Sheldonův koutek 7. díl: Je čas dát košem teorii superstrun?

 

Langdon zmateně zíral na trubici: „Tohle má být urychlovač částic?“ Mistr šifer, znalec symbolů a slavný detektiv se na začátku knihy Andělé a démoni od Dana Browna podivuje nad monstrózním mechanismem. Z výzkumného centra na hranicích Francie a Švýcarska zmizelo čtvrt gramu antihmoty. Začíná bitva mezi náboženstvím a vědou. V tomhle článku nenajdete ilumináty ani sexy italskou učitelku jógy, místo toho vám ale osvětlíme dění v samotném urychlovači. Abyste se při náhodné návštěvě v CERNu nedivili stejně hloupě, jako se divil sám profesor Langdon.

Božská částice 

Obr slaví desáté narozeniny

Velký hadronový urychlovač (v angličtině Large Hadron Collider, neboli LHC) byl poprvé uveden do provozu 10. září 2008. Na svůj věk to ale není žádný drobeček. V průměru měří více než 8,5 km, což je pro představu kolem 28 Eiffelových věží na sobě. Leží v kruhovém tunelu o obvodu 27 kilometrů a obsahuje soustavu 1 800 supravodivých magnetů. Když na něm probíhá údržba, musí technici v podzemí urazit několik kilometrů denně. Proto se nedivte, až kolem vás v tunelu někdo prosviští na kole.

Urychlování částic, kdy do sebe naráží protony o kinetické energii 7 trilionů elektronvoltů, není žádná hračka. Magnety musí pracovat při teplotě 271 stupňů pod nulou, aby dodaly protonům požadovanou rychlost. Během procesu chlazení, při kterém se používá tekuté hélium, spotřebuje urychlovač 200 MW a vlivem extrémní zimy dochází k jeho smrštění o neuvěřitelných 30 metrů.

 

Pro představu

  • 200 MW přibližně odpovídá výkonu jednoho bloku uhelné elektrárny.
  • Kinetická energie letícího komára se odhaduje na bilion elektronvoltů.
 

Účel urychlovače je simulovat kolizi dvou protonů letících proti sobě téměř rychlostí světla. Srážku zaznamenávají detektory vysoké pět pater, které snímají dohromady 40 milionů fotografií za sekundu. Z obrazců pak složí 3D mapu kolize.

Pátráme po částicích

Profesor Langdon přichází na místo hrůzného činu. Ze záhadných symbolů a složitých kódu postupně vydedukuje identitu vraha. Stejně musí vědci v CERNu hledat ještě neobjevené částice ve stopách, co za sebou nechává srážka dvou protonů. Při jejich kolizi tryskají spršky nových částic znovu reagujících, srážejících se, zanikajících a formujících se. Celé to trochu připomíná ohňostroj. Vědci doufají, že jim tyto zvláštní experimenty pomůžou odhalit skrytá tajemství hmoty a energie. Daří se to?

Urychlovač částic 

Svlékání hmoty do naha

V minulosti stáli teoretičtí fyzikové před obrovským problémem. Vytvořili totiž standardní model, který ideálně popisoval, z čeho se skládá veškerá známá hmota ve vesmíru. Měli před sebou tři rodiny elementárních částic a obecně čtyři síly, které mezi nimi figurují. Problémem bylo, že podle tohoto teoretického receptu na existenci, neměly částice žádnou hmotnost. Za takových podmínek by ovšem ve vesmíru nebyly žádné planety, žádná zvířata, žádný profesor Langdon či Sheldon Cooper.

 

Kvarky jsou elementární částice s neznámou další vnitřní strukturou.

