Základy mikrosveta

Základy mikrosveta

1  Úvod
Časticová fyzika je v dnešnej dobe čím ďalej tým populárnejšia. Všetci ľudia, ale hlavne fyzici, chcú vedieť, z čoho sa skladá svet. Za posledných sto rokov sa fyzici dostali so svojimi poznatkami o zložení sveta tak ďaleko, ako ešte nikdy neboli. Dúfajú, že sa im konečne podarí nájsť častice, ktoré sa už skutočne nebudú dať deliť. Je ale otázne, či takéto častice existujú.
V mojej práci by som chcel uviesť bežných ľudí do problematiky časticovej fyziky. Pokúsim sa povedať niečo o zložení nášho sveta, o tých najmenších elementárnych časticiach, ktoré poznáme, vysvetliť rôzne pojmy a termíny z mikrosveta častíc a ukázať, prečo je náš svet taký aký je a ako vlastne funguje. Popíšem častice od atómov až po quarky, ale aj to, ako na seba vzájomne tieto častice pôsobia. Veľký záujem pred pár mesiacmi vyvolala správa, ktorá hovorila, že existujú častice pohybujúce sa rýchlejšie ako svetlo. To je však podľa Alberta Einsteina nemožné. Tento „objav“, ktorý bol nameraný v detektore Gran Sasso v Taliansku, sa však nedávno podarilo vyvrátiť.
 
3  Hmota
Hmota je definovaná ako „atribút substancie a entít prejavujúci sa pokojovou hmotnosťou a silovým poľom“. Zjednodušene povedané je to látka a polia, alebo všetko čo môžeme vidieť okolo nás. Hmota je jedinou podstatou vesmíru a celý ho vypĺňa v rôznych formách. Okrem hmoty existuje aj tzv. antihmota, ktorá má opačné vlastnosti ako hmota. V prípade kontaktu hmoty s antihmotou dochádza k anihilácií, teda k zaniknutiu hmoty aj antihmoty a k vzniku energie. Existencia hmoty sa vyznačuje pohybom, priestorom a časom. Pohyb je neoddeliteľnou súčasťou hmoty. Pod pojmom priestor rozumieme rozloženie hmotných objektov a ich vzájomný vzťah. Čas definuje trvanie existencie hmoty. Látka je druh hmoty, ktorá má určitú energiu a nenulovú pokojovú hmotnosť. Medzi látky patria všetky častice, ktoré poznáme.
   
4  Atóm
Atóm (z gréckeho átomos - nedeliteľný) je najmenšia chemicky nedeliteľná častica chemického prvku, ktorá je nositeľom jeho vlastností. Atóm je teda základnou stavebnou jednotkou materiálu. Atómy sa zlučujú do molekúl.
Pojem atóm bol zavedený gréckymi filozofmi Démokritosom a jeho učiteľom Leukipposom už v štvrtom storočí pred našim letopočtom. Podľa ich „atomizmu“ všetko dianie pozostáva z hry atómov, z ich spájania, oddeľovania, usporiadania, presunov, priťahovania a odrážania. Atóm nevzniká ani nezaniká a je nedeliteľný. Všeobecne sa pojem atóm ujal až začiatkom 19. storočia, kedy John Dalton rozborom chemických látok a pozorovaním chemických reakcií dokázal, že sa všetky látky skladajú z malých, nedeliteľných častíc - atómov. Svoje závery spísal do zákonov zvaných Daltonova teória.

4.1  Subatomárne častice
Už v 19. storočí existovali teórie, ktoré hovorili, že atóm sa skladá ešte z menšých častíc. V roku 1897 sa podarilo dokázať, že atóm sa skutočne dá deliť.

