Standardní model částicové fyziky: stručná historie a současný stav

Transkript

1 Standardní model částicové fyziky: stručná historie a současný stav Jiří Hořejší, Ústav částicové a jaderné fyziky MFF UK Praha (přednáška na FF UP Olomouc, ) 1. Úvod Tento přehled se soustřeďuje především na teorii elektroslabých interakcí, která tvoří podstatnou část současného standardního modelu (SM) částicové fyziky. Samotná historie SM je mimořádně pozoruhodná z epistemologického hlediska, protože v ní nacházíme kombinaci dramatických experimentálních objevů a teoretické intuice protagonistů oboru teorie někdy doháněla překvapivá experimentální data, ale často tomu bylo i naopak. Příkladů situace, kdy teoretici dlouhodobě a s důvěrou pracují s nějakou atraktivní, ale momentálně neověřenou hypotézou je v rámci SM celá řada; mezi nejznámější patří historie intermediálních vektorových bosonů W a Z a dnes zřejmě ještě populárnější anabáze Higgsova bosonu. V historii SM tedy skutečně byla poměrně dlouhá období, kdy teoretické paradigma hlavního proudu bylo značně spekulativní. Podstatné ovšem je, že daná teorie byla průběžně podrobována experimentálním testům, které jednak vyloučily některé alternativy a nakonec s velkou přesností potvrdily platnost struktury SM, alespoň v oblasti dosažitelných energií částic. Standardní model částicové fyziky je tedy vynikajícím příkladem úspěšné teorie, která je matematicky konzistentní a zároveň experimentálně testovatelná. Víme však také, že SM zřejmě nelze považovat za finální teorii všeho, jelikož na některé velké fundamentální otázky nemá odpověď. Bohužel však současné ambiciózní teorie vycházející daleko za rámec SM mají stále čistě spekulativní charakter a vlastně nejsou ani testovatelné (mám na mysli především teorii strun a její deriváty). Tomuto tématu se podrobně věnuje např. nedávná pozoruhodná kniha Jima Baggotta Farewell to reality: how modern physics has betrayed the search for the scientific truth. Zdá se skutečně, že taková moderní metafyzika představuje z hlediska reálného poznání fundamentálních přírodních zákonů slepou uličku, i když může motivovat alespoň rozvoj nových směrů v matematice. Není pochyb o tom, že současná teoretická fyzika na své extrémní hranici vykazuje známky určité krize, ale to naštěstí není předmětem této stati. Pokud jde o standardní model, ten je podle mého názoru příkladem triumfu lidského ducha jak v teoretické, tak experimentální oblasti a mohl by být spíše zdrojem optimismu ve vztahu k možnostem a schopnostem našeho poznání na velmi hluboké úrovni abstrakce. 2. Prehistorie standardního modelu Struktura hmoty byla již od starověku předmětem úvah filosofů i přírodovědců, ale částicová fyzika jako vědecká disciplína v dnešním slova smyslu vznikla až na počátku 20. století. Přelomovými událostmi byly přitom experimentální objev elektronu (J. J.

