Na této stránce naleznete:   Rozdělení částic Leptony Kvarky Intermediální částice Higgsovy částice Částicové multiplety

Rozdělení částic

Elementární částice můžeme dělit buď podle „rodové příslušnosti“ na leptony, kvarky, intermediální částice a Higgsovy částice nebo podle statistického chování na fermiony a bosony.

Leptony (elektrony a neutrina)

Seznamme se nyní s první rodinou elementárních částic, s leptony. Slovo leptos znamená v řečtině lehký, jde ale o historický název, ne všechny leptony mají malou hmotnost. K leptonům patří elektron a jemu příbuzné částice. U leptonů nepozorujeme žádnou vnitřní strukturu. Spin všech těchto částic je 1/2 a jde tedy o fermiony. Všechny leptony interagují slabou interakcí a neinteragují silně. Elektricky nabité leptony (elektrony) interagují navíc elektromagneticky, což způsobuje intenzivní interakci s hmotou. Elektricky nenabité leptony (neutrina) interagují s hmotou velmi slabě. Přesto jich je v našem okolí značné množství. Tok slunečních neutrin se u naší Země odhaduje na 70×10⁹ ν cm⁻²s⁻¹. V každém cm³ je navíc 300 reliktních neutrin z období oddělení neutrin od ostatní hmoty v době cca 1 s po Velkém třesku. Při interakci kosmického záření s atmosférou vznikají asi 20 km nad zemí tzv. atmosférická neutrina. Žijeme tak v hustém neutrinovém moři, které s námi minimálně interaguje. Pro neutrina je celá Země zcela průhledná a neutrina s jejími atomy zainteragují jen zcela výjimečně slabou interakcí.

V následující tabulce jsou uvedena základní fakta o leptonech:  

Často hovoříme o generacích neboli pokoleních leptonů. První generaci tvoří obyčejný elektron se svým neutrinem – částice běžné ve světě kolem nás. Druhá generace je mion se svým neutrinem. Na Zemi se vyskytují zřídka, zpravidla vznikají interakcí kosmického záření s atmosférou. Třetí generace leptonů – tauon se svým neutrinem – sehrála svoji roli za extrémních podmínek vzniku Vesmíru. Dnes tyto částice dokážeme uměle připravit na urychlovačích. K těmto třem generacím leptonů přísluší i antičástice. Celková tabulka leptonů tedy je:

Další generace leptonů. Naskýtá se otázka, zda může existovat nějaký supersupertěžký elektron 4. nebo i 5. generace. Je to značně nepravděpodobné. Navíc leptony páté a vyšší generace nemohou existovat z kosmologických důvodů. Tyto leptony by ovlivnily chování Vesmíru při jeho vzniku a Vesmír by dnes vypadal jinak. Při větším počtu generací, by se Vesmír rozpínal rychleji a nebyl by dostatek času na vytvoření pozorovaného množství lehkých prvků.

Oscilace neutrin. V červnu 1998 byla na aparatuře Super-Kamiokande objevena oscilace neutrin vzniklých z kosmického záření v atmosféře. Při svém letu se neutrina přeměňují z jedné formy na druhou. Neutrino je chvíli mionové, chvíli tauonové a chvíli elektronové. (Tato proměna by například na slunečních neutrinech měla proběhnout každých 1 000 km.) Aparatura Super-Kamiokande je největším podzemním neutrinovým dalekohledem na světě. Je postavena v Japonsku v blízkosti vesničky Kamioka, 1 700 m pod povrchem hory Ikena Jama ve starém zinkovém dole. Jde o válcovou nádrž o průměru 34 m a výšce 36 m obsahující 32 000 tun vody. Atmosférická neutrina vznikají v horních vrstvách atmosféry při rozpadu pionů a mionů. Některá neutrina v nádrži reagují s protony a neutrony, mění se na elektrony a miony (ty se dále rozpadají na elektrony). Pohyb vzniklých elektronů a mionů je nadsvětelný a je doprovázen charakteristickým Čerenkovovým zářením, které je detekováno 13 000 fotonásobiči na vnitřním povrchu nádoby. Aparatura zachytí v průměru jedno neutrino za hodinu a půl.

