Česky
Vědci ze čtyř experimentů na urychlovačích LHC (Large Hadron Collider) a Tevatron ohlásili letos na jaře společné měření hmotnosti top kvarku. Cílem bylo určit hmotnost této částice s co největší přesností. Proč vlastně fyzikové věnují top kvarku takovou pozornost? Kvůli své velké hmotnosti totiž ovlivňuje vlastnosti Higgsova pole, a tak představuje okénko, jímž lze nahlédnout „za roh“ a zjistit nové informace o základních zákonech světa na energetických škálách, jež nejsou přímo dostupné na současných urychlovačích.
Kandidát na produkci páru kvarků top anti-top zaznamenaný experimentem ATLAS v proton-protonových srážkách na urychlovači LHC v CERN. Experimenty na LHC dosud zaznamenaly na 18 milionů obdobných případů.
Dříve než se začneme věnovat top kvarku, představme současné znalosti o mikrosvětě. Základních stavebních kamenů hmoty není mnoho; přesněji řečeno, je jich 12: šest leptonů a šest kvarků. Každá částice má svou antičástici, tudíž se počet triviálně zdvojnásobí. Leptony (elektron, mion, tauon a příslušná neutrina) „cítí“ slabou jadernou sílu a nabité leptony i sílu elektromagnetickou. Kvarky „pociťují“ navíc také silnou jadernou sílu. Z kvarků jsou složeny další částice – hadrony. Naprostá většina známé látky okolo nás, co se týče hmotnosti, nikoli počtu, má formu těchto slepenců kvarků, jako jsou protony a neutrony. Ty se nacházejí v jádrech atomů, kolem nichž obíhají elektrony.
Dvanáct fundamentálních částic se jeví bez struktury i při těch největších energiích, kterých je lidstvo schopno dosáhnout v laboratořích. Interakce mezi nimi zprostředkovávají tzv. intermediální bosony; elektromagnetickou sílu umožňují fotony, slabou jadernou bosony W a Z a silnou jadernou sílu gluony. Elektromagnetická síla a slabá jaderná síla jsou ve standardním modelu částicové fyziky sjednoceny do jedné takzvané elektro-slabé síly. Gravitační sílu jsme schválně přeskočili – vtěsnat ji do stejného teoretického kvantového rámce jako ostatní síly se zatím fyzikům nedaří.
Problematické jsou i bosony W a Z. Na rozdíl od fotonů a gluonů jsou bosony W a Z velmi hmotné (přibližně 80krát a 90krát těžší než proton) a tato jejich vlastnost způsobuje potíže při formulování kvantové teorie elementárních částic. Problémy by vymizely, pokud by se v přírodě vyskytovaly další částice s vhodnými vlastnostmi. V nejjednodušším případě stačí jedna, Higgsův boson. Ta kvůli speciálnímu Brut-Englert-Higgsovu mechanismu umožňuje, aby bosony W a Z měly nenulovou hmotnost a přitom byla tato teorie stále konzistentní.
A to je vše. Představili jsme tak v kostce současný model mikrosvěta, tzv. standardní model. Kromě gravitační síly v sobě obsahuje popis téměř všeho – od elektromagnetických jevů, chemie, vlastností různých látek až po procesy, které se uskutečňují v jaderných reaktorech a hvězdách nebo při těch největších energiích, jichž jsme schopni dosáhnout v pozemských urychlovačích.
Tušíme však, že tento obrázek světa není úplný. Například hmotnosti kvarků a leptonů jsou v tomto modelu pouhými parametry. Model nijak nevysvětluje, proč je mezi nejtěžší známou částicí, top kvarkem a neutriny rozdíl nejméně 13 řádů. Kromě různých teoretických argumentů naznačují především astronomická pozorování, že tento svět představuje jen nepatrnou část vesmíru – pouhá 4 %. Dalších asi 20 % má formu látky, kterou nemohou tvořit částice z představeného standardního modelu. Neznámou látku označujeme termínem temná hmota. Zbytek, tedy asi tři čtvrtiny vesmíru sestává z tzv. temné energie. Její podstatu neznáme vůbec.
Vědci proto na urychlovačích usilovně pátrají po neznámých jevech, které by mohly naznačit, jak vypadají fyzikální zákony za rámcem standardního modelu. Slibným kandidátem, kde by se projevy nové fyziky mohly ukázat, jsou vztahy mezi hmotnostmi různých částic, především top kvarku, W bosonu a Higgsova bosonu.
Objev top kvarku
Leptony a kvarky jsou spolu svázány do tzv. generací. Jedna generace obsahuje jeden nabitý lepton, například elektron, příslušné neutrino a dva kvarky. První generace je tedy tvořena elektronem, elektronovým neutrinem, u kvarkem a d kvarkem. Do druhé generace patří mion, mionové neutrino, c kvark a s kvark.