2 Thomson 1897) a objev atomového jádra (Ernest Rutherford 1911). Až do začátku třicátých let se pak za elementární konstituenty atomů považovaly elektrony a protony, ale tento jednoduchý obraz struktury hmoty bylo třeba rozšířit po objevu neutronu (1932), který správně doplnil představu o struktuře atomových jader. V témže roce byla také objevena antičástice elektronu pozitron, teoreticky předpovězený Paulem Diracem pár let předtím. V první polovině 30. let se pak také začaly formovat představy o fundamentálních silách působících mezi částicemi v mikrosvětě; poznamenejme, že na této úrovni se místo o silách obvykle mluví o interakcích (tj. vzájemném působení). Kromě dobře známého elektromagnetismu se tak na scéně objevila silná interakce držící atomová jádra pohromadě a dále slabá interakce ( slabá jaderná síla ) zodpovědná za spontánní přeměny jader spojené s emisí elektronu nebo pozitronu (radioaktivita beta). Případ slabé interakce je z hlediska vývoje představ standardního modelu částicové fyziky zvláště zajímavý a proto je mu věnována převážná část tohoto přehledu. Období prehistorie SM lze podmíněně ohraničit zhruba lety 1933 až Na začátku třicátých let již existovala kvantová elektrodynamika (QED), jakožto kvantová teorie elektromagnetických sil působících mezi nabitými částicemi. QED byla prvním funkčním modelem kvantové teorie pole a vycházela z představy interakce elektronů a pozitronů prostřednictvím výměny fotonu částice odpovídající kvantovanému elektromagnetickému poli. Pro úplnost dodejme, že elektromagnetické pole je vektorové povahy, čemuž odpovídá foton se spinem 1. Zmíněný koncept výměny fotonu je poněkud abstraktní a nejlépe ho lze vyjádřit pomocí jazyka Feynmanových diagramů. To je technika, kterou zavedl Richard Feynman na konci čtyřicátých let a posléze se pro svou názornost stala univerzálním obrázkovým písmem učebnic kvantové teorie pole; v rámci této eseje však na podrobnější technickou diskusi není prostor. Zlatou érou QED tak nakonec bylo až období po 2. světové válce, ale i ve třicátých letech byla provedena řada relevantních teoretických výpočtů, jejichž výsledky byly postupně potvrzovány experimentálně. Pokud jde o slabé interakce, v roce 1933 Enrico Fermi formuloval první kvantitativní teorii radioaktivity beta, kde se za elementární proces bral rozpad neutronu na proton, elektron a tehdy hypotetické (anti)neutrino. Pro postulování neutrina byly celkem pádné důvody, ale na přímou experimentální detekci této elektricky neutrální a těžko polapitelné částice bylo třeba čekat až do roku Přítomnost hypotetické částice ve Fermiho modelu byla pravděpodobně jedním z důvodů, proč tuto průkopnickou práci odmítl jako nefyzikální publikovat americký časopis Physical Review; naštěstí však byla přijata ve zřejmě tolerantnějším evropském Zeitschrift für Physik. Je to tedy jeden z prvních příkladů moderní spekulativní fyziky, která se však během jedné generace stala respektovanou realitou (Fermi sám se ovšem experimentálního potvrzení existence neutrina nedožil, neboť předčasně zemřel v roce 1954). Matematická podoba Fermiho teorie byla částečně inspirována elektrodynamikou, ale na rozdíl od QED se zde nepředpokládala existence nějakého zprostředkujícího pole a příslušné vyměňované částice navržený model byl minimalistický v tom smyslu, že vycházel z představy přímé interakce částic

