4.5
Současný systém základních částic a základních fyzikálních interakcí
V současné době známe celkem 12 základních částic látky (a 12 jejich antičástic), k nim se ale přiřazují základní částice pole, které zprostředkovávají základní fyzikální interakce. Jako základní částice se označují elementární částice, u kterých nebyla pozorována další vnitřní struktura.
Leptony – nepůsobí na ně silná interakce (mohou působit zbývající základní fyzikální interakce).
Elektricky nabité leptony: elektron, mion, tauon
Elektricky neutrální leptony: elektronové, mionové a taunové neutrino.
Kvarky – působí na ně silná interakce (a mohou působit i zbývající základní fyzikální interakce).
Známé kvarky: up u, down d, strange s, charm c, top t, bottom b.
Poznámky
- Základními částicemi látky je tedy 6 leptonů a 6 kvarků (a jejich antičástice).
- Základní
částice látky jsou fermiony
se spinovým číslem ½.
|
Označujeme tak ve fyzice nejjednodušší typ vzájemného silového působení mezi částicemi. V současné době jsou známy čtyři základní fyzikální interakce: |
Všechny síly působící mezi hmotnými objekty jsou důsledkem základních fyzikálních interakcí.
V rámci nových fyzikálních teorií dochází postupně k sjednocení teoretického popisu základních fyzikálních interakcí.
Projevuje se univerzálně mezi všemi typy hmotných objektů, tedy i mezi elementárními částicemi všech typů. Síly působící mezi těmito objekty závisí na jejich hmotnosti a jejím rozložení v prostoru. Dosah gravitační interakce je nekonečně velký. Síla gravitačního působení klesá se vzdáleností interagujících objektů až na nulovou hodnotu pro nekonečně vzdálené objekty. Je to nejslabší známá interakce.
V klasické (nerelativistické a nekvantové) fyzice je silové pole gravitační interakce popsáno Newtonovým gravitačním zákonem. V relativistické fyzice (nekvantové) pak Einsteinovými rovnicemi, které vycházejí z představy zakřiveného prostoročasu (tzv. obecná teorie relativity).
Z pohledu kvantové fyziky je gravitační interakce zprostředkována elementárními částicemi - gravitony (tzv. kvanta gravitačního pole). Tyto částice nebyly zatím prokázány experimentálně.
V mikrokosmu (v mikroskopickém měřítku) gravitační interakce jen málo ovlivňuje pohyb částic, a proto se při popisu chování elementárních částic většinou zanedbává. V megakosmu (ve velkém měřítku srovnatelném s rozměry kosmických objektů) gravitační interakce naopak dominuje. Důvodem je velká hmotnost kosmických objektů ve vesmíru (planety, hvězdy, galaxie, skupiny galaxií), která není kompenzována, protože neexistuje záporná (gravitační) hmotnost, resp. tzv. antigravitace. Srovnej s elektromagnetickou interakcí.
Projevuje se univerzálně u všech typů elementárních částic. Na rozdíl od ostatních tří typů základních fyzikálních interakcí nevytváří slabá interakce žádné vázané stabilní systémy částic, ale projevuje se pouze rozpadem elementárních částic. Slabá interakce je po gravitační interakci druhá nejslabší známá interakce. Má jen velmi malý dosah, který je řádově 10-18m.
Poznámka
- Slabá interakce způsobuje například přeměnu beta.
Při rozpadech částic pod vlivem slabé interakce dochází často k tzv. narušení symetrie, resp. porušení některých zákonů zachování (např. zákon zachování parity, inverze času a nábojového sdružení, izospinu, podivnosti, hypernáboje a půvabu).
Kvantem slabé interakce jsou tzv. intermediální bosony, které byly předpovězeny teorií elektroslabé interakce a experimentálně potvrzeny v roce 1983.
