Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 6 – vyšlo 14. listopadu, ročník 23 (2025)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Objev toponia, částice z kvarku a antikvarku t

Petr Kulhánek

Letošního roku byl na Velkém hadronovém kolideru (LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015.) v urychlovačovém centru CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. oznámen objev vázaného stavu tt kvarku t a antikvarku t. Kvark t je nejtěžším kvarkem vůbec, je nestabilní a okamžitě se rozpadá. Dlouho nebylo jasné, zda je vůbec schopen vytvořit vázaný stav se svým antikvarkem. Nakonec se na tomto největším urychlovači na světě (LHC) podařilo hledanou částici připravit na detektoru CMSCMS – Compact Muon Solenoid. Víceúčelový detektor vybudovaný v CERN pro urychlovač LHC, vážící 12 500 tun, který je schopen mj. detekovat Higgsovy částice. a její existenci nezávisle potvrdit na detektoru ATLASATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS, detektor pro urychlovač LHC s hmotností 7 000 tun umístěný 100 metrů pod zemí. Jde o multifunkční detektor, který je mj. schopen detekovat Higgsovy bosony. Délka zařízení je 44 metrů, magnetické pole cívky vychylující nabité částice 2 T.. Zpracovaná data jsou z let 2015 až 2018. Pro současnou fyziku na hranici poznání je typický leckdy mnohaletý odstup mezi pořízením dat a jejich zpracováním.

CERN a Velký hadronový kolider LHC, situační plánek.
Zdroj: CERN Document Server.

CERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web.

ATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS, detektor pro urychlovač LHC s hmotností 7 000 tun umístěný 100 metrů pod zemí. Jde o multifunkční detektor, který je mj. schopen detekovat Higgsovy bosony. Délka zařízení je 44 metrů, magnetické pole cívky vychylující nabité částice 2 T.

CMS – Compact Muon Solenoid. Víceúčelový detektor vybudovaný v CERN pro urychlovač LHC, vážící 12 500 tun, který je schopen mj. detekovat Higgsovy částice.

Kvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce.

Kvarkový model částic

V šedesátých letech 20. století začalo být jasné, že některé částice, dosud považované za elementární, jsou ve skutečnosti složené z menších celků. Příkladem mohou být neutrony a protony, částice atomového jádra. Americký fyzik Murray Gell-Mann navrhl svůj model kvarkůKvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce., z nichž jsou tyto částice složené, v polovině 60. let a nezávisle na něm zveřejnil podobný model další americký fyzik George Zweig. K nalezení prvních kvarků došlo při srážkách urychlených elektronů s protony na Stanfordském lineárním urychlovačiSLAC – Stanford Linear Accelerator Center, středisko s několika urychlovači, nejznámějším je přes 3 kilometry dlouhý lineární urychlovač patřící Stanfordově univerzitě v Kalifornii, podle něhož je centrum SLAC pojmenováno. Urychlovač je v provozu od roku 1962. V současnosti je středisko přejmenováno na „SLAC National Accelerator Laboratory“ a je jednou z deseti národních laboratoří Spojených států.. Elektrony s vysokou energií pronikaly do protonů a z jejich rozptylu byla detekována tři rozptylová centra odpovídající Gell-Mannovým kvarkům. Postupně se rodil standardní model elementárních částicStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W⁺, W⁻, Z⁰) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce. Standardní model je vybudován na základě kvantové teorie pole., v němž jsou jako základní částice leptonyLeptony – skupina částic, mezi které patří elektron, těžký elektron (mion) a supertěžký elektron (tauon) a jejich neutrina (elektronové, mionové a tauonové). Tyto částice nepodléhají silné interakci, ale jen slabé a elektromagnetické (pokud jsou nabité). a kvarkyKvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce., jako nosiče sil fotonyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926., gluonyGluony – intermediální (polní, výměnné) částice silné interakce, která působí na hadrony a je krátkého dosahu. Tato interakce spojuje kvarky v mezony a baryony, udržuje pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a způsobuje některé rychlé rozpady elementárních částic. Celkem známe 8 gluonů. Tyto polní částice jsou nositeli barevného náboje (náboje silného interakce). Tím se silná interakce odlišuje od elektromagnetické a slabé interakce. a polní částice slabé interakceSlabá interakce – interakce s konečným dosahem, který je přibližně 10^–17 m. Působí pouze na levotočivé kvarky a leptony. Polními částicemi jsou vektorové bosony W⁺, W⁻ a Z⁰ se spinem rovným jedné. Hmotnosti částic jsou v rozmezí (80÷90) GeV. Typickým slabým procesem je například beta rozpad neutronu. Teorie slabé interakce se nazývá kvantová flavourdynamika (QFD). Z a W. Poslední součástí jsou Higgsovy částiceHiggsovy částice – částice, které se objevují ve sjednocené teorii elektromagnetické a slabé interakce (tzv. elektroslabé interakce) standardního modelu. Částice a jim odpovídající Higgsovo pole zde zajišťují nenulovou hmotnost polních částic slabé interakce a způsobují narušení symetrie elektroslabé interakce při energiích nižších než 100 GeV. Částice jsou pojmenovány podle skotského fyzika Petera Higgse. Tento mechanizmus nazýváme Higgsův mechanizmus a je aplikovatelný i na jiné částice. Existence Higgsovy částice byla s největší pravděpodobností potvrzena v červenci 2012 na dvou detektorech urychlovače LHC v CERNu. O Higgsově částici se často hovoří jako o Higgsově bosonu, Higgsově poli či jen higgsi., které souvisí s hmotností ostatních částic. Částice složené z kvarků nazýváme hadronyHadrony – částice složené z kvarků, které interagují silnou a slabou jadernou interakcí, pokud jsou nabité, také elektromagneticky. Dělíme je na mezony složené z kvarku a antikvarku a baryony složené ze tří kvarků různých barev. Název je odvozeninou z řeckého hadros (silný, těžký). K nejznámějším mezonům patří piony, k nejznámějším baryonům neutron a proton. Hmotnosti hadronů převyšují hmotnost elektronů o několik řádů. Jejich interakce s látkovým prostředím se výrazně liší jak od elektronů, tak i od fotonů., dvě největší skupiny hadronů jsou baryonyBaryon – elementární částice složená ze tří kvarků s různým barevným nábojem. Výsledná barva je „bílá“. Baryony podléhají silné interakci a patří proto mezi hadrony. Baryony složené z kvarků první generace (d, u) dělíme na nukleony se spinem rovným 1/2 (proton a neutron) a delta baryony se spinem rovným 3/2 (4 částice s různým nábojem). Baryony obsahující s kvark nazýváme hyperony. Nejznámějším je lambda hyperon. Hyperony byly hojně zastoupené v raných vývojových fázích vesmíru, často hovoříme o hyperonovém plynu. Dnes vznikají interakcí kosmického záření s horními vrstvami atmosféry a umíme je vytvořit uměle na urychlovačích. složené ze tří kvarků (například neutron a proton) a mezonyMezon – částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Název vznikl z toho, že první objevené mezony měly hmotnost „mezi“ hmotností elektronu a protonu. Pokud se kvarky složí s nesouhlasným spinem, vznikne skalární mezon (má nulový spin), pokud se souhlasným spinem vznikne vektorový mezon (spin má roven jedné). Skalární mezony zkombinované z kvarků „d“ a „u“ nazýváme piony, vektorové róony. Pokud mezon obsahuje kvark „s“, nazývá se kaon. složené z kvarku a antikvarku. A o těch bude v dnešním bulletinu právě řeč.