3 zúčastněných v uvažovaném procesu. Ve skutečnosti není obtížné formulovat alternativní model, v němž je slabá interakce zprostředkována výměnou jiné částice. Podobně jako v případě QED by taková částice byla bosonem (neboť by musela mít celočíselný spin), ale musela by být elektricky nabitá (kvůli přeměně neutronu na proton) a také mít nenulovou hmotu (kvůli velmi krátkému dosahu slabé interakce). Z dnešního pohledu se taková alternativa přímo nabízela od samého začátku, ale ve skutečnosti se o ní začalo seriózně uvažovat až na přelomu čtyřicátých a padesátých let. Pro zprostředkující částici slabé interakce se ustálil název intermediální boson a nadále byla obvykle označována jako W (od anglického weak ). Zmíněná část historie vypovídá o určité vědecké cudnosti fyziků první poloviny 20. století myslím tím zřejmou neochotu postulovat existenci nových částic, pokud to nebylo vysloveně nezbytné. V daném případě je tomu skutečně tak, že model s intermediálním bosonem (IB) je ekvivalentní modelu s přímou interakcí, pokud energie částic jsou dostatečně malé ve srovnání s hmotou (klidovou energií) částice W. V oblasti vysokých energií se předpovědi obou alternativ dramaticky liší, ovšem na realistické experimenty v daném směru bylo třeba čekat hodně dlouho prakticky až do poslední dekády 20. století. Vraťme se však zpět do starých časů. Za pár let po publikaci Fermiho práce se ukázalo, že algebraickou strukturu jeho původního modelu je třeba zobecnit, přičemž důvodem pro to byla především empirická data rozvíjející se jaderné fyziky. Tím se původní sympatická podobnost s elektrodynamikou poněkud zamlžila, ale formu teorie bylo možno prověřit experimentálně, takže až do poloviny padesátých let probíhaly opakované testy algebraické struktury slabé interakce. Hlavní a široce respektované výsledky však byly v jistém smyslu frustrující, zejména pokud se přeložily do jazyka modelů s intermediálním bosonem: Zatímco původní Fermiho teorie odpovídala IB s jednotkovým spinem (analogicky jako je tomu v případě fotonu v QED), data z jaderného beta rozpadu preferovala IB se spinem 0 nebo 2. To by ovšem zcela rozbilo naděje na možné sjednocení slabých a elektromagnetických interakcí (takové sjednocení přitom nepochybně bylo lákavou teoretickou představou, ke které mnozí fyzikové vzhlíželi přinejmenším od konce čtyřicátých let). Ve druhé polovině padesátých let však došlo k dramatickému obratu. V roce 1956 dva američtí teoretici čínského původu, Tsung Dao Lee a Chen-Ning Yang navrhli experimentálně prověřit fundamentální abstraktní symetrii, která zatím byla ve fyzice všeobecně přijímána jako samozřejmost, a sice invarianci vůči inverzi prostoru (alternativní termín je zachování parity ). V případě elektromagnetismu taková symetrie skutečně platí (i dnes), ale pro slabou interakci žádné relevantní testy nebyly k dispozici až do doby, kdy Lee a Yang formulovali svůj provokativní návrh. Reakce experimentátorů byla promptní a svá první data publikovali už začátkem roku Výsledky tří nezávislých týmů vedly k závěru, který mnohé šokoval, totiž že efekt narušení parity ve slabé interakci nepochybně nastává a je velmi výrazný (v rámci standardního matematického popisu se dokonce jedná o maximální narušení ). Zprávu o přelomovém objevu tehdy přinesly na své titulní stránce i noviny New York Times a Lee s Yangem, jakožto iniciátoři zásadních experimentů, získali ještě v témže roce Nobelovu

4 cenu. Narušení parity ve slabé interakci ovšem představovalo také novou výzvu pro teoretiky. Pro vysvětlení zmíněného dramatického efektu navrhli Richard Feynman a Murray Gell-Mann (FGM) koncem roku 1957 jednoduchý organizační princip pro algebraickou strukturu interakce, která pak dobře popisovala mnohá tehdy známá data a navíc byla i na pohled elegantní. S některými experimenty však byla FGM teorie naopak v příkrém rozporu: jejich forma slabé interakce totiž automaticky vracela do hry alternativu s intermediálním bosonem s jednotkovým spinem, zatímco do té doby preferovanou variantu se spinem 0 anebo 2 zcela vylučovala! Feynman a Gell-Mann si samozřejmě byli daného problému dobře vědomi, konstatovali však, že v tomto