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 všechnyvyjádřením 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

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 hmotyHmota 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 klidovou2) 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 Prazev 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: px ħ Et ħ3) Pravděpodobnostní charakter.4) Diskrétní hodnoty některých veličin5) 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 → cEKIN → ∞

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

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 chromodynamika2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika3) Slabá - elektroslabá teorie

+ antičástice

Interakce a jejich popis

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

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 reálnýminaopak částice hmoty mohou být i virtuální – kreace virtuálního páru částice a antičástice a následná anihilacenosičem interakce mohou být i virtuální „složené částice“ – mezony jako nositelé silnéjaderné 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

M. Gell-Mann - kvarky

Hadrony složeny z kvarků (původně tři druhy, nyní šest):

mezony - kvark a antikvarkbaryony - 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 hadronech4) 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 - symetriíve 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 + zzprostředkovaná 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 nestačíNutno brát v úvahu při produkci částic pomocí

srážek protonů

Komplikovaná struktura protonu se projevuje při rozptylových experimentech při vysokých energiích

Strukturu protonu bylo třebabrát v úvahu při produkci W, Zbosonů na urychlovači SPS vCERNU (obrazky WWW CERNu)

nosiče silné interakce – gluony – mají barevný náboj → komplikovaná struktura protonupodíl 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 leptonů2) Přeměna mezi jednotlivými druhy kvarků3) 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.