Standardní model elementárních částic. Zdroj: Josip Kleczek, Toulky.

Mezony z těžkých kvarků a antikvarků

Postupně byla objevena šestice kvarků: dolní (d), horní (u), podivný (s), půvabný (c), spodní (b) a svrchní (t). Různé kombinace kvarků d, u a jejich antikvarků jsou v přírodě běžné. Při srážkách kosmického záření s horní vrstvou atmosféry vznikají i mezonyMezon – částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Název vznikl z toho, že první objevené mezony měly hmotnost „mezi“ hmotností elektronu a protonu. Pokud se kvarky složí s nesouhlasným spinem, vznikne skalární mezon (má nulový spin), pokud se souhlasným spinem vznikne vektorový mezon (spin má roven jedné). Skalární mezony zkombinované z kvarků „d“ a „u“ nazýváme piony, vektorové róony. Pokud mezon obsahuje kvark „s“, nazývá se kaon. obsahující kvark či antikvark s, těm říkáme kaonyKaony – mezony K, skupina mezonů, které nesou kvantové číslo zvané „podivnost“ (angl. strangeness). Obsahují jeden podivný kvark nebo antikvark: K⁺ (us), K⁰ (ds/sd) a K⁻ (su). Jejich hmotnosti jsou 493,667±0,013 MeV (K^±) a 497,648±0,022 MeV (K⁰).. Podle teorie by z těžkých kvarků c, b, t mělo jít vytvořit mezony cc bb a tt, tedy daný kvark vázaný s odpovídajícím antikvarkem.