případě by defekt mohl být spíše na straně příslušných experimentů (což se dá ironicky parafrázovat jako výrok typu nesouhlasí-li teorie s daty, tím hůře pro data ). Nakonec se však ukázalo, že pravdu měli skutečně teoretici a prakticky všechny experimenty provedené v následujících několika letech potvrdily FGM model. Tady je na místě také poznamenat, že na konci padesátých let se slabá interakce týkala už mnohem širší třídy fyzikálních procesů, než jen jaderného beta rozpadu. Rodina částic považovaných za elementární se od poloviny třicátých let postupně rozrůstala, takže v katalogu částic se objevil mion μ a dále celá řada silně interagujících příbuzných protonu a neutronu (obecně zvaných hadrony), jako pion, mezon K, baryony Λ, Σ, Ξ, atd. FGM model zahrnoval slabé interakce všech tehdy známých částic a navíc předpovídal některé do té doby nepozorované procesy; je to tedy opět příklad situace, kdy teorie předběhla (správným směrem) existující experimenty. Byl tak k dispozici model popisující slabou interakci podobně univerzální jako elektrodynamika, který byl navíc svou strukturou poměrně blízký QED (tehdy hypotetický intermediální boson W musel mít spin 1 stejně jako foton). Jak foton, tak boson W bylo tedy možno popsat pomocí vektorových polí (k naznačené terminologii doplňme, že částice s nulovým spinem odpovídají skalárnímu poli a částice se spinem ½ popisuje pole spinorové). 3. Moderní éra: lokální vnitřní symetrie a Yang-Millsovo pole Jakmile se etablovala teorie slabých interakcí s intermediálním vektorovým bosonem (IVB), bylo jasné, že formulace nějaké teorie sjednocující popis slabých a elektromagnetických interakcí je na spadnutí. Skutečně k tomu došlo hned začátkem šedesátých let, ale pro osvětlení ducha doby je třeba vrátit se ještě o několik let zpátky. V roce 1954 publikovali Chen-Ning Yang a Robert Mills práci, v níž vyšetřovali vlastnosti specifického modelu teorie pole, v němž se realizuje požadavek lokální vnitřní symetrie. (Jen pár slov na vysvětlenou: Vnitřní symetrie znamená invarianci pohybových rovnic při určitých transformacích polí, beze změn prostoročasových souřadnic. Pokud jsou parametry transformace stejné v celém prostoročasu, mluvíme o globálních transformacích, pokud uvažujeme parametry obecně závislé na bodě v prostoročasu, jedná se o lokální transformace. V lokálním případě obvykle mluvíme o kalibračních transformacích, resp. kalibrační invarianci.) Tento koncept byl dobře znám v elektrodynamice, kde ovšem úplná struktura interakce je předem známa a kalibrační

5 invariance je spíše dodatečná automatická vlastnost než nějaký potenciálně zajímavý konstrukční princip. Z matematického hlediska je případ elektrodynamiky také nejjednodušší možný, jelikož kalibrační transformace jsou popsány pomocí jediného parametru. Yang a Mills měli na mysli teorii silných interakcí např. protonu a neutronu, kde relevantní globální vnitřní symetrie (tzv. izospinová symetrie) je podstatně složitější než v elektrodynamice především proto, že příslušné transformace jsou popsány třemi různými parametry. Yang a Mills ukázali, že požadavek přechodu od symetrie globální k lokální si vynucuje zavedení velmi specifické interakce s tripletem vektorových polí. Ta jsou analogická elektromagnetickému (fotonovému) poli, ale na rozdíl od fotonů interagují také spolu vzájemně. Modely interakce Yang-Millsových vektorových polí založené na principu lokální vnitřní symetrie samozřejmě otevíraly lákavou novou cestu pro teoretickou částicovou fyziku. První pokusy o aplikace takových idejí směřovaly k teorii silných interakcí, ale nebyly příliš úspěšné. Z dnešního pohledu je zřejmé proč. Pro úspěšnou aplikaci principu kalibrační invariance je třeba především znát skutečně elementární objekty (částice