Článek
Představte si, že chcete zjistit, jak fungují ty nejsložitější švýcarské hodinky na světě. Nemáte k dispozici lupu, pinzetu ani tenký šroubováček. Máte jen obrovský, neuvěřitelně silný prak. Vaší jedinou šancí je vzít dvoje takové hodinky, vystřelit je obrovskou rychlostí přímo proti sobě a z letících ozubených koleček, sklíček a pružinek – které se na zlomek vteřiny rozletí do všech stran – pochopit, jak byl celý ten dokonalý mechanismus původně sestaven.
Zní to jako úkol pro šílence? Vítejte v každodenní realitě špičkových částicových fyziků.
Přesně takto totiž funguje Velký hadronový urychlovač (LHC) v Evropské organizaci pro jaderný výzkum (CERN). V obrovském, sedmadvacet kilometrů dlouhém podzemním tunelu na hranicích Švýcarska a Francie vědci urychlují částice téměř na rychlost světla a nechávají je čelně srazit. Z energie této srážky na prchavý okamžik vznikají nové, často nesmírně exotické stavební kameny hmoty.
A právě z těchto subatomárních trosek se nedávno vynořil objev, který otřásl fyzikálním světem. Detektivům mikrosvěta se podařilo zachytit „ducha“. Částici tak nestabilní a těžkou, že její samotná existence balancuje na hraně našeho chápání reality.
Stavebnice z těžkých kostek
Abychom pochopili monumentalitu tohoto objevu, musíme se podívat na to, z čeho jsme vlastně složeni my sami. Naše těla, planeta Země i hvězdy na nebi se skládají z atomů. V srdci každého atomu sedí protony a neutrony. Jsou to spolehliví, stabilní dělníci vesmíru.
Proton není plná kulička. Je to spíše pytlík, ve kterém se neustále převalují tři menší částice zvané kvarky. Obyčejný proton obsahuje dva kvarky typu up (nahoru) a jeden kvark typu down (dolů). Jsou to ty vůbec nejlehčí kvarky, jaké příroda nabízí.
Fyzikové ale už dlouho vědí, že existují i jiné, mnohem těžší a exotičtější rodiny kvarků. Jedním z nich je kvark označovaný jako „půvabný“ (z anglického charm). Je masivní, nestabilní a v běžné přírodě ho jen tak nepotkáte. Vědci si celá desetiletí kladli vzrušující otázku: Co by se stalo, kdybychom vzali obyčejný proton, vyhodili z něj jeho lehké vnitřnosti a nahradili je těmito gigantickými půvabnými kvarky?
Teoreticky by mělo vzniknout monstrum. A přesně to se nyní stalo.
Seznamte se: Xi-cc-plus
Díky vylepšenému detektoru experimentu LHCb (Large Hadron Collider beauty), který prošel v roce 2023 rozsáhlou technickou modernizací, se fyzikům podařilo v chaosu srážek izolovat zcela nový typ částice. Dostala krkolomné jméno Xi-cc-plus (čteme ksí-cc-plus).
Tato částice je přesně tím monstrem, které vědci hledali. Jde v pořadí o osmdesátý objevený hadron (částici složenou z kvarků) na tomto urychlovači, ale něčím se zásadně liší. Obsahuje totiž hned dva masivní půvabné kvarky a jeden kvark typu down.
Díky této extrémní vnitřní výbavě je nová částice zhruba čtyřikrát těžší než obyčejný proton.
Představte si to jako sluneční soustavu, kde máte místo jednoho slunce hned dvě supermasivní černé díry a kolem nich obíhá jedna malá, lehká planetka.
Tato obrovská váha si ale vybírá krutou daň. Xi-cc-plus nedokáže ve vesmíru přežít. Jakmile se při srážce zrodí, prakticky okamžitě se rozpadne na lehčí a stabilnější prvky. Její životnost je odhadována na pouhou miliontinu miliontiny vteřiny. Žije zhruba šestkrát kratší dobu než její sesterská částice s dvojitým půvabným kvarkem objevená v roce 2017.
Není divu, že bylo tak nesmírně obtížné ji zachytit. Vědci ji ve skutečnosti neviděli – zaznamenali pouze „otisky prstů“, které za sebou její okamžitý rozpad zanechal.
Jistota, o které se jiným vědám jen zdá
Možná si říkáte, jak si mohou být vědci tak jistí, že se nespletli? Že nejde jen o šum v datech nebo chybu přístroje? Částicová fyzika operuje s nejpřísnějšími matematickými pravidly ze všech oborů.
Zatímco v sociologii nebo psychologii stačí k prokázání teorie poměrně malá statistická jistota, fyzikové v CERNu používají takzvaný zlatý standard 5 sigma. To znamená, že šance, že je objev jen náhodná chyba měření, je 1 ku 3,5 milionu.
Signál objevu částice Xi-cc-plus ale překročil hranici neuvěřitelných 7 sigma. To je jistota tak absolutní, že o existenci tohoto subatomárního ducha nemůže pochybovat vůbec nikdo.
Proč na tom všem záleží?
K čemu je nám částice, která žije tak krátce, že si to ani nedokážeme představit? Objev Xi-cc-plus není jen pomyslným zářezem na pažbě švýcarských fyziků. Je to klíč k otestování jednoho z největších tajemství vesmíru – takzvané kvantové chromodynamiky (QCD).
Jde o teorii, která popisuje silnou jadernou sílu. To je to neviditelné „lepidlo“, které drží kvarky pohromadě. Kdyby tato síla nefungovala přesně tak, jak funguje, protony by se rozpadly, atomy by nikdy nevznikly a neexistoval by vesmír, jak ho známe. Žádné hvězdy. Žádné planety. Žádní lidé.
Každý takový kratičký, prchavý hadron představuje další vyřešený dílek gigantické subatomární skládačky. A i když zkoumáme částice, které zmizí dřív, než mrkneme okem, učíme se díky nim číst samotná pravidla, podle kterých byl stvořen náš svět.
P.S.
Díky, že jste se mnou dnes nahlédli do útrob urychlovače a na okamžik spatřili částici, která žije kratší dobu než jeden váš myšlenkový záblesk. Pokud vám toto vysvětlení „půvabných kvarků“ a srážek hodinek pomohlo pochopit, z čeho je náš svět vlastně slepený, budu moc vděčný za drobnou podporu v ceně jedné kávy. Pomůže mi to pro vás i nadále stopovat tyto vesmírné duchy. Děkuji vám!
