Co je nejmenší věcí ve vesmíru?

„Malost je podvratná…“ - Sarah Ruhl Pokud byste vzali obyčejný předmět, třeba šálek kávy, a rozřízli ho vedví a poté znovu a pokračovali, kde byste skončili? Šlo by to dělat donekonečna? Nebo byste našli řadu nedělitelných základních kamenů, ze kterých je vše vytvořeno? Fyzici zjistili to druhé, že hmota je tvořena základními částicemi, nejmenšími věcmi ve vesmíru. Částice na sebe vzájemně působí podle teorie standardního modelu.



Standardní model je pozoruhodně elegantní vysvětlení podivného kvantového světa nedělitelných nekonečně malých částic. Zahrnuje také síly, které určují pohyb částic, jejich interakci a vazby a dělají svět takový, jaký je. Jak tedy fungují? Pokud se zaměříme na dílky hrnku, uvidíme molekuly, které jsou tvořeny atomy. Molekula je nejmenší jednotka chemické sloučeniny a atom je nejmenší jednotka prvku v periodické tabulce.



Atom však není nejmenší jednotkou hmoty. Pokusy se zjistilo, že atomy mají malé husté jádro obklopené mrakem ještě menších elektronů. Elektron je jedním ze základních, nedělitelných stavebních kamenů vesmíru. Byla to první částice standardního modelu, kterou jsme kdy objevili. Elektrony se vážou na jádro atomu elektromagnetismem. Přitahují se navzájem výměnou částic zvaných fotony, což jsou kvanta světla, která přenášejí elektromagnetickou sílu – jednu ze základních sil standardního modelu.



Jádro ale ukrývá více tajemství, protože obsahuje protony a neutrony. Ty, které byly považovány za základní částice. V roce 1968 fyzici zjistili, že protony a neutrony jsou vytvořeny z kvarků, které jsou nedělitelné. Proton obsahuje dva „kvarky nahoru“ a jeden „kvark dolů“. Neutron obsahuje dva „kvarky dolů“ a jeden „nahoru“.



Jádro drží pohromadě silná síla, další základní síla standardního modelu. Pokud fotony přenášejí elektromagnetickou sílu, částice zvané gluony zastupují silnou sílu. Vypadá to, že elektrony a kvarky nahoru a dolů jsou vše potřebné ke stavbě atomu a popsání běžné hmoty. Pokusy s velkou energií však ukazují, že existuje šest kvarků – dolů a nahoru, podivné a půvabné, spodní a svrchní – a existují v široké škále hmotností.



To samé platí i u elektronu, který má těžší sourozence zvané mion a tau. Proč jsou tři a pouze tři různé verze každé částice? To zůstává záhadou. Tyto těžké částice existují pouze okamžik během vysokoenergetických srážek a běžně je neuvidíte. To proto, že se velmi rychle rozpadají na lehčí částice. Během těchto rozpadů se vyměňují silové částice nazývané W a Z, které mají na rozdíl od fotonu hmotnost.



Ty nesou slabou sílu, poslední sílu standardního modelu. Tato síla umožňuje protonům a neutronům přeměnit se do sebe, což je důležitá součást fúzních interakcí, které pohání Slunce. Abychom mohli přímo pozorovat W a Z, chce to vysokoenergetické srážky, které vznikají v urychlovači částic. Existuje další druh částice standardního modelu zvaný neutrina. Ty interagují s jinými částicemi pouze slabou silou.



Každou sekundu námi prolétají biliony neutrin, které se rodí ve Slunci. Měření slabých interakcí zjistila, že s elektronem, mionem a tau se pojí různé druhy neutrin. Všechny tyto částice mají také antihmotové verze, které mají opačný náboj, ale jinak jsou stejné. Částice hmoty a antihmoty se tvoří při vysokoenergetických srážkách po dvou, a když se střetnou, zničí se. Poslední částicí standardního modelu je Higgsův boson – kvantové zvlnění na pozadí energetického pole ve vesmíru.



Interakce s tímto polem spočívá v tom, že všechny základní částice hmoty dostávají podle standardního modelu svou hmotnost. Experiment ATLASu ve Velkém hadronovém urychlovači zkoumá standardní model. Přesným měřením částic a sil, které tvoří vesmír, mohou fyzici z ATLASu hledat odpovědi na záhady neobjasněné standardním modelem. Jak do toho například zapadá gravitace? Jaký je skutečný vztah mezi nosiči síly a částicemi hmoty?



Jak lze popsat temnou hmotu, která tvoří většinu hmoty ve vesmíru, ale zůstává nevysvětlená? Zatímco standardní model poskytuje skvělé vysvětlení pro svět kolem nás, stále ještě zbývá prozkoumat spoustu tajemství vesmíru. Překlad: Kara www.videacesky.cz