a pole), na jejichž úrovni se pak realizuje relevantní symetrie. Koncem padesátých let se za elementární objekty silných interakcí považovaly hadrony (baryony a mezony), ale dnes dobře víme, že to jsou ve skutečnosti složené částice, jejichž konstituenty jsou kvarky. Trvalo poměrně dlouho (prakticky až do začátku sedmdesátých let), než se podařilo formulovat teorii silných interakcí na skutečně fundamentální úrovni; výslednou velmi úspěšnou teorií je kvantová chromodynamika, kde barevné kvarky interagují prostřednictvím Yang-Millsova gluonového pole. Pokud jde o slabé interakce, za skutečný průlom v daném směru lze považovat model, který formuloval Sheldon Glashow (1961). Ukázalo se, že pro sjednocení elektromagnetických a slabých interakcí nestačí jen spojit nabité IVB (W + a W )a foton do Yang-Millsova multipletu, ale je třeba přidat ještě elektricky neutrální vektorový boson Z (tj. svého druhu těžký foton ). Důvodem pro to je, že elektromagnetická interakce zachovává paritu, zatímco slabá interakce ji narušuje maximálním způsobem. Částice Z svými interakcemi v jistém smyslu překlenuje tento rozdíl a je tedy faktickým agentem elektroslabého sjednocení. 4. Problém hmoty a renormalizovatelnost Glashowův model nepochybně přidal další spekulativní ingredienci do teorie slabých interakcí, ale z technického i estetického hlediska byl lepší než starší modely. Přesto však tu byl jeden vážný problém. Abychom objasnili, o co tehdy šlo, je třeba ohlédnout se zpět na zlatou éru kvantové elektrodynamiky (tj. konec čtyřicátých a začátek padesátých let). Na jejím začátku už bylo dostatečně jasné, že přímočaré výpočty v rámci QED vedou v některých případech k divergujícím, tj. nekonečným výrazům. Ty jsou samozřejmě samy o sobě nesmyslné a jinak nadějnou teorii by mohly prostě pohřbít. Tvůrci moderní QED však byli schopni formulovat důmyslnou metodu na konzistentní odstranění problematických nekonečen (pro niž se ustálil termín renormalizace) a QED tak byla zachráněna, i když někteří z otců zakladatelů kvantové teorie (zejména Paul Dirac)

6 koncept renormalizace odmítali akceptovat. Je to skutečně jedna z nejdelikátnějších metod kvantové teorie pole, ale už více než šedesát let je standardně používána a samozřejmě také rozpracována do velkých technických detailů. Modely teorie pole se klasifikují na renormalizovatelné a nerenormalizovatelné právě podle toho, zda v nich zmíněná procedura na odstranění divergujících výrazů funguje podobně jako v QED či nikoli. V případě slabých interakcí byl ovšem s renormalizovatelností od začátku problém, jak pro přímou interakci Fermiho typu, tak pro model s nabitým intermediálním bosonem W. Glashowův model elektroslabého sjednocení situaci trochu vylepšil, ale celkem brzy se ukázalo, že i ten je nerenormalizovatelný. Je třeba zdůraznit, že podmínka renormalizovatelnosti je v podstatě technické povahy a není zcela principiální, ale je velmi důležitá pro praktické výpočty prováděné pomocí Feynmanových diagramů. Problém s renormalizovatelností ve skutečnosti těsně souvisí s hmotami vektorových bosonů W a Z. Pokud by Yang-Millsova lokální vnitřní symetrie byla přesná, tyto částice by musely být nehmotné a teorie by pak byla renormalizovatelná. Model s nehmotnými W a Z by ovšem nedal realistický popis slabých interakcí, tj. byl by naprosto nefyzikální. Pokud přidáme do rovnic modelu hmotové členy prostě jen tak naivně rukama, máme sice šanci dostat celkem rozumnou teorii slabých interakcí, ale renormalizovatelnost je přitom ztracena. Mechanismus generování hmot W a Z tedy musí být poněkud rafinovanější. Na možné řešení přišli jaksi mimoděk Robert Brout a Francois Englert a nezávisle na nich Peter Higgs v roce Trochu zjednodušeně řečeno, zjistili, že vektorové pole Yang-Millsova