4.1.1  Elektrón
Prvou objavenou subatomárnou časticou sa stal elektrón. Bol identifikovaný ako častica v roku 1897 J. J. Thomsonom a jeho tímom Britských fyzikov.
Elektrón má záporný elementárny elektrický náboj. Dodnes nepoznáme jeho štruktúru a preto ho považujeme za elementárnu časticu. Takéto častice nazývame leptóny. Antičasticou elektrónu je pozitrón (objavený 1932 - Carl Anderson).

4.1.2  Atómové jadro
Okrem elektrónov, ktoré sa nachádzajú v obale atómu, sa tu nachádza aj atómové jadro, ktoré bolo objavené v roku 1911 ako výsledok experimentu Ernesta Rutherforda. Atómové jadro zaberá iba veľmi malú časť objemu atómu, no napriek tomu sa tu nachádza takmer celá hmotnosť atómu. Neskôr sa zistilo, že v jadre sa nachádzajú nukleóny - protóny a neutróny.
Protón je subatomárna častica objavená E. Rutherfordom v rokoch 1917-1919, ktorá dáva jadru kladný náboj. Každý protón má kladný elementárny elektrický náboj. Protóny sú približne 1800-krát ťažšie ako elektróny. Neutrón sa objavoval obzvlášť ťažko, pretože nemá elektrický náboj. Bol objavený až v roku 1932 pri pokusoch Jamesa Chadwicka na Univerzite v Cambridge, za čo bol Chadwick odmenený Nobelovou cenou za fyziku (1935). Neutrón je rovnako ťažký ako protón. Neutrón, protón aj elektrón majú spin rovný ½. Častice, ktoré nemajú celočíselný spin nazývame fermióny.

4.2  Modely atómu
Ľudia mali o atóme rôzne predstavy. Ako prvý vytvoril model atómu J. J. Thomson ešte pred objavením atómového jadra v roku 1904 (obr. 1). Thomsonov model (nazývaný aj Pudingový model) hovorí o atóme ako o guli rovnomerne vyplnenej kladným nábojom, v ktorej sa nachádzajú záporne nabité častice ako hrozienka v pudingu. Tento model bol vyvrátený experimentom Geigera a Marsdena v roku 1909. Tento experiment interpretoval E. Rutherford v roku 1911 ako pozorovanie veľmi malého jadra s veľmi veľkým kladným nábojom, čo viedlo k vytvoreniu Rutherfordovho modelu (obr. 2). Podľa tohto modelu (zvaného aj Planetárny model) obiehajú elektróny okolo veľmi malého jadra ako planéty okolo svojej hviezdy. Hlavným problémom Rutherfordovho modelu je stabilita atómu. Pokiaľ by sa elektróny pohybovali okolo hmotného jadra, potom by museli podľa klasickej elektromagnetickej teórie vyžarovať energiu, čo by spôsobovalo postupné približovanie elektrónov k jadru. Tento problém vyriešil až Bohrov model atómu (obr.3). Podľa modelu vytvoreného Nielsom Bohrom v roku 1913 sa elektróny pohybujú po kružniciach tak, aby ich momenty hybnosti boli násobkom Planckovej konštanty.Pri prechode medzi jednotlivými kružnicami elektrón vyžiari alebo pohltí práve 1 fotón. Tento model je používaný dodnes.

4.3  Časticová ZOO
V 50.-tych a 60.-tych rokoch minulého storočia bolo objavených veľmi veľa nových častíc, ktoré boli diametrálne odlišné od tých, ktoré sme už poznali. Tieto experimenty prebiehali vo výskumných laboratóriach, ako napr. CERN (Švajčiarsko), Fermilab (Nemecko) alebo SLAC (USA). Boli objavené častice ako K-mezón, π-mezón, λ-mezón,... To sa fyzikom vôbec nepáčilo, pretože dovtedy vedeli, že celý svet sa skladá z troch častíc (protón, neutrón, elektrón). Zrazu však existovali stovky častíc, ktoré neboli nijako podobné. Preto bolo potrebné dokázať, že ani tieto častice nie sú elementárne.
 
