Současné fyzice se zdá, že hmota je složena z několika nedělitelných částic. To je sice už hodně stará hypotéza, ale v současnosti je možná o něco lépe podložená než v minulosti. Navíc se seznam těchto “nedělitelných” částic dost změnil (a stále se mění).
Už starověký filozof Démokritos zavedl pro nejmenší dále nedělitelnou částici pojem “atomos”. Atomos znamená jednoduše nedělitelný. Jeho pojetí atomu by z dnešního hlediska odpovídalo nejspíše molekule. Pojem “atomos” použili lidé v 19. století k označení základních stavebních prvků molekul – atomů. To ovšem bylo dost předčasné, neboť se záhy ukázalo, že atom je dělitelný až hrůza. A to i přes to, že je zatraceně malý – rozměr typického atomu je 10-10 m = 0,000 000 000 1 m, neboli desetimiliontina milimetru. To se asi už nedá rozbít kladivem, že?
Když hodíte malý míček na medicinbal
Pojďme si ukázat, jak atom zkoumat, a po něm dokonce i jeho komponenty. Na začátku 20. století provedl slavný novozélandský fyzik Ernest Rutherford pokus, ve kterém ozařoval tenoučkou zlatou fólii radioaktivním zářením α (což jsou jádra prvku hélium). Myslel si, že všechny částice α projdou fólií, aniž změní směr letu. Ale ouha – některé z nich po srážce s fólií udělaly dokonce čelem vzad! Rutherford z toho okamžitě usoudil, že atomy zlata musí obsahovat velmi malé a velmi těžké jádro, od kterého se α-částice odráží. Je to vlastně stejné, jako kdybyste házeli tenisákem na medicinbal – tenisák se vám krásně odrazí, zatímco medicinbal se stěží pohne.
Pokud byste naopak tenisákem házeli na pingpongový míček, tak si tenisák stěží všimne, že mu něco přišlo do cesty, a bude pokračovat ve svém směru. Stejně tak atom zlata tedy musí obsahovat něco, co je mnohem těžší než α-částice. Že toto něco musí být zároveň hodně malé, usoudil Rutherford z toho, že α-částic, které udělaly čelem vzad, bylo hodně málo.
Jádro zlata je skutečně zatraceně malé: zhruba 10-14 m, tedy desettisíckrát menší než typické atomy. (Jádro vodíku – proton – je ještě desetkrát menší, tedy 10-15 m). Experimenty podobné tomu Rutherfordovu se neustále provádějí dodnes. Jejich hlavní myšlenkou je toto: pokud chceme zkoumat něco hodně malého, musíme na to poslat něco hodně rychlého (přesněji řečeno něco s vysokou energií).
Protony s energií letícího komára
Kvantová teorie nás totiž učí, že každá částice může posloužit k mikroskopování; čím větší má energii, tím lepší má prostorovou rozlišovací schopnost. Tento “jednoduchý” princip byl použit mj. v šedesátých letech v experimentu, který prokázal existenci kvarků – částic, ze kterých se skládají proton a neutron. Energie použitých projektilů byly ale desettisíckrát větší, než jaké měl k dispozici Rutherford.
O autoroviVojtěch Pleskot je zaměstnancem Johannes Gutenberg-Universitaet Mainz a pracuje na experimentu Atlas v Evropské organizaci pro jaderný výzkum CERN. Je také jedním ze spoluzakladatelů a aktivních členů projektu Science To Go! Projekt sdružuje mladé vědce a vědkyně a jeho posláním je zpřístupnit nejnovější úspěchy přírodních věd široké veřejnosti. Je známý zejména sériemi popularizačních minipřednášek, se kterými vystupuje po celé republice. |
Experimentem Rutherfordova typu je také urychlovač LHC ve švýcarské laboratoři CERN. Jedná se o nejlepší mikroskop, jaký byl kdy sestrojen, neboť je schopný zkoumat objekty o rozměrech 10-19 m – tedy ještě desettisíckrát menší než proton! Tohoto fantastického prostorového rozlišení dosahuje díky obří energii, na níž urychluje částice, které používá jako projektily. Těmito částicemi jsou protony a každý z nich má energii letícího komára – objektu, který je víc než bilionkrát větší než proton.
Jedním z nejdůležitějších úkolů LHC je zjistit, jestli částice, které v současné době považujeme za bodové (tj. dále nedělitelné), nemají náhodou nějaký rozměr (neboli jestli se neskládají z částic ještě menších). Z dnešního pohledu jsou bodovými částicemi elektron, kvarky, foton, neutrina a ještě několik dalších. Patří mezi ně i nedávno objevený Higgsův boson.
Doposud nic nenasvědčuje tomu, že by nějaká z nich bodová nebyla. Neměli bychom však předbíhat, vždyť LHC má před sebou ještě dobrých patnáct let provozu. Kdyby se až do konce jeho běhu nepodařilo objevit strukturu žádné z nich, museli bychom konstatovat, že jsou s jistotou menší než 10-19 m. V takovém případě bychom si museli počkat na nějaký výkonnější urychlovač a celý výzkum opakovat. Prokázal by strukturu nějaké dnes bodové částice? Nevíme...
Může se nejmenší a tedy nedělitelná částice rozpadnout?Jistě jste už slyšeli, že Higgsův boson se rozpadá okamžitě po svém vzniku. A podobně i další částice, které dnes považujeme za nedělitelné (bodové). To ovšem vůbec není v rozporu s jejich nedělitelností. Příroda totiž připouští, aby se částice měnily jedna v druhou (přesněji v druhé), pokud se přitom dodrží jistá pravidla. Například celková energie částice před rozpadem musí být stejná jako energie částic, na které se rozpadla. Součet elektrických nábojů produktů rozpadu musí být roven elektrickému náboji rozpadající se částice. A podobných pravidel je ještě víc. Rozpad částice je přitom potřeba chápat jako její přeměnu. Jak se však dá zjistit, jestli se částice pouze rozpadla (přeměnila), nebo jestli nějakým způsobem obsahuje to, co z jejího místa letí? Úplně jednoduché to není, ale dá se to. Vezměme si jako příklad mion, což je částice hodně podobná elektronu, jen je o hodně těžší. Mion se normálně rozpadá (přeměňuje) na elektron a dvě neutrina. Kdyby však experimenty na LHC zaregistrovaly částici podobnou mionu, která se rozpadá na obyčejný mion a foton, pak by to bylo něco hodně nového. Taková částice by s největší pravděpodobností byla excitovaným stavem mionu. A excitovat se může jedině složená částice. Excitace totiž není nic jiného, než že se od sebe vzdálí elektricky nabité složky na vzdálenost, která je větší než jejich obvyklá. Existence excitovaného mionu by tedy znamenala, že mion má nějaké složky, neboli že není nedělitelný. |
Text vznikl za pomoci projektu Science To Go!, který chce zpřístupňovat nejnovější vědecké objevy veřejnosti.