typu lze zhmotnit prostřednictvím dodatečné specifické interakce se skalárním polem a renormalizovatelnost přitom může být zachována. V nejjednodušší realizaci takového mechanismu se také ve spektru fyzikálních částic objeví alespoň jedna elementární hmotná částice s nulovým spinem. Ze zmíněné trojice teoretiků posledně zmíněný efekt explicite zaznamenal P. Higgs a na jeho počest se příslušná bezspinová částice nazývá Higgsův boson. Je nutno zdůraznit, že žádný ze zúčastněných badatelů tehdy netušil, že jejich teoretické etudy budou mít tak dalekosáhlé důsledky, určitě také nevěděli o výše zmíněných problémech teorie elektroslabých interakcí. Vlastně až o dost později se vyjasnilo, že právě přítomnost Higgsova bosonu ve hře zachraňuje renormalizovatelnost modelů elektroslabého sjednocení. Zřejmě jako první si toto uvědomil Steven Weinberg, který v roce 1967 konečně aplikoval Brout-Englert-Higgsův mechanismus na původní Glashowův model sjednocení elektromagnetických a slabých interakcí. V roce 1968 se k němu s podobným nápadem přidal Abdus Salam, ale Weinbergova práce byla v detailech mnohem propracovanější. Weinbergův článek ve své době nevzbudil téměř žádný ohlas (např. první čtyři roky po své publikaci nebyl vůbec citován), jelikož tehdy byla kvantová teorie pole obecně v určité krizi a jistě také proto, že navržený model sice byl renormalizovatelný in spe, ale důkaz zatím chyběl. Sám Weinberg se o důkaz pokoušel několik let, ale nakonec byl tehdy úspěšný mladý holandský doktorand Gerard t Hooft, který ve spolupráci se svým školitelem Martinem Veltmanem dokázal vyvinout nové techniky teorie pole, které se pro daný problém ukázaly jako podstatné. Po tomto

7 průlomu začal být populární i původní Weinbergův článek (dnes je to historicky vůbec nejcitovanější práce z oblasti teoretické částicové fyziky). Není ovšem pochyb o tom, že elektroslabá teorie s Higgsovým bosonem i nadále odpuzovala řadu expertů právě kvůli tomuto dodatečnému metafyzickému prvku zatímco hypotetické intermediální vektorové bosony už tehdy brala vážně většina částicových fyziků, Higgsův boson jakožto jakýsi technický deus ex machina byl mnohými přijímán spíše s nedůvěrou. Poněkud rozpačité přijetí neobvykle solitérní Higgsovy částice zřejmě souviselo také s tím, že Glashow-Weinberg-Salamův (GWS) model nedával žádnou jasnou předpověď pro její hmotu na rozdíl od vektorových bosonů W a Z, pro něž bylo teoretické očekávání velmi konkrétní a skvěle se potvrdilo již začátkem osmdesátých let. 5. Kvarky: finální kapitola standardního modelu Steven Weinberg nazval svoji průkopnickou práci A model of leptons. Pod takovým titulkem by málokdo na první pohled hledal něco tak zásadního, jako je základ budoucího standardního modelu částicové fyziky. Pro tento skromný název měl ovšem jeho autor dobrý důvod. V době svého vzniku byla totiž GWS teorie ve fatálním rozporu s tehdy existujícím relativně úspěšným modelem tří kvarků. Připomeňme, že kvarkový model vznikl v roce 1964 (nezávisle na sobě ho navrhli Murray Gell-Mann a George Zweig), aby vnesl řád do stále se rozšiřující a nepřehledné rodiny hadronů (mezonů a baryonů). Pro hypotetické kvarky, které měly být elementárními konstituenty známých hadronů, se ustálilo Gell-Mannovo označení u (up), d (down) a s (strange) a v zásadě bylo možné zahrnout jejich slabé interakce do teorie GWS typu. Zatímco interakce s nabitým W bosonem byla v pořádku, zásadní problém nastával v případě neutrálního Z. Automaticky totiž vznikala přímá interakce Z s dvojicí kvarků d a s a to je něco, co je v naprostém rozporu s daty: takový model by pro některé fyzikální procesy předpovídal četnost o mnoho řádů vyšší, než se pozoruje. Elegantní řešení daného problému se našlo poměrně brzy (1970) a opět vyžadovalo