Kvarky jsou jednou ze skupin částic ve Standardním modelu. K jejich objevům docházelo postupně v průběhu 70. let minulého století. Objev kvarku c, označovaného taky jako půvabný, si v roce 1974 připsaly zároveň dva týmy amerických vědců pracujících na dvou různých urychlovačích na opačných koncích USA.
Na počátku 30. let 20. století si fyzici mysleli, že už znají všechny částice, ze kterých se skládá hmota. Objeven byl elektron, proton a neutron. Prokázaná byla i existence neutrin a jejich antičástic. Dnes, o sto let později, však částicoví fyzici přiznávají, že naše znalosti o složení hmoty ve vesmíru stále nejsou kompletní. Vědci se neustále snaží objevovat nové částice a potvrzovat teorie o původu hmoty.
V roce 1936 ale objev nové částice – mionu – vyvolal ve fyzikální komunitě zděšení. Americký fyzik I. I. Rabi v té době prohlásil: „Kdo si to objednal?!“ Jeho údiv nebral konce, když v průběhu dalších let docházelo při srážkách částic při stále vyšších a vyšších energiích k objevům dalších nových částic. Ty dnes tvoří tzv. Standardní model.
K formulaci Standardního modelu částic však došlo až v 70. letech 20. století. S prvním teoretickým řešením existence nových částic přišli v roce 1964 fyzici Murray Gell-Mann a George Zweig. V jejich modelu jsou částice složené z různých kombinací jiných, ještě menších fundamentálních částic, které pojmenovali kvarky. Kvarkový model odstartoval závod, jehož cílem bylo existenci těchto částic experimentálně potvrdit. První tři z kvarků, u, d a s, byly objeveny čtyři roky po publikování Gell-Mann-Zweigovy teorie na urychlovači SLAC ve Stanfordu.
Richter vs. Ting
Urychlovač SLAC na západním pobřeží USA však nebyl jediným americkým experimentem zaměřeným na hledání nových částic. V Brookhaven National Laboratory v New Yorku se do závodu o objevení zbývajících kvarků zapojil americký vědec čínského původu Samuel Ting. Ting se stal americkým občanem díky velké náhodě. Jeho rodiče navštívili v roce 1936 Ann Harbor v Michiganu, kde se jejich syn předčasně narodil. Samuel Ting vyrůstal v Číně a až ve 20 letech využil svého amerického občanství a zapsal se ke studiu na Michiganské univerzitě, kde v roce 1962 dokončil doktorát. Nejprve působil jako profesor na Kolumbijské univerzitě, odkud přešel na MIT. Na věhlasném Massachusettském technologickém institutu využíval ke svým experimentům Alternující gradientový synchrotron (AGS) patřící národní americké laboratoři v Brookhavenu.
Objevení chybějících kvarků si kladl za cíl i tým Burtona Richtera ze Stanfordu. Richter, narozený v roce 1931 v New Yorku, získal doktorát na MIT a poté začal pracovat na fyzikální fakultě Stanfordovy univerzity. Tam se zapojil do projektu výstavby elektron-pozitronového urychlovače s průměrem 80 metrů nazvaného SPEAR (Stanford Positron Electron Accelerating Ring).
Jeden z objevitelů kvarku c Burton Richter
Oba dva experimentátoři o své konkurenci věděli. Richter ze Stanfordu předpokládal, že je oproti Tingově týmu ve velké výhodě. Urychlovač v Brookhavenu totiž urychloval protony, zatímco Richterův SPEAR realizoval srážky elektronů a pozitronů – fundamentálních částic. Výhoda v urychlování fundamentálních částic se ale nakonec nepotvrdila a v létě roku 1974 ohlásily oba dva týmy objev kvarku c téměř zároveň. Protože kvarky nemohou existovat samostatně, objev tzv. půvabného kvarku (z anglického charm) přišel ve formě mezonu, který se skládal z jednoho kvarku c a jednoho anti-kvarku c.
Ještě před publikací článků o objevu v pořadí čtvrtého kvarku se Richter a Ting potkali na konferenci, kde učinili společné oznámení výsledků svých měření. Zhruba o týden později, v prosinci roku 1974, vyšly články popisující objev mezonu složeného z c kvarku a antikvarku. Richter svůj mezon nazval Ψ, protože se rozpadá na čtyři částice, jejichž dráhy se v magnetickém poli zakřivily do tvaru připomínajícího toto písmeno řecké abecedy. Tingův název mezonu J měl mnohem prozaičtější důvod: písmeno J mu připomínalo čínský znak pro jeho jméno. Dnešní oficiální název mezonu složeného z kvarku c je kombinací obou názvů – J/Ψ.
Richter a Ting svými objevy doplnili částicový model na dvě kompletní generace částic – elektron a kvarky up a down, mion a kvarky charm a strange. Za průkopnickou práci při objevu nového druhu těžké elementární částice získali oba dva vědci společně v roce 1976 Nobelovu cenu za fyziku. V té době se mohlo zdát, že částicový model je kompletní, ale příroda měla v záloze ještě několik překvapení. Během několika let byl na urychlovači ve SLACu objeven lepton tau, což spustilo pátrání po dalších dvou „příchutích“ kvarků. K objevu kvarku bottom došlo velmi záhy, ale na téměř nepolapitelný top kvark si vědci museli počkat dalších skoro dvacet let.
Mohlo by vás také zajímat:
Jak fyzici
objevili grafen
Torricelliho
vakuum
Záření,
které oslepilo vědce