Sciencemag.cz
Doporučujeme
Je hmotnost neutrin spojená s nějakou novou symetrií světa? Nebo naopak narušuje nějaký zákon zachování?
Aby fyzikální výzkum a vývoj měl smysluplnou orientaci, musí stát na hlubokém teoretickém pochopení fyzikálních zákonitostí. Proto se v Ústavu technické a experimentální fyziky nachází i oddělení teoretické fyziky. Jeho pracovníci se zabývají zejména teorií elementárních částic a jejich interakcí, tedy oblastí, jejíž znalost je klíčová nejen pro fyziku mikrosvěta, ale i pro fyziku makroskopických objektů, od hvězd přes galaxie až po samotný vesmír jako celek.
Dnešní stav porozumění zákonitostem mikrosvěta je výsledkem bouřlivého a velmi úspěšného vývoje minulého století. Dnes nám není znám jev pozorovaný na částicových urychlovačích, který by prokazatelně odporoval předpovědím současného teoretického modelu elementárních částic, vybudovaného na principech kvantové fyziky. Nicméně tento model se jeví nedostatečným při konfrontaci s některými pozorováními především astronomických a kosmologických jevů.
Neutrina nejsou nehmotná
Ze Slunce na nás kromě fotonů dopadá i mohutný tok neutrin, elektricky neutrálních sourozenců elektronů a ostatních nabitých leptonů. Složení slunečního neutrinového toku však neodpovídá představám minulého století o tom, že neutrina nemají hmotnost, podobně jako foton. Dnes uznávaným vysvětlením je, že neutrina nejsou nehmotná, ale že mají hmotnost, stejně jako ji má například elektron. Složení neutrinového toku měřené na Zemi je pak výsledkem oscilace mezi jednotlivými druhy neutrin během jejich cesty z nitra Slunce. Toto zjištění z přelomu tisíciletí mimo jiné potvrdilo naši předchozí znalost existence tří druhů neutrin. Navíc však přineslo spoustu nových otázek: Jaká je povaha hmotnosti neutrin? Liší se od hmotnosti ostatních nabitých částic? Je spojená s nějakou novou symetrií světa? Nebo naopak narušuje nějaký zákon zachování? Tyto otázky jsou možná těmi nejzásadnějšími, které dnes vedou teoretické fyziky po celém světě, včetně teoretiků ÚTEF, ke snaze rozšířit tzv. Standardní model elementárních částic.
Právě skutečnost, že neutrina jsou elektricky neutrální a zároveň mají nenulovou hmotnost, otevírá možnost, že se v částicových a jaderných procesech, jichž se neutrina účastní, nezachovává rozdíl počtu leptonů a antileptonů. Pokud je toto nezachování vlastností našeho světa, pak budeme již brzy svědky nového nobelovského objevu bezneutrinového dvojitého jaderného beta rozpadu. Nejsložitějším aspektem teoretického popisu tohoto unikátního jevu je výpočet pravděpodobnosti přechodu příslušného jádra ze svého počátečního do koncového stavu. Právě tím včetně dalších aspektů bezneutrinového dvojitého beta rozpadu se v našem ústavu zabývá skupina teoretiků ve složení Andrej Babič, Jun Terasaki a Adam Smetana pod vedením světově významného slovenského vědce profesora Fedora Šimkovice ve spolupráci s vědci například z Ruska, Německa a Jižní Ameriky.
Narušení zachování leptonového počtu by umožnilo procesy, během kterých by vznikal nadbytek leptonů oproti antileptonům. Jeho objev by nás tak přiblížil k vysvětlení toho, proč je veškerá hmota dnešního pozorovatelného vesmíru tvořena výhradně částicemi bez účasti antičástic navzdory tomu, že výchozí stav vesmíru byl dle všech našich předpokladů částicově-antičásticově symetrický.