Prostřednictvím této interakce na sebe mohou objekty silově působit pouze tehdy, pokud mají nenulový elektrický náboj nebo magnetický moment. Po silné interakci je to druhá nejsilnější interakce. Obdobně jako u gravitační interakce je její dosah nekonečně velký a velikost jejího silového působení klesá se vzdáleností až na nulovou hodnotu pro nekonečně vzdálené interagující objekty.
Na rozdíl od gravitační interakce se neuplatňuje v megakosmu, protože dochází ke kompenzaci jejího silového působení z důvodu existence dvou znamének elektrického náboje (náboje opačného znaménka se přitahují, což spolu se skutečností, že velikost působících sil je přímo úměrná velikosti elektrického náboje objektu, vede k vytváření elektroneutrálních systémů).
Elektromagnetická interakce má největší škálu projevů (např. zajišťuje soudržnost atomů, projevuje se významně ve formě různých typů chemické vazby aj.).
Analogií Newtonova gravitačního zákona je Coulombův zákon elektrostatiky. V rámci klasické relativistické (i nerelativistické) fyziky (tj. nekvantové) se elektromagnetické pole popisuje Maxwellovými rovnicemi.
Kvantový popis elektromagnetického pole je možný teprve v rámci kvantové teorie pole. Zprostředkující částice - kvantum elektromagnetického pole je foton.
V rámci teorie elektroslabé interakce se podařilo sjednotit popis elektromagnetické a slabé interakce.
Tato interakce váže kvarky v hadronech, jejím zbytkový projevem je silové působení mezi hadrony (včetně jaderných sil). Leptony silně interagovat nemohou. Je to nejsilnější známá interakce. Silná interakce mezi hadrony je krátkého dosahu (zhruba 10-15m). Silná interakce mezi kvarky má nekonečný dosah. Na vzdálenostech přesahujících lineární rozměry hadronů roste přitažlivá síla na z dnešního pohledu prakticky neomezenou hodnotu, zatímco v těsné blízkosti je relativně malá (asymptotická volnost).
Poznámky
- Ještě jednou zdůrazněme, že tato interakce existuje pouze u hadronů, resp. kvarků.
- Někdy se silná interakce nepřesně ztotožňuje s pojmem jaderné interakce (viz jaderné síly), což má historické důvody. Poprvé se fyzikové s projevy této interakce setkali v atomovém jádře. Z dnešního pohledu je základní fyzikální interakcí silná interakce mezi kvarky. Silná interakce mezi hadrony a tedy i jaderné síly jsou pouze tzv. zbytkovým projevem této silné interakce mezi kvarky uvnitř hadronů (nukleonů v případě jaderných sil).
V kvantové teorii pole můžeme pole silné interakce popsat pomocí kvant. V případě silné interakce mezi kvarky jsou kvantem pole nové částice - gluony.
Podobně jako v případě částic (kap. 2.4.1) uveďme přehled základních fyzikálních interakcí ve formě přehledné tabulky.
ZÁKLADNÍ FYZIKÁLNÍ INTERAKCE
|
Interakce částic lze popsat fyzikálním polem, které je v kvantové teorii pole popsáno pomocí částic – kvant pole. Silové působení interakce je pak možno vysvětlit jako výměnu tzv. virtuálních kvant pole – zprostředkujících částic. V případě základních fyzikálních interakcí to jsou tzv. základní částice pole:
|
je hypotetickou částicí, která dosud nebyla potvrzena.
Jeho podstatu a vlastnosti již známe naopak velmi dobře (viz fotonová hypotéza).
Jde o elementární částice zprostředkovávající slabou interakci. Existují celkem tři intermediální bosony W+, W- (elektricky nabité) a Z0 (neutrální). Patří do skupiny tzv. vektorových bosonů (tj. bosonů se spinovým kvantovým číslem 1), kam patří např. i foton. Spolu s fotonem představují kvanta elektroslabé interakce. Na rozdíl od fotonu mají intermediální bosony nenulovou klidovou hmotnost, což souvisí s konečným dosahem slabé interakce.