Neutrina přicházející skrze celou zeměkouli prodělala oscilace, na rozdíl od neutrin přicházejících ze zenitu, které prošly „jen“ 2 km zeminy. To způsobilo anizotropii v rozložení detekovaných mionových neutrin, která byla spolehlivě měřena. Tímto způsobem byla objevena oscilace mionových neutrin.

Měření oscilací neutrin (Super-Kamiokande)	Schéma nádoby  s vodou	Detail stěny nádoby   pokryté fotonásobiči	Neutrinový obraz  Slunce. Zářící jádro.

Objev oscilací neutrin vyřešil tzv. sluneční neutrinový problém (tok neutrin přicházející ze Slunce byl přibližně třetinový, než se předpokládalo, protože použité detektory detekovaly jen jeden druh neutrin. Oscilace neutrin byly naměřeny přibližně ve stejné době i na Sudburské neutrinové observatoři (Ontario, USA) a později na japonském scintilačním detektoru KamLAND. Dnes jsou měřeny například v experimentu CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso), kde neutrina prolétají částí Země ze střediska CERN do italského komplexu Gran Sasso. Obdobný (menší) americký experiment ve Fermilabu se nazývá MINOS. V současnosti se provozují i obří podmořské neutrinové detektory, například ve Středozemním moři hledá neutrina experiment ANTARES. Oscilace neutrin znamenají, že vůně neutrin jsou mixáží (lineární kombinací) jiných kvantových stavů – tzv. vlastních stavů hmotnosti. Experimenty bohužel nedávají hmotnosti jednotlivých hmotnostních stavů, ale rozdíl kvadrátů těchto stavů. Z měření vychází Δm₁₂² = m₂²−m₁² = (7,59 ± 0,2)×10⁻⁵ eV² (KamLAND, 2005) a Δm₂₃² = (2,43 ± 0,13)×10⁻³ eV² (MINOS, 2006). Je tedy zřejmé, že alespoň jeden stav hmotnosti je nenulový a jeho nejmenší možná hodnota je přibližně 0,05 eV.

Kvarky

Na konci 50. a v průběhu 60. let se fyzikové pokoušeli vysvětlit podstatu silné interakce i chování tzv. těžkých částic (hadronů) pomocí různých modelů. Jejich název pochází z řeckého „hadros“, což znamená „těžký, silný“. Tyto částice podléhají působení silné (jaderné) interakce. Mezi nejznámější hadrony patří částice tvořící atomové jádro – proton a neutron, které nazýváme souhrnně nukleony.

Tyto snahy vyústily v kvarkový model navržený nezávisle Murrayem Gell-Mannem a Geroge Zweigem v roce 1964. Dnes podle tohoto modelu předpokládáme, že hadrony jsou tvořeny z šestice kvarků a šestice antikvarků, které korespondují s šesticí leptonů a šesticí antileptonů. V roce 1969 bylo na lineárním urychlovači SLAC ve Stanfordu v rozptylových experimentech potvrzeno, že se protony skutečně skládají z elementárnějších komponent, kvarků down (dolů, d) a up (nahoru, u). Kvark strange (podivný, s) byl nalezen zanedlouho. Kvark charm (půvabný, c) byl objeven ve vázaných stavech charmonia J/ψ dvěma nezávislými skupinami v roce 1974. Částici J nalezla skupina vedená Samuelem Tingem na protonovém urychlovači v Brookhavenu v experimentech s fixovaným terčem a stejnou částici pod názvem ψ nalezla skupina vedená Burtonem Richterem na kolideru SPEAR ve Stanfordu (objev vešel do dějin fyziky jako listopadová J/ψ revoluce). V roce 1976 byly objeveny vázané stavy kvarku bottom (dolní, b). Dlouho očekávaná existence posledního kvarku top (horní, t) byla potvrzena až v roce 1994 v komplexu Fermilab.

Kvarky Gell-Mann nazval podle románu Jamese Joyce „Smuteční hostina na počest Finnegana“ (Finnegans Wake). Hrdina románu vidí ve snu racky, kteří při letu za lodí křičí: „Tři kvarky pro pana Marka“. Toto podivné slovo se v románu již nikde jinde nevyskytuje... Sám Gell-Mann zavedl první čtveřici kvarků, vymyslel pro ně nejen jména, ale přiřadil jim i jejich „obrázky“:

d  down – kvark dolů  u  up – kvark nahoru  s  strange – podivný kvark  c  charm – půvabný kvark  b  bottom (beauty) – spodní (krásný) kvark  t  top (truth) – horní (pravdivý) kvark

Podobně jako leptony řadíme i kvarky do generací, tj. první generaci tvoří kvarky (d, u) běžně se vyskytující v přírodě a jejich antikvarky. Druhá generace (s, c) vzniká při interakci vysoce energetického kosmického záření s atmosférou (kaonech, Λ hyperonech, ...) a třetí generaci (b, t) dokážeme připravit jen uměle na urychlovačích. Tyto částice byly hojné při vysoce energetických procesech krátce po vzniku Vesmíru. Kvarky třetí generace se také někdy nazývají beauty a truth (krásný a pravdivý). Základní vlastnosti kvarků jsou v následující tabulce:

Preony. Kvarky mají bodovou strukturu až do rozměrů 10^–18 m (tisícina velikosti protonu). V roce 1996 byly ve Fermilabu provedeny rozptylové experimenty, které naznačovalzy, že by kvarky mohly být složeny z dalších částic, tzv. preonů. První preonový model byl vytvořen Salamem a Patim již v roce 1974. Každý kvark či lepton by měl být tvořen ze tří částic: somonu (3 druhy, určuje generaci, nulový náboj), flavonu (2 druhy, určuje vůni „dolní“ či „horní“, náboj ±1/2) a chromonu (4 druhy, určuje barvu, náboj ±1/6). Dohromady získáme 3×2×4=24 částic, 12 leptonů a 12 kvarků. Měření z Fermilabu ale nebyla nikdy potvrzena.

Problémy modelu: Preony musely zaujímat prostor menší než 10^–18 m a z Heisenbergových relací by proto musely mít značnou hybnost. Leptony a kvarky by měly větší hmotnost než mají. Nadsvětelné preony by ale přinesly zápornou hmotnost a za cenu ztráty kauzality bychom mohli dostat správné hmotnosti.

Z kvarků lze vytvořit dvě skupiny částic:

MEZONY (složené z jednoho kvarku a jednoho antikvarku):

Skalární mezony: Spin kvarků je orientován naopak a výsledný spin mezonu je nulový (s = 0). Vektorové mezony: Spin kvarků je orientován souhlasně a výsledný spin mezonu je roven jedné (s = 1). Možné kombinace kvarků se často zakreslují do přehledných diagramů. Nakresleme je pro první tři kvarky (d, u, s). Ve směru doprava roste elektromagnetický náboj částice, ve směru nahoru klesá počet podivných kvarků, neboli roste podivnost. Podivnost kvarku strange (s) je −1, podivnost antikvarku s je +1. Kombinaci kvarků ve středu diagramu je třeba chápat jako kombinaci kvantových stavů. Běžný svět první generace složený z kvarků down (d) a up (u) a jejich antikvarků je v prostřední linii diagramů. Jde o nejznámější mezony π se spinem 0 a ρ se spinem 1. Mezony ρ jsou ve skutečnosti rezonance s dobou života cca 10–23 s. Mezony obsahující kvark strange (s) se nazývají K mezony (kaony) a byly poprvé nalezeny ve 40. letech při interakci kosmického záření s atmosférou, v 50. letech byly připraveny uměle na urychlovačích. Vznikají při procesech ovlivňovaných silnou interakcí, rozpadají se slabou interakcí. Nejdelší dobu života má mezon K0: 5×10–8 s. Existují a lze vytvořit i mezony s dalšími kvarky (c, b, t), například charmonium (cc). Mezony jsou vždy bezbarvé, do dvojice se skládá kvark s určitou barvou a antikvark s odpovídající „antibarvou“.

BARYONY (složené ze tří kvarků):

Tři kvarky lze kombinovat tak, že výsledný spin je roven 1/2 nebo 3/2. Výsledné baryony jsou bezbarvé, dohromady se složí takové kvarky, že jejich barva dá bílou (RGB). Z první trojice kvarků (d, u, s) lze zkombinovat tyto baryony: Tentokrát jsou běžně se vyskytující částice složené z první generace kvarků (d, u) v 1. řádku diagramu a neobsahují podovný kvark (s). Jde o nukleony se spinem 1/2 – (neutron a proton) a Δ částice se spinem 3/2. Δ baryony jsou rezonance s dobou života 10–23 s. Rozpadají se na nukleony a π mezony. Jde o nejlehčí baryonové rezonance. Baryony obsahující podivný kvark (s) se nazývají hyperony, patří k nim Λ  hyperon, Σ  hyperony, Ξ  hyperony a Ω hyperon.

Přehled částic složených z kvarků

Z kvarků první generace v základním stavu (s nulovým orbitálním momentem hybnosti) lze tedy sestavit tyto částice:

Jak už víme, mezony obsahující podivný kvark nazýváme podivné mezony (kaony, K mezony). Baryony obsahující podivný kvark nazýváme podivné baryony (hyperony). Mezony a baryony obsahující kvarky charm (c), bottom (b) nebo top (t) nazýváme exotické částice. Dále existuje mnoho hadronů složených z kvarků, které nejsou v základním stavu. První byly objeveny v sedmdesátých letech na urychlovačích. Těmito částicemi se v základním přehledu nebudeme zabývat, uvedeme jen některé na ukázku:

Intermediální (polní) částice

V přírodě známe čtyři druhy interakcí:

Podle představ kvantové teorie pole (P. A. M. Dirac, R. Feynman a další) probíhá interakce dvou částic tak, že si vymění tzv. intermediální (mezipůsobící, polní, výměnnou) částici.

Každá částice podléhající interakci je obklopena oblakem těchto intermediálních částic. Pojem pole (elektromagnetické, slabé, silné, gravitační) tak neznamená nic jiného než tento oblak intermediálních částic. Jde o tyto částice:

Každá elektricky nabitá částice je tedy obklopena fotony (elektromagnetickým polem), každý kvark je obklopen gluony (gluonovým – silným polem). Gluony vytvářejí kolem kvarku jakýsi těžký gluonový kožich, jeho hmotnost dokonce několikanásobně přesahuje hmotnost samotného kvarku.

Higgsovy částice

Jde o zatím nenalezené částice, které by v přírodě měly způsobovat spontánní narušení symetrie elektroslabé interakce SU(2)×U(1)_loc. Podstatnou úlohu hrají v teorii elektroslabé interakce, kde způsobují nenulovou hmotnost intermediálních (polních) částic slabé interakce a její konečný dosah. Tyto částice také měly rozhodnou měrou ovlivnit počáteční fáze našeho Vesmíru. Vytvářejí vakuový kondenzát v celém Vesmíru, který může odstartovat inflační vývojovou fázi Vesmíru. Mohou také nějak souviset s temnou energií, která dnes způsobuje zrychlenou expanzi Vesmíru. Existenci těchto částic (včetně mechanizmu, pomocí kterého polní částice získají nenulovou hmotnost) navrhl skotský matematik Peter Higgs. Spin Higgsových částic je nulový, předpokládaná hmotnost leží v intervalu m_Z < m_h < 2m_Z. Po částicích se intenzivně pátrá a měly by být detekovatelné na urychlovači LHC po jeho úplném zprovoznění. K detekci lze využít například reakce

Částicové multiplety

Částice se často vyskytují jako skupiny velmi podobných částic, které nazýváme multiplety (dublet nukleonů, triplet pionů, kvadruplet Δ baryonů, atd.) Tyto částice lze chápat jako kvantové stavy jediné částice, které se liší projekcí veličiny nazývané izospin. Multipletu přiřadíme hypernáboj Y (dvojnásobek průměrného elektrického náboje multipletu) a izospin T = (N – 1)/2 (N je počet částic v multipletu). Projekce izospinu do jednotlivých částic potom je

T₃ = Q – Y /2.

Podobně jako u spinu může hodnota projekce izospinu nabývat 2T + 1 hodnot

T₃ = – T, –T + 1, ... , T–1, T.