zavedení nové částice: čtvrtého kvarku označeného jako c (charm). Autory nápadu byli Sheldon Glashow, Jean Iliopoulos a Luciano Maiani (GIM) a jeho následná úspěšná implementace v rámci GWS modelu byla celkem přímočará. Přesně podle plánu teoretické konstrukce GIM, přítomnost čtvrtého kvarku vede k dalším interakčním členům typu dsz, jež právě kompenzují ty původní a tak je odvrácena výše zmíněná potenciální fenomenologická katastrofa. V takové situaci, kdy se opět zvýšil počet metafyzických ingrediencí v teorii, bylo možno uvažovat dvojím způsobem: buď zcela zavrhnout teorii GWS typu a hledat radikálně jiný teoretický přístup, nebo setrvat ve víře v princip lokální vnitřní symetrie a renormalizovatelné modely kvantové teorie a doufat, že budoucí experimenty postupně odhalí existenci hypotetických částic. Jako správná se ukázala (naštěstí) druhá volba. Existence kvarku c byla prokázána již v roce 1974 hned ve dvou nezávislých experimentech a to byl možná rozhodující moment brzy poté se pro GWS teorii etabloval název standardní model a pokračovalo plánování dalších experimentálních testů. Ve skutečnosti zbýval ještě jeden nedořešený problém, a sice otázka narušení symetrie označované jako CP (kombinace prostorové inverze a

8 záměny částice za antičástici). Narušení takové symetrie bylo ve slabých interakcích nečekaně objeveno v roce 1964 a od té doby se jej teoretici snažili nějak přirozeně zakomponovat do svých modelů. S radikálním řešením v rámci GWS teorie přišli už v roce 1972 dva Japonci, Makoto Kobayashi a Toshihide Maskawa. Zjistili, že pokud by elektroslabá teorie zahrnovala šest kvarků místo čtyř, nabízelo by to přirozenou odpověď na otázku po původu narušení CP. Jejich práce, publikovaná v relativně málo sledovaném časopise, však prošla téměř bez povšimnutí. To ostatně není příliš překvapivé, uvědomíme-li si navíc, že v té době ještě nebyl odhalen ani čtvrtý kvark c, ale Kobayashi Maskawovo schéma vyžadovalo hned další dva! Příznivci standardního modelu však měli opět štěstí. V roce 1977 byl odhalen pátý kvark, označovaný jako b (bottom nebo beauty) a mezitím (1975) byl objeven těžký lepton tau (označený prostě τ). Zároveň bylo téměř jisté, že na scéně se tak objevilo i další neutrino, podobné těm, která jsou sdružená s elektronem a mionem (přímého experimentálního důkazu existence tohoto třetího neutrina jsme se však dočkali až v roce 2000). V polovině sedmdesátých let tak spektrum elementárních částic obsahovalo šest leptonů a od roku 1977 si komunita částicových fyziků mohla být jista pěti kvarky. V rámci SM však existuje velmi hluboký teoretický důvod pro to, aby počet leptonů byl stejný jako počet kvarků: jde o eliminaci tzv. kvantových anomálií, které by mohly principiálně znehodnotit výsledky výpočtů založených na Feynmanových diagramech. V tomto textu samozřejmě není prostor na podrobnější výklad, ale mimořádně zajímavá je výsledná podmínka pro kompenzaci anomálií v rámci SM, která zní tak, že součet nábojů všech elementárních fermionů (tj. kvarků a leptonů) je nulový. To skutečně funguje už na úrovni jedné generace (tj. např. pro elektronové neutrino, elektron a kvarky u a d), platí totiž skutečně 0 + ( 1) + 3 [2/3 + ( 1/3)] = 0 (přitom se bere v úvahu, že každý kvark se realizuje ve třech barvách ). Experimentální honba za šestým kvarkem t (top) byla nakonec korunována úspěchem v roce Délka této fyzikální anabáze je dána tím, že t je nejtěžší dosud známou částicí, je totiž zhruba 180 krát těžší než proton. Pokud jde o původní celkem nenápadnou práci Kobayashiho a Maskawy, její popularita samozřejmě začala prudce narůstat počínaje objevem kvarku b a v následujících letech se také prováděly další experimentální testy narušení symetrie CP. Všechna dosud získaná data