Jedná se o velmi „těžké“ částice (jsou těžší než běžné baryony). W má hmotnost srovnatelnou s hmotností jádra rubidia, hmotnost Z0 odpovídá asi hmotnosti molybdenu. Intermediální bosony byly předpovězeny v rámci sjednocující teorie elektroslabé interakce. Již dříve rozpracovanou teorii prosadili S. Weinberg a A. Salam v letech 1967 - 68, matematické základy nové teorie vybudoval v roce 1971 holandský fyzik G. Hooft. Teorie elektroslabé interakce byla jednou z prvních úspěšných sjednocujících teorií.
Intermediální bosony byly experimentálně potvrzeny v CERNu (Evropské středisko pro jaderný výzkum) na jaře roku 1983 dvěma nezávislými vědeckými kolektivy, které vedli C. Rubbia a P. Darriulat. C. Rubbia a S. van der Meer získali za objev Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1984. Částice W byly identifikovány podle rozpadu na elektron a neutrino, částice Z rozpadu buď na pár elektron-pozitron nebo mion-antimion.
Jsou to částice, které zprostředkovávají silnou interakci mezi kvarky. Patří podobně jako foton a intermediální bosony mezi vektorové bosony (tj. bosony se spinovým kvantovým číslem 1). Mají nulovou klidovou hmotnost a nesou tzv. barvu , resp. barevný náboj. Nemají však elektrický náboj.
Stejně jako kvarky nejsou gluony pozorovány volné, prokázány jsou však nepřímo (shodou předpovědí kvarkové teorie s experimentem). Gluony lze zřejmě ztotožnit s partony bez elektrického náboje.
Současný systém základních částic vypadá tedy takto:
Tento systém představuje jeden z úspěchů ve snahách o jednotný pohled na svět.
Sjednocující teorie (unitární teorie)
Jsou to fyzikální teorie, které se snaží o jednotný popis fyzikálních interakcí a jednotný pohled na stavbu elementárních částic.
Základ snah o sjednocení popisu interakcí můžeme nalézt už v Maxwellově teorii elmg. pole, která spojila popis elektrických a magnetických jevů. Einsteinovy snahy o sjednocení popisu elmg. a gravitační interakce na bázi představ zakřivení prostoročasu skončily neúspěchem, navíc z dnešního pohledu měla tato Einsteinova teorie závažný nedostatek spočívající v nezahrnutí kvantového popisu zmíněných interakcí.
V současné době je úspěšně završeno sjednocení elektromagnetické a slabé interakce v teorii elektroslabé interakce. Dále se předpokládá sjednocení popisu elektromagnetické, slabé i silné interakce v teorii velkého sjednocení (GUT - grand unitary theory). Zatím neúspěšné jsou pokusy o jednotný popis všech interakcí (tj. včetně gravitace) v rámci teorie supergravitace. Zjednodušení popisu stavby látky bylo dosaženo pomocí kvarkové teorie. Současné teorie elementárních částic a jejich interakcí vychází z existence základních částic a jejich vlastností. Ty jsou v rámci těchto standardních teorií postulovaným faktem, jež vychází z experimentu. Nejnovější teorií, která by mohla být elegantním řešením těchto otázek, je teorie strun. Podle jedné z variant této teorie není náš časoprostor pouze čtyřrozměrný (tři prostorové souřadnice a čas), ale má rozměrů celkem deset. Ovšem kromě zmíněných čtyř rozměrů se všechny zbývající smrskly do uzavřených smyček neuvěřitelně malého rozměru. Základními objekty takového prostoru nejsou bodové částice, ale tzv. struny, které mohou kmitat pouze určitými způsoby (módy), z nichž každý odpovídá existenci určitého typu částic. Teorie strun se ovšem teprve rozvíjí, a tak se zřejmě ještě dlouho nedočkáme její definitivní podoby. Navíc příslušné rovnice je v řadě případů obtížné řešit, a proto zatím tato teorie dokáže vysvětlit méně experimentálních skutečností než (klasická) kvantová teorie a na ní založený standardní model částic a jejich interakcí.