Hned po svém objevu se hmotná neutrina stala žhavým kandidátem pro objasnění další vesmírné záhady. V drtivé většině pozorovaných galaxií obíhají hvězdy galaktický střed způsobem a rychlostmi jinými, než které bychom očekávali z pozorovaného tvaru galaxie. To má jednoduché vysvětlení tím, že skutečné rozložení hmoty v galaxii má jiný tvar, který je tvořen nejen viditelnou hmotou, ale i tou pro nás neviditelnou, takzvanou temnou hmotou. Brzy se však ukázalo, že neutrina jsou schopna sehrát roli jen malého zlomku této temné hmoty. Proto mnoho směrů rozšiřujících Standardní model elementárních částic přichází s dalšími zcela novými částicemi, kandidáty na vysvětlení celé porce temné hmoty tvořící náš vesmír.
Posouváme hranice nové fyziky
Pracovníci teoretického oddělení ÚTEF se podílejí na snaze o nalezení toho správného rozšíření Standardního modelu elementárních částic, které se realizuje v našem světě. Od teoretiků to vyžaduje hlubokou a širokou znalost dosavadních pokusů o rozšíření, ale také rafinovanou invenci vedenou vůdčím principem a často i elegancí. Zpravidla jde o přidání nějaké nové částice, nové interakce či nové symetrie. Je to však nelehký úkol hned ze tří důvodů. Zaprvé je potřeba dát pozor, aby přidáním nového prvku nebyly ohroženy rozsáhlé úspěchy současného Standardního modelu. Zadruhé musí takové rozšíření vysvětlovat zmíněné pozorované záhady. A nakonec musí nový model nabízet pozorovatelné předpovědi, díky kterým je možné jej testovat a případně i vyvrátit.
Tým teoretických fyziků ÚTEF nabízí hned několik zajímavých nových přístupů. Yuta Orikasa ve spolupráci s japonskými a korejskými vědci rozvíjí scénář, který je postaven na nové symetrii zvané škálová invariance a na existenci nového hmotného fotonu. Adam Smetana ve spolupráci s chilskými vědci předpokládá párování neutrin jako příčinu narušení zachování leptonového počtu.
Při hledání nových možností jsou zaběhnuté teoretické nástroje a principy často podrobeny důkladnému přezkoumání. Výsledkem bylo například to, že hodnoty některých parametrů Standardního modelu se jeví být nepřirozenými. K tomu existuje celá řada řešení. Jedním z nich je například to, že Higgsův boson, klíčový stavební kámen Standardní modelu, je nahlížen jako částice s vnitřní strukturou, složená z jiných, nových či již známých částic. Takovými novými modely a jejich základními principy se již dlouhodobě zabývají Petr Beneš a Adam Smetana. Předpovědi tohoto přístupu pozorovatelné na urychlovačích částic studují jejich kolegové Josef Juráň a Mikuláš Gintner. Jiným řešením nepřirozenosti některých parametrů je předpoklad existence dodatečných prostorových rozměrů. Důsledky toho, že fyzikální časoprostor má více rozměrů než ty, na které jsme zvyklí, se zabývá Filip Blaschke ve spolupráci s bývalým pracovníkem ústavu profesorem Masato Araiem z Japonska.
Jindy je výsledkem přezkoumávání a snažení se o hlubší porozumění velké překvapení. Ukázalo se, že kvantová teorie elementárních částic v sobě obsahuje existenci takzvaného magnetického monopólu, aniž by si přítomnost takového objektu kdokoli objednal. Předpověď magnetického monopólu je natolik přesvědčivá, že se o jeho detekci snaží na světě hned několik experimentálních týmů. Při hledání nového objektu je dobré vědět alespoň rámcově, jaké jsou jeho předpokládané vlastnosti, například jaká by mohla být jeho hmotnost. A právě k tomu nedávno přispěla dvojice vědců z ÚTEF, Filip Blaschke a Petr Beneš, když odvodili, že magnetický monopól nemůže být lehčí než 2,37 TeV a že tedy nemá smysl hledat jej na urychlovačích nedisponujících dostatečnou energií na jeho produkci.
autor: Adam Smetana
Publikováno v magazínu ČVUT Tecnicall 2/2018
