|
KEK – japonská Národní laboratoř pro fyziku vysokých energií. Založena byla v roce 1971, umístěna je v Tsukubě v Japonsku. Největším urychlovačm je KEKB B factory, továrna na B kvarky. Jde o nesymetrický elektron-pozitronový kolider složený ze dvou prstenců (3,5 GeV a 8 GeV). Maximální tok částic je 1034 cm-2s-1. Obvod obou prstenců je 3 016 m. Kvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky down a up, druhou kvarky strange a charm a třetí kvarky bottom (beauty) a top (truth). Mezon – částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Název vznikl z toho, že první objevené mezony měly hmotnost "mezi" hmotností elektronu a protonu. Pokud se kvarky složí s nesouhlasným spinem, vznikne skalární mezon (má nulový spin), pokud se souhlasným spinem vznikne vektorový mezon (spin má roven jedné). Skalární mezony zkombinované z kvarků d a u nazýváme piony, vektorové róony. Pokud mezon obsahuje kvark s, nazývá se kaon. Baryon – elementární částice složená ze tří kvarků s různým barevným nábojem. Výsledná barva je "bílá". Baryony podléhají silné interakci a patří proto mezi hadrony. Baryony složené z kvarků první generace (d, u) dělíme na nukleony se spinem rovným 1/2 (proton a neutron) a delta baryony se spinem rovným 3/2 (4 částice s různým nábojem). Baryony obsahující s kvark nazýváme hyperony. Nejznámějším je lambda hyperon. Hyperony byly hojně zastoupené v ranných vývojových fázích vesmíru, často hovoříme o hyperonovém plynu. Dnes vznikají interakcí kosmického záření s horními vrstvami atmosféry a umíme je vytvořit uměle na urychlovačích. |
V původním kvarkovém modelu látky předloženém nezávisle Murrayem Gell-Mannem a Stephanem Zweigem na počátku 60. let 20. století se uvažovalo o tom, že z kvarků jsou složeny částice s vnitřní strukturou, které nazýváme hadrony. Ty se dále dělí do dvou velkých skupin – mezonů složených z jednoho kvarku a jednoho antikvarku a baryonů složených ze tří kvarků. Mezi nejznámější baryony patří proton a neutron, částice tvořící atomární jádra.
Kvarky pojí dohromady do větších celků polní částice silné interakce, které nazýváme gluony. Existují v osmi variantách a jsou nositeli náboje silné interakce, tzv. barvy. To je podstatný rozdíl od elektromagnetické interakce, ve které polní částice, fotony, nemají elektrický náboj. Po roce 2000 se objevilo několik experimentů, ve kterých se zdálo, že by mohly existovat i vázané čtveřice nebo pětice kvarků (tetrakvarky a pentakvarky) a mnohé další exotické kombinace mezonů a baryonů.
Zajímavá je například možnost existence gluonových koulí. Tím, že gluony jako polní částice silné interakce mají náboj této interakce, mohou vytvořit vázaný stav i bez přítomnosti kvarků. Problém je ale v tom, že gluonové koule se přimíchávají k běžným stavům mezonů a v urychlovačích je téměř nemožné je detekovat, byť by tam měly podle současných znalostí vznikat.
Jinou zajímavostí jsou mezonové nebo baryonové molekuly. Jde o obdobu molekuly v elektromagnetické interakci, kdy jednotlivé atomy jsou sice elektricky neutrální, ale mohou se vázat vyššími momenty elektromagnetické interakce (například dipólově) do větších celků. Nábojem silné interakce je barva, baryony i mezony jsou navenek bezbarvé a opět se mohou tzv. zbytkovou silnou interakcí vázat do větších celků. Například neutrony a protony se vážou do atomárních jader. Každé atomární jádro (s výjimkou vodíku) je tak vlastně baryonovou molekulou. V přírodě by měly existovat i mezonové molekuly s dvěma nebo více mezony vázanými zbytkovou silnou interakcí. Nadějným kandidátem je exotický mezon X(3872), pozorovaný v japonském experimentu Belle na urychlovači KEKB v roce 2003, který by měl být vázaným stavem dvojice kvarků a dvojice antikvarků.
 |
| Japonský experiment Belle na urychlovači KEKB |
Dosud sporná je existence pentakvarku – vázaného stavu pětice kvarků. Mělo by jít o čtveřici kvarků a jeden antikvark. Vzhledem k tomu, že kvarky mají baryonové číslo 1/3 a antikvarky –1/3, je výsledné baryonové číslo této kombinace rovno jedné a částici řadíme k tzv. exotickým baryonům. Teoreticky její existenci předpověděli Maxim Polyakov, Dmitrij Diakonov a Victor Petrov z Peterburského institutu jaderné fyziky v roce 1997. Detekci pentakvarku oznámilo v roce 2003 několik pracovišť (Jeffersonova laboratoř, LEPS, DESY) jako rezonanční pík o energii 1 540 MeV. Jiná významná pracoviště (BaBar, Belle) tento objev ovšem nepotvrdila a dodnes je existence pentakvarku nejistá, i když experiment LEPS měřil ostrý pík na 1 540 MeV opakovaně i v roce 2005.