V listopadu 1974 nezávisle objevili vázaný stav kvarku a antikvarku cc dvě vědecké skupiny. První byla vedena americkým fyzikem Samuelem Tingem z MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO. a novou částici nalezli na protonovém urychlovači v Brookhavenské národní laboratořiBNL – Brookhaven National Laboratory, Brookhavenská národní laboratoř, jedna z deseti národních laboratoří USA založená Americkým ministerstvem energetiky (DOE–U.S. Department of Energy). Její výzkum je orientován na fyziku, biomedicínu, životní prostředí a energetiku. Laboratoř je umístěna na ostrově Long Island v blízkosti New Yorku. K nejvýznamnějším výsledků patří objev narušení CP symetrie, objev těžkého elektronu (mionu), objev K mezonů, objev částice Ω⁻ předpověděné kvarkovým modelem či objev částice J/ψ – vázaného stavu kvarku c a jeho antikvarku. na Long Island. Pro její označení navrhli písmeno J, které připomínalo čínský znak pro Tingovo jméno. Druhou skupinu vedl americký fyzik Burton Richter, jeho tým částici nalezl ve Stanfordově urychlovačovém centru SLACSLAC – Stanford Linear Accelerator Center, středisko s několika urychlovači, nejznámějším je přes 3 kilometry dlouhý lineární urychlovač patřící Stanfordově univerzitě v Kalifornii, podle něhož je centrum SLAC pojmenováno. Urychlovač je v provozu od roku 1962. V současnosti je středisko přejmenováno na „SLAC National Accelerator Laboratory“ a je jednou z deseti národních laboratoří Spojených států. na urychlovači SPEAR a nazval ji ψ. Celé situaci se dnes říká listopadová revoluce ve fyzice. Potvrdila totiž definitivně správnost konceptu kvarků. Dnes se vázaný stav kvarku a antikvarku c nazývá J/ψ, někdy se mu také říká charmonium. Hmotnost této částice je 3,4 GeV. Vázaný stav kvarku a antikvarku bb byl objeven v roce 1977 Leonem Ledermanem v americkém FermilabuFermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V roce 2011 zde byl ukončen provoz druhého největšího urychlovače světa – Tevatronu. K nejvýznamnějším objevům patří objev kvarku „b“ (1977), kvarku „t“ (1995) a tau neutrina (2000). Fermilab se zabýval výzkumem „b“ a „t“ kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, narušením CP symetrie, zkoumáním platnosti CPT symetrie a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty za vysokých energií.. Hmotnost částice je 9,46 GeV a jde o nejlehčí částici obsahující b kvark. Částice získala název z řeckého písmene upsilon (česky ypsilon, Υ), které je podobné velkému písmenu ypsilon naší abecedy. Někdy se jí také říká bottomium. Existence vázaného stavu kvarku a antikvarku tt byla definitivně potvrzena až o téměř půl století později, v roce 2025.

Umělecká představa mezonu složeného z kvarku a antikvarku

Umělecká vize mezonu složeného z kvarku a antikvarku. Zdroj: D. Dominguez/CERN.

mezon	název	rok objevu	hmotnost	laboratoř
cc	J/ψ	1974	3,4 GeV	BNL/SLAC
bb	Υ	1977	9,46 GeV	Fermilab
tt	toponium	2025	~340 GeV	CERN

Toponium

Otázka existence vázaného stavu tt se diskutovala ve fyzikální komunitě po několik desetiletí. Kvark t lze vytvořit jen uměle na velkých urychlovačích a záhy po vzniku se rozpadá. Řada fyziků předpokládala, že vůbec nebude schopen vázaný stav se svým antikvarkem vytvořit. Přesto byl nakonec nalezen v datech posbíraných na urychlovači LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015. v letech 2015 až 2018. V datech z detektoru CMSCMS – Compact Muon Solenoid. Víceúčelový detektor vybudovaný v CERN pro urychlovač LHC, vážící 12 500 tun, který je schopen mj. detekovat Higgsovy částice. byl nalezen v roce 2024 a nezávisle byl potvrzen při analýze dat z největšího detektoru ATLASATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS, detektor pro urychlovač LHC s hmotností 7 000 tun umístěný 100 metrů pod zemí. Jde o multifunkční detektor, který je mj. schopen detekovat Higgsovy bosony. Délka zařízení je 44 metrů, magnetické pole cívky vychylující nabité částice 2 T. až v letošním roce. Vázaná částice tt dostala název toponium a měla by mít hmotnost přibližně 340 GeV. Její život je ale doslova jepičí, kvarky zůstanou vázány pouhých 10⁻²⁵ sekundy. Vazba probíhá silnou interakcí, což znamená, že si vázané kvarky mezi sebou vyměňují gluonyGluony – intermediální (polní, výměnné) částice silné interakce, která působí na hadrony a je krátkého dosahu. Tato interakce spojuje kvarky v mezony a baryony, udržuje pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a způsobuje některé rychlé rozpady elementárních částic. Celkem známe 8 gluonů. Tyto polní částice jsou nositeli barevného náboje (náboje silného interakce). Tím se silná interakce odlišuje od elektromagnetické a slabé interakce., jakési pojivo, které je drží pohromadě. Životní éra toponia je natolik krátká, že si oba kvarky stihnou vyměnit jen několik gluonů a poté se hned rozpadnou. Téměř půl století po objevu vázaných stavů cc, bb byl konečně nalezen i poslední vázaný stav tohoto druhu – toponium tt.

Záchyt toponia na detektoru CMS v datech z roku 2018.
Zdroj: CERN Document Server.

Záchyt toponia na detektoru ATLAS. Tyrkysové kužely jsou výtrysky kvarků b, červená čára označuje mion, zelená elektron a bílá přerušovaná čára je chybějícího příčná hybnost s hodnotou 99 GeV. Zdroj: CERN Document Server.

Odkazy