Posledně jsme si užili biofyziky, takže tentokrát se zaměříme na novinky z té oblasti, o které toho zatím víme podstatně méně. Kvarky, hadrony, baryony atd. jsou slova, která nahánějí hrůzu, jenže to jen tak „na oko“. Vezměme si třeba kvarky. To jednoduše dva fyzici pravděpodobně zrovna svačili, když si řekli, že nové částice, o kterých právě diskutují, nazvou syrečky (kvarky). Potom se zase jednou přesvědčíme, že kvantová fyzika je přírodou určený hlídač, který chrání mikrosvět před našimi příliš zvědavými otázkami. A nakonec se vrátíme k otázce, z čeho se náš svět skládá. Do rodiny elementárních částic totiž patří i neutrina, která jsou pravděpodobně čtyři, ale zatím známe jen tři. Tady fyzikům zbývá opravdu ještě hodně práce.
Fermilab ulovil zvláštní tetrakvark
Fyzikům, kteří pracují ve Fermilabu na experimentu DØ, se podařilo objevit novou částici, která je složena ze čtyř kvarků různých vůní. Částice, jež zatím nese název X(5568), má hmotnost 5568 MeV/c2 a obsahuje kvarky up a bottom a antikvarky down a strange.
Pokud se sami nezabýváte teorií elementárních částic, možná si říkáte, že z předešlého odstavce nejste zrovna příliš moudří. Nemusíte si však lámat hlavu, protože i fyzici si rádi hrají a mají smysl pro poezii. V roce 1964 přišli Murray Gell-Mann (americký fyzik a nositel Nobelovy ceny z roku 1949) a George Zweig s tvrzením, že všechny v té době známé částice lze poskládat z pouhých tří fundamentálních částic nebo jejich antičástic. Částice označili slovem kvarky, které si vypůjčili z románu Jamese Joyce, jenž je podobných slovních hříček plný. Vedle toho se také traduje, že si oba pánové řekli „tak jim budeme říkat syrečky“, což je jeden z překladů slova quark, a „rozlišovat je budeme vůněmi“. Jejich hypotéza předvídala pro kvarky elektrický náboj 2/3 nebo –1/3 náboje protonu. Takové zlomkové náboje ovšem nebyly nikdy pozorovány. Kvarky byly nejdřív považovány za pouhou matematickou fikci, experimenty ale nakonec jejich existenci prokázaly.
Kvarky mají šest různých vůní (původně anglicky flavours). Dva nejlehčí kvarky dostaly jména u (up – horní) a d (down – dolní). Třetímu kvarku se říká s (strange – podivný). Název dostal podle podivné vlastnosti mezonů K (na jejichž složení se tento kvark podílí) - jejich nečekaně dlouhé době života. Čtvrtý typ kvarku se nazývá stejně exoticky - c (charm – půvabný). Pátému a šestému kvarku se původně říkalo truth (pravda) a beauty (krása), jenže to už bylo na některé fyziky s menším smyslem pro humor trochu moc, a tak se nakonec ujalo t (top – vrcholný) a b (bottom – spodní). Kvark šesté vůně (t) má daleko nejvyšší hmotnost - je asi 35 000x hmotnější než kvarky u a d, z nichž se skládá většina hmoty kolem nás.
Po tom, co jsme si objasnili terminologii, se nyní již můžeme podívat, co že to vlastně vědci ve Fermilabu objevili. I když už jsou z dřívějška známy i jiné tetrakvarky, X(5568) je první, v němž mají všechny kvarky jinou vůni. Tento fakt by vědcům mohl pomoci zjistit, jak kvarky interagují navzájem.
Částice byla objevena při prohledávání dat z experimentu DØ, jenž byl prováděn na proton-antiprotonovém kolidéru ve Fermilabu v letech 2002–2011. Statistická věrohodnost je 5,1 σ, což je těsně nad hranicí požadovanou pro objev v částicové fyzice.
Nejznámější hadrony (těžké elementární částice podléhající silné interakci) jsou buď mezony obsahující kvark a antikvark, nebo baryony obsahující tři kvarky. Například proton obsahuje dva u kvarky a jeden d kvark, zatímco mezon obsahuje b kvark a s antikvark.
Teorie silné interakce – kvantová chromodynamika – dovoluje existenci dalších typů baryonů obsahujících čtyři nebo více kvarků. Protože jsou ale výpočty nesmírně složité, není zatím jasné, které konfigurace tetrakvarků jsou možné.
Tetrakvark by mohl obsahovat čtyři kvarky, které jsou navzájem pevně spojeny, nebo by mohl být složen ze dvou mezonů spojených do struktury připomínající molekulu. Zjištění, k čemu dochází uvnitř tetrakvarků a pentakvarků, přinese cenné informace pro samotnou chromodynamiku. V roce 2008 objevili fyzici pracující na experimentu BELLE v Japonsku tetrakvark o hmotnosti 4430 MeV/c2. V roce 2014 byl objev potvrzen v CERN, a to v experimentu se statistickou věrohodností 13 σ. Fyzici zde následně zjistili, že pět kvarků může vytvořit pentakvark.