svědčí ve prospěch SM s šesti kvarky a Kobayashi s Maskawou se nakonec dočkali i Nobelovy ceny (2008). Historie spektra elementárních fermionů je velmi zajímavá a při povrchním pohledu na tabulku částic SM si může nezasvěcený laik přirozeně položit otázku, k čemu vlastně jsou všechny ty exotické objekty, když ke stavbě běžné hmoty stačí kvarky u a d (pro atomová jádra) a elektron (pro obal atomů). Takový údiv projevil v roce 1936 i prominentní fyzik Isidor Rabi po nečekaném objevu mionu v kosmickém záření; údajně tehdy pronesl dodnes často citovanou řečnickou otázku: Kdo si to objednal? Nyní, poučeni úspěchy standardního modelu, můžeme říci, že šest kvarků a šest leptonů je právě jejich minimální počet nutný ke zdárnému fungování SM. Cítíme však, že taková odpověď není plně uspokojivá;

9 vyvolává samozřejmě další otázku, proč tedy vlastně tak dobře funguje SM (tj. zda za jeho úspěchem a za jeho hranicemi není nějaká hlubší a pokud možno jednodušší realita). Taková otázka se nabízí mimo jiné proto, že v současné době prakticky vůbec nerozumíme bizarnímu spektru hmot elementárních fermionů, např. tomu, proč škála kvarkových hmot vykazuje tak ohromné rozpětí (pět řádů). Je ovšem možné, že uspokojivé hlubší řešení tohoto problému nikdy nenajdeme hmoty elementárních fermionů mohou být prostě environmentální parametry, umožňující existenci vesmíru s jeho bohatou strukturou. Tady už se může otevírat prostor pro metafyziku v pravém slova smyslu (mám na mysli antropický princip a příbuzné úvahy), ale do něj teď vstupovat raději nebudeme. 5. Epilog Klíčovým tématem částicové fyziky byl přinejmenším od konce sedmdesátých let také Higgsův boson, jeho existence či neexistence. Jak známo, tato podivuhodná částice byla zřejmě objevena v roce 2012 v CERN ve dvou nezávislých experimentech a v roce 2013 tak mohli být autoři průkopnických prací z roku 1964 konečně odměněni Nobelovou cenou. Higgsův boson SM je skutečně částice naprosto výjimečná, neboť je to první elementární částice s nulovým spinem. Interaguje přímo se všemi hmotnými částicemi a v tomto smyslu můžeme hovořit o nové fundamentální interakci ( pátá síla, pokud ty čtyři ostatní jsou gravitační, elektromagnetická, silná a slabá interakce). V dalších letech bude probíhat zpřesňování experimentálních dat a další studium elementárnosti Higgsova bosonu. Uvidíme, zda se potvrdí obraz SM, nebo se najdou indicie ve prospěch nějaké jeho blízké alternativy. V každém případě, výhled za hranice SM je v současné době nejasný a některé teorie beyond SM, které se ještě před pár lety sebevědomě prezentovaly jako jasná budoucnost částicové fyziky, nyní poněkud ztrácejí na popularitě samozřejmě především proto, že jim dlouhodobě chybí potřebné experimentální potvrzení. Mám tím na mysli např. supersymetrické modely, o nichž byly v posledních zhruba 30 letech publikovány desetitisíce prací, ale ani experimenty na zařízení LHC v CERN zatím nepřinesly žádný náznak existence supersymetrických partnerů známých částic. Současnou situaci částicové fyziky v tomto ohledu dost výstižně charakterizuje např. Jim Baggott ve své knize Farewell to reality, o níž jsem se zmínil už v úvodu. Standardní model částicové fyziky, jakkoli nevypadá jako kandidát na nějakou finální teorii je příkladem teorie procházející postupně různě dlouhými spekulativními obdobími, která se však nakonec vždy proměnila ve fyzikální realitu. SM tvoří velkou kapitolu moderní fyziky, která určitě nezradila hledání vědecké pravdy (viz podtitul Baggottovy knihy). Historie SM a paralelní rozvoj spekulativních teorií za jeho hranicemi je dobrou ilustrací dvou zákonů fyziků, které kdysi formuloval T. D. Lee: 1. Theorists without experimentalists tend to drift. 2. Experimentalists without theorists tend to falter.