 

Už v roce 1964 se touto „malou“ komplikací zabývalo hned několik vědců. Nejznámějším z nich se stal Peter Higgs, kterému se povedlo předpovědět existenci tzv. božské částice. Ta byla skutečně potvrzena až v roce 2012. Higgs tedy dokázal na základě teoretických poznatků odhalit novou částici s téměř padesátiletým předstihem. Za tuto predikci dostal v roce 2013 Nobelovu cenu. Co to ovšem znamenalo?

proton  Božskou částici si jen tak v přírodě neprohlédnete. Vzniká totiž za extrémních podmínek v urychlovači a okamžitě se rozpadá. Její přítomnost v kolizi lze vyčíst ze stop, které rozklad zanechá. V srpnu 2018 se ovšem vědcům v CERNu podařilo pozorovat rozpad Higgsova bosonu na dva spodní kvarky. 

Vědec Harry Cliff popisuje, že se jedná o pole, ve kterém získávají částice na hmotnosti. Celou situaci přirovnává k šíření zvukových vln v atmosféře. Vzduch nevidíme, ale díky zvuku, který se v něm přenáší, víme, že existuje. Stejně tak existuje Higgsovo pole, jelikož bez něj by nebyl nikdo z nás. Kdyby mělo toto pole jen trochu jiné vlastnosti, všechny atomy a částice v něm by získaly příliš velkou hmotnost a zřítily se samy do sebe. Fyzikům však vyvstala nová otázka. Jak vzniklo toto perfektní Higgsovo fyzikální pole?

Záplata se odlepuje

Jedna z nepopulárnějších teorií, se kterou vědci přišli, aby tuto nepravděpodobnou rovnováhu objasnili, se nazývá „supersymetrie“. Myšlenka, že každá částice má svého „superpartnera", by vysvětlovala existenci Higgsova pole, a tudíž i existenci nám známého vesmíru. Kámen úrazu ovšem je, že zatím nebyl žádný „superpartner“ pozorován, přestože by toho LHC měl být schopen. V roce 1964 bylo do standardního modelu nutné domyslet další částici, aby dával smysl. Tu se podařilo skutečně najít až v roce 2012. Budeme si muset počkat dalších několik desítek let, než vědci najdou důkazy „supersymetrie“?

  Údajně se pouze 5 % vesmíru skládá z atomů. Dalších 72 % má tvořit hypotetická temná energie, která by vysvětlovala zrychlující rozpínání vesmíru. Zbylých 23 % zaplňuje temná hmota. Ta neemituje elektromagnetické záření, jeví se proto jako „neviditelná", a ve vesmíru je možné ji pozorovat jen díky její gravitační síle působící na okolní „svítící" objekty.   

Sází na struny

Ve vědecké obci i té seriálové se neustále vedou debaty o tzv. teorii všeho. Jedná se o takový deštníček, pod který by se nacpaly veškeré interakce od těch mezi subatomárními částicemi po ty mezi hvězdokupami. Kandidátem na takový deštníček je i známá teorie superstrun, kterou dlouho propagoval i Sheldon Cooper ze seriálu Teorie velkého třesku. Zjednodušeně řečeno bychom vyměnili bezrozměrové částice za jednorozměrové struny. A voilà. Máme teorii všeho.

Superstruny ovšem staví na existenci supersymetrie, kterou se přes veškerá očekávání zatím nepodařilo dokázat. Navíc existují argumenty, že se struny neslučují s existencí temné energie a zrychlujícím se rozpínáním vesmíru. Je tedy možné, že se Sheldon celých 20 let svého profesního života věnoval cestě, která nikam nevede? Spíš ne. Poznatky, které vědci získali právě díky práci na teorii superstrun, už jim jen tak nikdo nevezme. Navíc je to přeci tak elegantní a zajímavá teorie! Budeme se muset nakonec všichni rozejít s teorií superstrun, nebo se objeví nějaká nová myšlenka, která slepí jedno s druhým?

Černá díra  Kolem urychlovače částic koluje nespočet konspiračních teorií, ke kterým učitě nemálo přispěl i Dan Brown se svou knihou Andělé a démoni. Lidé se například obávájí vzniku černé díry nebo otevření portálu do jiné dimenze. Konspirační teoretiky bohužel neuklidnilo ani prohlášení, že pravděpodobnost vzniku Zemi-ničícího jevu v urychlovači je velmi malá.

 
Hodnocení článku:
Počet hlasů: 7