Fyzikové využili největší urychlovač na světě v pátrání po podivné elementární částici, kterou zřejmě matně zahlédli před více než dvaceti lety. Experiment proběhl úspěšně a nově objevená částice má podle vědců velmi netypické vlastnosti.
Asi před dvaceti lety měli fyzici podivnou zkušenost. Na prchavý zlomek sekundy se jim v datech mihlo něco, co vypadalo jako rozmazaná „lochneská příšera“. Něco, co by nemělo existovat, ale přesto důkazy viděli na vlastní oči. Byť jen velmi krátce.
Částice, kterou ve Fermilabu několikrát zaznamenali, se mihla před přístroji experimentu SELEX jen šestnáctkrát a její chování odporovalo tomu, co předpovídala teorie. Protože se objev nepodařilo zopakovat, vědci ho odsunuli do pomyslné škatulky „zajímavosti a podivnosti“ a rozhodli se vyčkat, jestli by lepší přístroje nebo vybavení nemohly přinést kvalitnější snímky této „lochnesky“.
Po pomíjivé částici sice pátraly i jiné experimenty, ale marně. Až nyní se konečně podařilo ji „chytit“.
Vědci totiž na experimentu, který proběhl na Velkém hadronovém urychlovači v CERNu, potvrdili existenci právě této částice, které dali jméno, jež si veřejnost nemá příliš šanci zapamatovat: Ξcc⁺ neboli Xi-cc-plus. Na projektu, který využil modernizace výše uvedeného urychlovače, se podílela tisícovka vědců z více než dvaceti zemí světa.
Velký hadronový urychlovač je tunel dlouhý 27 kilometrů, ve kterém výzkumníci urychlují protony téměř na rychlost světla a pak je nechají srážet se. A sledují, co se bude dít. Při těchto srážkách vznikají na zlomek sekundy různé vzácné částice — včetně Xi-cc-plus. Částice sice okamžitě zaniká a rozpadá se na jiné, jednodušší, ale vědcům i to stačí. Z těchto „střepů“ totiž zpětně poznají, jaká částice tam byla původně. Trošku to připomíná archeologii, kdy experti z úlomků pravěké nádoby skládají vzhled původní vázy.
„Četnost srážek na urychlovači je asi 40 milionů za sekundu. Původní detektor LHCb musel většinu srážek zahodit ještě dřív, než se na ně kdokoliv podíval - a právě události jako ta, kterou kolegové teď pozorovali, padaly do koše jako první,“ uvedl pro ČT24 Tomáš Jakoubek z Fyzikálního ústavu AV ČR, který na experimentech v CERN také podílí. „Navíc Ξcc⁺ má náboj jen +1, takže se v datech mnohem víc podobá obyčejnému pozadí. Je to trochu jako hledat konkrétního člověka v davu - čím víc splývá s ostatními, tím lepší detektiv je potřeba.“
Masivní bratranec protonu
Od dob, kdy se děti ve školách učily, že existují tři elementární částice – proton, elektron a neutron – se svět částicové fyziky výrazně zvětšil. Dnes věda zná částic rovnou několik desítek. Přesto je čerstvý objev nesmírně důležitý – mimo jiné jde totiž o první částici, kterou vědci popsali pomocí upraveného Velkého hadronového urychlovače.
Nově pozorovaná částice Ξcc⁺ je těžším příbuzným protonu, který mezi lety 1917 až 1919 objevil v Manchesteru fyzik Ernest Rutherford se svými kolegy. Pro zajímavost – za objev protonu byl nominován na Nobelovu cenu, kterou odmítl s tím, že „už jednu má“. Xi-cc-plus je protonu svou strukturou velmi podobný, jen je asi čtyřikrát těžší.
Vesmír je složený z atomů, které na rozdíl od představ antických filosofů nejsou nedělitelné. Skládají se z menších částic, jimž se říká elementární. I ty se ale dají dělit na menší části.
Nejmenší dílky této stavebnice se jmenují kvarky. Kvarky jsou tak malé, že se nedají přímo pozorovat, ale věda ví, že existují. A existují v různých „příchutích" – fyzici je pojmenovali trochu vtipně: up, down, strange, charm, bottom a top. Česky: horní, dolní, podivný, půvabný, spodní a vrchní.
Když se tři kvarky spojí dohromady, vznikne částice, které se říká baryon. Nejznámější baryony jsou proton a neutron, ze kterých se skládají jádra atomů.
Většina baryonů (jako proton nebo neutron) obsahuje lehké kvarky. Ale kvarky označené jako charm (půvabný) jsou mnohem těžší. Částice Xi-cc-plus je výjimečná tím, že obsahuje rovnou dva tyto kvarky najednou. To je zatím v současném modelu základních částic dost vzácné.
Důkazy jsou tentokrát mnohem silnější než při experimentu z roku 2002, který je popsaný v úvodu článku. Vědci zaznamenali celkem 915 událostí, kdy Xi-cc-plus vznikla rozpadem jiných částic. Její existence byla ale více než prchavá: trvala jen 45 femtosekund. Tak krátký čas se špatně představuje, pro lepší srovnání je jedna sekunda vůči jedné femtosekundě asi jako 31 milionů let vůči jedné sekundě. Světlo, které cestuje rychlostí 300 tisíc kilometrů za sekundu, urazí za 45 femtosekund jen vzdálenost 0,013 milimetru — tedy asi desetinu tloušťky vlasu.
Jako maličká dvojhvězda
Objevitel protonu Rutherford také přišel na to, že vzhled částic odpovídá takzvanému planetárnímu modelu, který se dnes učí ve školách – právě za to dostal Nobelovu cenu. A podobně jako v nějaké sluneční soustavě to vypadá i uvnitř nově objevené částice. Dva těžké charm kvarky jsou jako dvě hvězdy, které krouží kolem sebe navzájem; třetí, lehký kvark, obíhá kolem nich jako planeta kolem dvojhvězdy.
Zajímavé také je, že částice má jinou hmotnost, než předvídal původní objev z roku 2002, což znamená, že už to není žádná „lochneska“, ale normální zástupce částic, který odpovídá teoretickým předpokladům moderní fyziky. Zatím ale není úplně jasné, jestli před dvaceti lety ve Fermilabu jen špatně měřili, anebo narazili na nějakou úplně jinou částici.