Obdobná situace je i s tetrakvarkem, vázaným stavem čtyř valenčních kvarků (dvou kvarků a dvou antikvarků), který by s nulovým baryonovým číslem měl patřit k exotickým mezonům. V dubnu 2003 se na urychlovači SLAC objevila částice Ds(2317), která by mohla být v takovém stavu. Jiným kandidátem je částice X(3872), objevená v japonském experimentu Belle, která je buď mezonovou molekulou a nebo tetrakvarkem. Tyto i další podivně se chovající mezony jsou elektricky neutrální, a tak ve skutečnosti může jít jen o excitované stavy charmonia (vázaného stavu kvarku c a antikvarku c).
V říjnu 2007 ovšem došlo k výraznému posuvu. V experimentu Belle na japonském urychlovači KEKB oznámili objev částice Z(4430), která má chování jako ostatní exotické mezony, je ovšem poprvé elektricky nabitá. Nová částice vzniká při rozpadu b kvarků vytvořených při srážce elektronů a pozitronů na nesymetrickém kolideru KEKB. Vzhledem k tomu, že částice je nabitá, mělo by jít o vázaný stav kvarku c, antikvarku c, kvarku u a antikarku d. Po provedení ověřovacích experimentů v jiných laboratořích by mohlo jít o první skutečně prokázaný tetrakvark, který je snadno odlišitelný od excitovaného stavu charmonia.
 |
| Novým kandidátem na tetrakvark je částize Z(4430), která vzniká rozpadem b kvarku v elektron pozitronovém kolideru KEKB v detektoru Belle. Nová částice se rozpadá na obyčejný pí mezon a částici ψ′ (první excitovaný stav charmonia cc). |
 |
| Na rozdíl od předchozích kandidátů je částice Z(4430) nabitá, a tak ji lze bezpečně odlišit od excitovaníého stavu charmonia, které je vázaným stavem kvarku c a antikvarku c. |
 |
| Nová částice vykazuje ostrý rezonanční pík při rozpadu na π ψ′ pro energii 4 430 MeV. Zdroj KEKB/Belle. |
Hadrony – částice složené z kvarků. Dělíme je na mezony složené z kvarku a antikvarku a baryony složené ze tří kvarků různých barev. Název je odvozeninou z řeckého hadros (silný, těžký). K nejznámějším mezonům patří piony, k nejznámějším baryonům neutron a proton.
Kvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky down a up, druhou kvarky strange a charm a třetí kvarky bottom (beauty) a top (truth).
Mezon – částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Název vznikl z toho, že první objevené mezony měly hmotnost "mezi" hmotností elektronu a protonu. Pokud se kvarky složí s nesouhlasným spinem, vznikne skalární mezon (má nulový spin), pokud se souhlasným spinem vznikne vektorový mezon (spin má roven jedné). Skalární mezony zkombinované z kvarků d a u nazýváme piony, vektorové róony. Pokud mezon obsahuje kvark s, nazývá se kaon.
Baryon – elementární částice složená ze tří kvarků s různým barevným nábojem. Výsledná barva je "bílá". Baryony podléhají silné interakci a patří proto mezi hadrony. Baryony složené z kvarků první generace (d, u) dělíme na nukleony se spinem rovným 1/2 (proton a neutron) a delta baryony se spinem rovným 3/2 (4 částice s různým nábojem). Baryony obsahující s kvark nazýváme hyperony. Nejznámějším je lambda hyperon. Hyperony byly hojně zastoupené v ranných vývojových fázích vesmíru, často hovoříme o hyperonovém plynu. Dnes vznikají interakcí kosmického záření s horními vrstvami atmosféry a umíme je vytvořit uměle na urychlovačích.
Proton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10-27 kg (938 MeV) a elektrickýn nábojem +1,6×10-19 C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 1035 let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem.
Neutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10-27 kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní s poločasem rozpadu 886 s (15 minut). V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron.
Gluony – intermediální částice silné interakce. Působí jen na hadrony. Jde o sílu, která spojuje kvarky v mezony a baryony. Sílu, která udržuje pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a sílu, způsobující některé rychlé rozpady elementárních částic. Silná interakce má krátký dosah srovnatelný s rozměry atomového jádra. Známe celkem 8 gluonů.
Silná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10-15 m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického "glue" = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější je proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mouhou působit samy na sebe.
Elektromagnetická interakce – působí na všechny částice s elektrickým nábojem. Má nekonečný dosah, mezi tělesy ubývá s druhou mocninou vzdálenosti. Polními částicemi jsou fotony, které vytvářejí mezi nabitými tělesy elektromagnetické pole. Nemají elektrický náboj, mají nulovou klidovou hmotnost a spin rovný jedné.
Foton – polní částice elektromagnetické interakce, kvantum elektromagnetického záření. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = hf, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění.
