážok.

Fyzici ešte stále nerozumejú tomu, prečo má tento kvark takú veľkú hmotnosť. Je asi 40-krát ťažší ako druhý najťažší kvark a asi 35 000-krát ťažší ako u kvark a d kvark, ktoré vytvárajú väčšinu viditeľného okolitého sveta. A stále zostáva otázka o podstate hmotnosti. Fyzici veria, že objavenie t kvarku im dá odpovede na tieto otázky.

Kvarky sú fermióny  so spinom ½ a splňujú Pauliho vylučovací princíp, to znamená, že 2 identické kvarky nemôžu byť v tom istom kvantovom stave. Interakcia medzi kvarkami je sprostredkovaná gluónmi, ktoré majú spin 1. Zaujímavé je, že na malých vzdialenostiach sa silná interakcia „oslabí“, na veľkých vzdialenostiach  silná interakcia narastie, čo má za následok nemožnosť rozdelenia kvarkov z hadrónov a pozorovanie voľných kvarkov.