5  Quark
Už v roku 1964 navrhli Murray Gell-Mann a George Zweig existenciu častíc, ktoré sú elementárnejšie ako dovtedy objavené častice. Týmto časticiam dali názov Quarky. O 4 roky neskôr bola ich teória potvrdená na lineárnom urýchľovači SLAC (Stanford Linear Accelerator Center). Pôvodná quarková teória hovorí o troch quarkoch: up (horný), down (dolný) a strange (podivný). Každý z quarkov má samozrejme aj svoj antiquark. Z týchto quarkov a antiquarkov sa skladá väčšina sveta okolo nás. Quarky majú spin ½ a preto tiež patria medzi fermióny. Ak je v častici pár quark - antiquark, tak nazývame takúto časticu mezón. Okrem mezónov poznáme aj baryóny. To sú najťažšie častice, ktoré majú o 3 quarky viac, ako antiquarky. Keďže sme zatiaľ nepozorovali častice, ktoré by obsahovali viac ako 3 quarky, môžeme povedať, že baryóny sa skladajú z troch quarkov. Neskôr, v roku 1973, boli predpovedané nové quarky. Boli to quarky charm (pôvabný), bottom (spodný) a top (vrchný). Časticiam už totiž nestačili tie quarky, ktoré mali. Sú však oveľa väčšie ako up, down a strange. Pre porovnanie, top quark je ťažký ako jadro atómu zlata. Vlastnosti quarkov sú popísané v tabuľke 1.

5.1  Kvantové čísla
Kvantové číslo je index, ktorý určuje možné hodnoty fyzikálnych veličín charakterizujúcich kvantový stav systému, teda v našom prípade quarkov.
Quarky majú niekoľko kvantových čísel, ako leptónové číslo, baryónové číslo, elektrický náboj, spin,... Medzi časticami objavenými v časticovej ZOO bol aj jeden exotický baryón nazvaný lambda plus plus. Tento baryón sa skladá z troch up quarkov. To ale porušuje Pauliho vylučovací princíp. Ten hovorí, že žiadne dva nerozlíšiteľné fermióny nemôžu existovať v jednom systéme v rovnakom kvantovom stave. Pauliho vyločovací princíp formuloval v roku 1925 fyzik Wolfgang Pauli. Riešenie tohto problému navrhol v roku 1964 Oscar Greenberg, ktorý priradil quarkom nové kvantové číslo - farbu. Nebola to farba v klasickom ponímaní vnímania svetla. Je to iba kvanotvé číslo. Podľa jeho teórie môžu byť quarky červené, modré alebo zelené, antiquarky môžu byť antičervené, antimodré a antizelené. Quarky v baryónoch pritom musia dávať výslednú farbu bielu. Farba nie je stále kvanotvé číslo ale quarky si ju navzájom menia prostredníctvom gluónov. Okrem farby boli quarkom pridelené aj také kvantové čísla, ako pôvab, vôňa alebo topness.

6  Interakcie
Už sme si povedali, aké častice na svete existujú. Ale ešte je neznáme, ako sa vzájomne ovplyvňujú. Častice na seba pôsobia interakciami, alebo silami. Vo vesmíre existujú práve 4 základné interakcie.
 
6.1  Gravitačná interakcia
Gravitačná sila je najznámejšia interakcia. Už Aristoteles sa venoval skúmaniu gravitácie. Gravitácia je najslabšia zo všetkých interakcií, ale pôsobí na najväčšie vzdialenosti. Pôsobí prakticky aj na nekonečnú vzdialenosť, pretože jej veľkosť klesá iba s druhou mocninou vzdialenosti. Gravitačnou silou pôsobia všetky hmotné objekty prostredníctvom hypotetických častíc gravitónov. Vďaka tejto sile môžu okolo seba obiehať vesmírne objekty.
 
6.2  Elektromagnetická interakcia
Elektromagnetická sila pôsobí, podobne ako gravitačná, prakticky donekonečna. Je však oveľa silnejšia (až 1036-krát). Elektromagnetizmus je sila pôsobiaca medzi elektricky nabitými časticami. Tento jav zahŕňa elektrostatickú silu pôsobiacu medzi nabitými časticami, ako aj kombinovaný efekt elektrickej a magnetickej sily pôsobiacej medzi časticami pohybujúcimi sa navzájom. Nosičmi elektromagnetickej interakcie sú fotóny.
 
6.3  Slabá jadrová interakcia
Slabá interakcia je zodpovedná za niektoré jadrové javy a rozpady. Táto sila je 1025-krát väčšia ako gravitácia, ale pôsobí iba do vzdialenosti 10-18 metra. Elektromagnetizmus a slabú silu v súčasnosti považujeme za dva prejavy zjednotenej elektroslabej interakcie. Nositeľmi slabej sily sú hmotné kalibračné bozóny W a Z.
 
6.4  Silná jadrová interakcia
Silná interakcia je najsilnejšia a najkomplikovanejšia sila zo všetkých. Je až 1038-krát väčšia ako gravitácia. Táto sila sa nachádza iba vo vnútri jadier atómov, pretože pôsobí iba do vzdialenosti 10-15 metra. Po objave atómového jadra bolo jasné, že musí existovať nová sila na prekonanie elektrostatickej odpudivosti kladne nabitých protónov. Navyše by táto sila mala byť dostatočne silná na stlačenie protónov do objemu jadra. Kvantová teória popisujúca silnú interakciu je teória kvarkov so zlomkovým nábojom interagujúcich pomocou 8 častíc podobných fotónom a nazývaných gluóny. Gluóny neinteragujú len s quarkami, ale aj medzi sebou.

7  Štandardný model
Štandardný model časticovej fyziky je zjednotený súbor teoretických poznatkov zahŕňajúci väčšinu známych elementárnych častíc. V rámci modelu je možné popísať aj tri základné interakcie (okrem gravitačnej). V štandardnom modeli sa nachádzajú quarky - 1. generácia (up a down), 2. generácia (strange a charm) a 3. generácia (bottom a top). Ďalej sa tu nachádzajú nosiče interakcií - fotóny, gluóny, Z bozóny, W bozóny. Nakoniec sa tu nachádzajú leptóny, a to elektrón, mión, tauón a neutrína (elektrónové, miónové a tauónové). Tieto leptóny sa neskladajú z quarkov ako ostatné častice, a preto sa nachádzajú v štandardnom modeli ako samostatná skupina. Štandardný model teda hovorí o zložení a existencií sveta pomocou 16 častíc (obr. 4). Ale ako každá z teórií o fungovaní vesmíru má aj táto svoje nedostatky. Existuje istý experimentálny dôkaz o neutrínach s hmotnosťou, čo štandardný model nedovoľuje. Nedokáže popísať ani gravitáciu či čiernu hmotu. Je ale potrebné poznamenať, že ani ostatné „teórie všetkého“ nie sú v súčasnosti schopné vyjadriť sa k týmto problémom.
 
8  Záver
Za posledných sto rokov sa fyzici dostali od atómov až po quarky. V súčasnosti prebiehajú mnohé ďalšie projekty na výskum subatomárnych častíc, či už sa nachádzajú v CERNe vo švajčiarsku, kde je najznámejší urýchľovač LHC (Large Hadron Collider), v New Yorku (RHIC) alebo vo Fermilabe na urýchľovači Tevatron. Je už iba otázkou času, kedy sa zistí, že ani quarky nie sú elementárne. Ale otázkou ostáva: Čo bude ďalej?
V mojej práci som zjednodušene popísal základné princípy a vysvetlil som základné pojmy časticovej fyziky. Snažil som sa, aby bola moja práca pochopiteľná aj bežným ľuďom, ktorý nemajú znalosti z fyziky častíc.