V roce 1975 byla objevena první částice třetí generace – tau lepton. Očekávalo se, že musí existovat i příslušné tauonové neutrino a další dva kvarky. Ty dostaly jména b (z anglického „bottom“) a t („top“). Jejich existenci však předpověděli ještě před objevem tauonu v roce 1973 fyzikové Makoto Kobayashi a Toshihide Maskawa. Uvědomili si, že narušení nábojové a zrcadlové symetrie nečekaně pozorované v rozpadech některých hadronů lze elegantně vysvětlit, pokud předpokládáme existenci třetí generace kvarků.
Nejprve objevil b kvark v roce 1977 tým L. Ledermana na protonových svazcích ve Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) poblíž Chicaga. Na objev top kvarku bylo nutno počkat téměř 20 let až do roku 1995. Následně M. Kobayashi a T. Maskawa dostali za svoji předpověď Nobelovu cenu za fyziku (2008). Poslední část skládanky doplnil v roce 2000 objev tauonového neutrina.
Top kvark byl objeven v roce 1995 při experimentech CDF a DZERO na proton-antiprotonovém urychlovači Tevatron ve Fermilabu. Nová částice měla hmotnost 175 GeV/c2 (v částicové fyzice se jako základní jednotka energie používá elektronvolt, 1eV odpovídá energii 1,6 × 10–19J, proton váží v těchto jednotkách zhruba 1 GeV/c2 = 109 GeV/c2). Tato elementární částice, bez náznaku jakékoli struktury, má stejnou hmotnost jako atom zlata! Pro představu, druhý nejtěžší kvark, b kvark, je 35krát lehčí. Top kvark je tak těžký, že se působením elektro-slabé síly rozpadne dřív, než kvůli silné interakci stihne vytvořit vázaný stav s dalšími kvarky. Nevytváří tak na rozdíl od ostatních kvarků hadrony.
Velká hmotnost top kvarku byla důvodem, proč tak dlouho trvalo, než byl objeven. Energie tehdejších urychlovačů prostě nedostačovala k jeho vytvoření. Až Tevatron se vstřícnými svazky protonů a antiprotonů o energii 900 GeV byl dostatečně výkonný.
Ještě před spuštěním Tevatronu existovaly nepřímé odhady hmotnosti top kvarku na základě měření z doby „života“ Z bosonu. Jeho hmotnost 91 GeV/c2 je příliš malá, aby se mohl rozpadnout na pár top anti-top. Dobu života však top kvark ovlivňuje nepřímo prostřednictvím kvantových korekcí. Kvantová teorie umožňuje, aby se na velmi krátkou dobu vytvořily částice, jejichž hmotnost se liší od klidové hmotnosti. Tyto částice se nazývají virtuální a doba jejich života je tím kratší, čím větší rozdíl je vůči jejich klidové hmotnosti. Při rozpadu Z bosonu se tedy může na velmi krátkou chvíli vytvořit pár top a anti--top kvarku, každý dejme tomu s virtuální hmotností kolem 45 GeV/c2, a ovlivnit tak mírně dobu života Z bosonu.
Závislost není nijak silná, bylo nutné změřit rozpadovou šířku Z bosonu velmi přesně, aby šlo odhadnout, že top kvark bude mít hmotnost kolem 140–170 GeV/c2. Tenhle trik s kvantovými korekcemi si zapamatujme, použijeme ho ještě několikrát. Umožnil z přesných měření na elektron-pozitronovém urychlovači LEP v CERN nahlédnout „za roh“ do oblastí energií větších, než byla energie srážek na LEP.
Top kvark a Higgsův boson
Stejně tak jako top kvark ovlivňuje dobu života Z bosonu, ovlivňuje kvůli kvantovým fluktuacím – spolu s Higgsovým bosonem – výslednou hmotnost W bosonu (druhý z bosonů; zprostředkovává slabou interakci). Trik se opakoval. Přesným změřením hmotností W a top kvarku šlo alespoň řádově odhadnout, jakou hmotnost má mít dlouho hledaný Higgsův boson ještě před jeho objevem.
I dnes, kdy byl Higgsův boson nalezen a jeho hmotnost je známá, má smysl zpřesňovat měření hmotnosti W bosonu a top kvarku. Případná odchylka mezi měřenou hmotností Higgsova bosonu a hmotností vypočtenou na základě znalosti hmotnosti W bosonu a top kvarku by doložila, že nejjednodušší verze Brut--Englert-Higgsova mechanismu s jedním Higgsovým bosonem se v přírodě nevyskytuje.