Až do objevu našeho tetrakvarku X(5568) se však mělo za to, že všechny známé tetrakvarky a pentakvarky obsahují pár c-kvark/antikvark, což vedlo řadu fyziků ke spekulaci, že vazba mezi půvabným kvarkem a jeho antikvarkem (charmonium) vytváří jádro, kolem kterého se může formovat pentakvark nebo tetrakvark. Jenže skutečnost, že X(5538) neobsahuje žádný pár stejné vůně, nasvědčuje tomu, že klíčem k porozumění tvorbě těchto části charmonium nebude.
Dalším významným aspektem objevení X(5568) je rychlost, kterou se tvoří během srážky proton – antiproton. Vypadá to, že rychlost je o mnoho řádů vyšší, než se předpokládalo. Další studium podobných exotických částic, jako jsou tetrakvarky a pentakvarky na velkých urychlovačích, řekne hodně nového o silách působících uvnitř hmoty.
Kvantově limitovaná tepelná vodivost překonala dálkový rekord
Kvantová mechanika je těžko pochopitelná. S tím lze jen souhlasit. Jenže pokud chceme pronikat dál a dál do nitra hmoty a miniaturizace předmětů denní potřeby bude pokračovat, budeme se s kvantově mechanickými zákony a jejich omezeními setkávat stále častěji, a to dokonce i v běžném životě. Fyzici z Finska nyní ukázali, že je možné vedení tepla na makroskopické vzdálenosti blízko maximální účinnosti, kterou dovoluje právě kvantová mechanika. Nasměrováním fotonů podél supravodivého vlnovodu dokázali přenést teplo mezi dvěma odpory vzdálenými jeden metr, tj. na 10 000x větší vzdálenost, než bylo zatím možné.
Podle zákonů kvantové mechaniky je tok tepla, stejně jako elektrického proudu, kvantován. Pokud je vodič tak tenký, že vlnová funkce elektronu, který se pohybuje vodičem, může mít jedinou konfiguraci, představuje to horní hranici rychlosti, kterou může být elektrická energie přenášena při daném napětí. Stejně tak kvantum tepelné vodivosti představuje maximální rychlost, kterou může být tepelná energie přenášena z teplejší lázně do studenější při daném rozdílu teplot a za předpokladu, že teplejší lázeň teplo dokonale emituje, chladnější ho dokonale absorbuje a po cestě nedochází k tepelným ztrátám.
Pro teplejší lázeň, která má 1 K, a studenější, která má 0,9 K, bude tepelný tok 100 fW, tj. tisícina biliontiny výkonu běžné žárovky se žhaveným vláknem. Fyzici pozorovali takovou kvantově limitovanou tepelnou vodivost v různých fyzikálních systémech, ovšem vzdálenosti byly řádově 50 mikrometrů.
V nejnovější práci prodloužili finští fyzici kvantově limitovanou vzdálenost, na kterou se teplo přenáší, do makroskopických rozměrů a jako nosiče tepla použili místo elektronů fotony. Maximální vodivost vyžaduje, aby se nosiče tepla pohybovaly tepelným kanálem nerušeně. Elektrony, které nesou elektrický náboj, mohou projít normálním kovem jen velmi krátkou vzdálenost, protože se rozptylují na fononech, jiných elektronech a na poruchách materiálu. Naproti tomu fotony neinteragují vzájemně a pokud se použije vhodné přenosové medium, neinteragují ani s okolím.
Finští fyzici použili spirálovitý supravodivý vlnovod vyrytý v malém křemíkovém čipu a jeho oba konce spojili s kovovým odporem, který slouží jako tepelná lázeň. Tepelně indukované napěťové fluktuace v jednom z odporů generují mikrovlnné fotony, které se pohybují vlnovodem se specificky tvarovaným příčným elektrickým polem. Velikost obou odporů přesně odpovídá impedanci vlnovodu, a tím se minimalizuje počet fotonů odražených na rozhraní. Poté přišlo na řadu ochlazení elektronů v jednom z odporů a měření následného poklesu teploty ve druhém. K měření vědci použili supravodivý tunelový přechod. Experiment provedli se dvěma délkami vlnovodu – 20 cm a 1 m. Pracovali při teplotě kolem 0,1 K a naměřené změny teploty porovnávali s teoretickými hodnotami vyplývajícími z předem vypracovaného modelu. Zjistili, že dosáhli shody v mezích 80–110 % teoretického maxima.
Technologie bude podle finských fyziků vhodná pro různá kvantová zařízení. Umístění chladné lázně co nejdál od chlazeného objektu omezí poškozování kvantových stavů. Hlavní uplatnění najde tento způsob chlazení pravděpodobně v kvantových počítačích, jejichž bity mění svůj kvantový stav při absorbování i velmi malého množství tepla.
Čínská laboratoř potvrzuje anomálie antineutrin
Neutrina jsou velmi pozoruhodné, ale špatně polapitelné částice. Jejich existenci předpověděl Wolfgang Pauli už v roce 1930, ale experimentálně byla pozorována až o 26 let později. Neutrina existují zatím ve trojici, kterou tvoří neutrina elektronová, mionová a tauonová. Fyzici doufají, že se k nim brzy připojí čtvrtý sourozenec, takzvané neutrino sterilní.