TOP kvark a vesmír
Obdobným kvantovým mechanismem ovlivňuje top kvark i způsob, jakým Higgsův boson interaguje sám se sebou při velkých energetických škálách, tedy za podmínek, které panovaly ve vesmíru těsně po Velkém třesku. Ve standardním modelu je Higgsovo pole, jehož kvantové fluktuace kolem vakua se projevují právě existencí Higgsova bosonu, od určité energetické škály nestabilní, což není fyzikálně možné – znamenalo by to nestabilní vakuum. Pokud by to byla pravda, šlo by o silnou indikaci, že se při těchto energiích musí projevovat nové neznámé zákonitosti mikrosvěta. Energii, při které k této nestabilitě dochází, ovlivňuje právě hmotnost top kvarku a Higgsova bosonu spolu s hodnotou vazbové konstanty silné interakce.
Pozoruhodné je, že se tyto veličiny vyskytují přesně na takových hodnotách, že k této nestabilitě může dojít až na Planckově škále 1019 GeV, což je energetická škála, kdy začne hrát v mikrosvětě silnou úlohu gravitační síla a kdy víme, že náš kvantový popis mikrosvěta určitě fungovat nebude. V rámci chyb není ale vyloučeno, že k nestabilitě Higgsova pole může dojít při platnosti standardního modelu na mnohem menších energetických škálách 108–11 GeV. Pokud by přesnější měření hmotnosti top kvarku vedlo k závěru, že nestabilita Higgsova pole nastává jednoznačně při energiích zřetelně pod Planckovou škálou, byla by to podnětná indicie, že se v mikrosvětě děje něco nového ještě při nižších energiích, než je Planckova škála.
Měření hmotnosti top kvarku
Přesné měření hmotnosti top kvarku je experimentálně náročné. Top kvark se většinou produkuje v párech top anti-top. Prakticky okamžitě se rozpadá téměř výlučně na W boson a b kvark. Rozpadové kanály vhodné pro přesné měření hmotnosti jsou ty, kde se alespoň jeden W boson rozpadne na pár lepton a příslušné neutrino. Neutrino však interaguje velmi slabě a v detektorech nezanechá žádnou stopu. Jeho přítomnost předpokládáme z toho, že v detektorech část energie chybí. Neúplná informace o produktech rozpadu top kvarku komplikuje následnou rekonstrukci hmotnosti top kvarku. Navíc se nedá přesně v jednom konkrétním případě říct, že k produkci top kvarku došlo, protože identifikaci rozpadových produktů nelze stoprocentně provést. Příklad jedné takové srážky, kdy pravděpodobně produkce páru top anti-top nastala, znázorňuje obr. 1 způsobem, jak jej zachytil detektor ATLAS.
Aby vědci vyprodukovali co nejpřesnější měření hmotnosti top kvarku, spojili své síly ve čtyřech experimentech – ATLAS, CDF, CMS a DZERO. Jde skutečně o celosvětové úsilí. Vždyť tyto experimenty sdružují více než 6000 vědců z více než 50 zemí světa. Česká republika má své zástupce ve dvou: v experimentu ATLAS na urychlovači LHC v CERN a v experimentu DZERO na urychlovači Tevatron ve Fermilabu. Spolupracují v nich vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR, z Univerzity Karlovy v Praze, Českého vysokého učení technického v Praze a z Univerzity Palackého v Olomouci.
Hmotnost top kvarku měřená jednotlivými experimenty na LHC (ATLAS a CMS) a Tevatronu (CDF a DZERO) a výsledná hodnota po kombinaci všech čtyř měření
Zjištěná hmotnost top kvarku činí 173,34 GeV/c2 s chybou pouhých 0,76 GeV/c2 – viz obr. Na přesnější impakt tohoto měření si budeme muset ještě počkat. Už teď lze ale říci, že stále platí to co před tím. Hmotnost top kvarku je v dobrém souladu s hmotností Higgsova bosonu pro nejjednodušší scénář Brut-Englert-Higgsova mechanismu ztělesněného ve standardním modelu. Stejně tak není vyloučena možnost, že by Higgsovo pole mohlo být stabilní až do Planckovy škály. Na případné objevy nové fyziky jdoucí za rámec standardního modelu částicové fyziky, které by pomohly vysvětlit jevy, jež pozorují astronomové, si budeme muset ještě chvíli počkat. Již brzy, začátkem roku 2015, bude v CERN znovu spuštěn modernizovaný urychlovač LHC. Kvůli téměř dvojnásobnému navýšení těžišťové energie srážek bude tím nejvhodnějším místem, kde v pozemských laboratořích pátrat po nových zákonitostech mikrosvěta. Nechme se překvapit.
ALEXANDER KUPČO,
Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.