Analýza více než 300 000 elektronových antineutrin emitovaných z jaderných reaktorů v Číně poskytla dosud nejpřesvědčivější důkaz, že tok a energie těchto částic nesouhlasí s teoretickými předpověďmi. Zatímco nepoměr může být způsoben nedostatky v současném modelu, který popisuje produkci a detekci neutrin, doteď neznámé čtvrté neutrino může navíc objasnit nesouhlas s teorií.
Data pochází z mezinárodního experimentu Daya Bay (Daya Bay Reactor Neutrino Experiment). Detektory antineutrin v něm pátrají po neutrinech vznikajících v šesti blízkých jaderných reaktorech. Do nejnovějšího měření bylo zapojeno šest z osmi detektorů. Každý z nich je tvořen 20 tunami scintilačního roztoku dopovaného gadoliniem. Vždy když elektronové antineutrino interaguje s jádrem gadolinia, vznikne v detektorech slabý záblesk světla.
Vědci data shromažďovali po 217 dní. Energie antineutrin mohli měřit s přesností 1 %, jedná se tedy o dosud nejpřesnější měření. Avšak namísto toho, aby se potvrdil současný model produkce antineutrin, energetické spektrum ukázalo značný nadbytek antineutrin s energií 4–6 MeV při statistické věrohodnosti 4 σ. I když to je méně než 5 σ – požadovaných v částicové fyzice za prokázání objevu – existence tohoto maxima byla potvrzena dalšími dvěma neutrinovými experimenty, a to Double Chooz ve Francii a RENO v Koreji. Obě maxima měla také hodnotu 4–6 MeV se statistickou věrohodností 3 σ, resp. 3,5 σ.
Navzdory existenci maxima mezi 4–6 MeV byl celkový počet detekovaných antineutrin v intervalu 1–7 MeV o 6 % menší, než by měl být podle teoretických předpokladů. Tento deficit v počtu neutrin byl poprvé zjištěn v roce 2011 ve Francii po vyhodnocení dat z celé řady různých experimentů.
Jako jedno z možných vysvětlení uvádějí francouzští fyzici scintilaci (přeměnu) na zatím hypotetický čtvrtý typ neutrin, a to při cestě z reaktoru na detektor. Jedním z kandidátů je „sterilní“ neutrino, jehož existenci předpovídají některá rozšíření Standardního modelu elementárních částic. Sterilní neutrino je zatím hypotetická částice, která by na rozdíl od třech známých neutrin neměla podléhat slabé interakci, ale měla by na ní působit jen gravitace.
Pokud skutečně existuje, mělo by tedy toto neutrino interagovat s normální hmotou velmi slabě, eventuálně vůbec. To ale znamená, že jeho detekce by byla mnohem obtížnější než detekce konvenčních neutrin. Ve fyzikální obci všeobecně panuje názor, že ti, co sterilní neutrino hledají, si na přesvědčivější důkazy budou muset ještě chvíli počkat. Ty by měly přijít v následujících třech letech.
Pokud jde o přebytek antineutrin v oblasti 4–6 MeV, tato anomálie je relativně nová, poprvé byla zjištěna v roce 2014. Experimenty Daya Bay poskytly mnohem přesnější údaje a to se ve fyzice částic považuje za významný výsledek. Zatím ale nikdo nepředložil přesvědčivé vysvětlení, co tato anomálie vlastně znamená.
Podle převažujícího názoru je jen málo pravděpodobné, že zjištěné maximum souvisí se „sterilními“ neutriny, může ale být spojováno s naším porozuměním tomu, jak neutrina v reaktorech vznikají a jak detektory pracují. Nesoulad mezi experimentálními a teoretickými hodnotami nám ale určitě říká, že současně platné výpočty potřebují zpřesnění.
Experimenty Daya Bay ale přinesly ještě jednu významnou informaci, a to tu, jak neutrina, vznikající v reaktorech, při cestě z reaktoru na vzdálený detektor mění svou vůni. Další výsledky by měl přinést i detektor JUNO, který se v současnosti buduje 200 km od Daya Bay. Neutrinové experimenty by mohly otevřít dveře tomu, jak zkoumat fyzikální zákony za hranicemi Standardního modelu. Jednou z největších výzev neutrinové fyziky je zkoumání oscilací různých typů neutrin, tj. jejich vzájemné přeměny. Pokud se existence sterilního neutrina prokáže, mohli bychom tím získat možného kandidáta na vysvětlení podstaty temné hmoty ve vesmíru, o které zatím nevíme zhola nic. Jenže neutrina jsou částice velice škodolibé, které se nerady nechávají detektory „nachytat“, fyzici se tedy budou muset ještě hodně snažit, než se jim podaří se s nimi „spřátelit“ nebo alespoň „uzavřít příměří“.
Původní materiály byly uveřejněny v arXiv (preprint), Nature Physics, Physical Review Letters a Physics World.
Další díly: