Článek profesora Fredericka Gilmana je obhajobou amerického výzkumného programu fyziky elementárních částic a vysokých energií před americkou veřejností a zejména před členy Kongresu a Senátu, kteří jsou stále méně ochotni vynakládat stovky miliónů dolarů na grandiózní projekty urychlovačů a dalších zařízení ve světle tíživých problémů americké společnosti.

Profesor Frederick Gilman se snaží dokázat, jak fyzika elementárních částic a vysokých energií slouží k odhalování základních tajemství vesmíru a proč potřebuje další značné finanční prostředky z amerického federálního rozpočtu. Teoretická fyzika je však v obtížné situaci, protože se značně vzdálila chápání a zájmu většiny středoškolsky a vysokoškolsky vzdělaných lidí, od nichž však očekává největší podporu. Řada těchto lidí navíc považuje za nemravné vynakládat milióny dolarů na vědecký výzkum, který nepřináší řešení alespoň některých sociálních problémů americké společnosti, jako je chudoba a nemoci. Podporu nelze očekávat ani od americké armády, pro níž tento výzkum již nepřináší perspektivy nových a účinnějších zbraní.

Během historie lidstva se vědecké teorie a experimenty se stále větším úspěchem pokoušejí odpovědět na základní otázky vesmíru, jako je jeho podstata, co je hmota, energie, prostor a čas, odkud jsme se vzali a jaký bude náš další osud.

Od 70. let 20. století fyzikové dosáhli zásadního poznání základních částic a fyzikálních zákonů, jimiž se hmota, energie, prostor a čas řídí. Výzkumníci bezpočtem experimentů potvrdili "Standardní model" elementárních částic. Všechny jeho předpovědi se prokázaly jako pravdivé. Série experimentálních a teoretických průlomů, které vedly k vypracování Standardního modelu, lze považovat za jeden z největších vědeckých úspěchů fyziky 20. století.

Astrofyzikální měření v průběhu 90. let 20. století potvrdila, že pouze asi 5 procent hmoty vesmíru je tvořeno viditelnou hmotou popsanou Standardním modelem. Asi 95 procent hmoty vesmíru se skládá z temné hmoty a temné energie, jejichž podstata a základní vlastnosti jsou dosud velkou záhadou. Standardní model, který představuje elegantní popis vesmíru, proto bude nutné začlenit do nové, širší teorie, která vysvětlí nové objevy a jevy. Výsledkem bude revoluce ve fyzice elementárních částic a vysokých energií, srovnatelná se vznikem kvantové teorie a fyziky elementárních částic.

Podle autora článku [1] fyzika elementárních částic a vysokých energií stojí před následujícími vzájemně provázanými otázkami.

* 1. Existují dosud neobjevené fyzikální principy, tedy nové symetrie a nové fyzikální zákony?

Kvantové představy, které tak úspěšně popisují hmotu a její vzájemné interakce, selhávají při popisu "kosmické fyziky", tedy fyziky v kosmologickém měřítku. Řešení tohoto problému zřejmě bude vyžadovat objevení nových fyzikálních silových interakcí a nových částic, tedy objevy nových, dosud neobjevených symetrií, jimiž se fyzikální vesmír řídí.

* 2. Jak vyřešíme záhadu temné energie ve vesmíru?

Temná energie, která vyplňuje vakuum a urychluje kosmologické rozpínání vesmíru, musí mít kvantové vysvětlení. Tato temná energie může souviset s Higgsovým polem, které vyplňuje vakuum a uděluje částicím jejich hmotnost. [N1]

* 3. Existují dodatečné dimenze prostoročasu?

Teorie superstrun předpovídá dalších sedm dosud neobjevených dimenzí prostoročasu, které by mohly vysvětlit pozorovanou složitost fyziky částic. Objev těchto dodatečných dimenzí by byl epochální událostí v historii lidstva, protože by změnil naše chápání vzniku a vývoje vesmíru. Teorie superstrun by také pozměnila naše současné představy o gravitační interakci.

* 4. Mohou se všechny silové interakce sjednotit do jediné?

Na fundamentální úrovni fyzikální reality by všechny silové interakce (elektromagnetická, silná jaderná, slabá jaderná, gravitační) a všechny částice (kvarky a leptony) měly navzájem souviset a měly by se projevovat jako jediná a sjednocená silová interakce. Tím by se naplnil Einsteinův sen, který po zbytek života takovou silovou interakci marně hledal.

Podle Standardního modelu jsou všechny silové interakce zprostředkovány tzv. kalibračními částicemi. Elektromagnetická interakce je zprostředkována fotonem. Slabá jaderná interakce je zprostředkována dvěma bosony W a neutrálním bosonem Z. Silná jaderná interakce je zprostředkována osmi gluony. Gravitační silová interakce zatím není součástí Standardního modelu, avšak předpokládá se, že je zprostředkována gravitony, které jsou zahrnuty například v teorii superstrun. Musí však existovat ještě další interakce pro vytváření Higgsova bosonu, který zajišťuje částicím jejich hmotnost.

Když teoretikové v 60. a 70. letech sestavovali Standardní model, v jeho původní formě pro jednoduchost předpokládali, že všechny částice jsou nehmotné, což neodpovídá skutečnosti. Peter Higgs z University v Edinburgu pak nalezl řešení, avšak za cenu nového "pole", které vyplňuje celý prostoročas. Higgsovo pole, které interaguje s částicemi, zpomaluje jejich rychlost a uděluje jim hmotnost. Toto pole však nejsme schopni přímo detekovat. Existuje však fyzikální jev, dualita částice a vlny, která nám umožňuje Higgsovo pole pozorovat prostřednictvím jeho částice, Higgsova bosonu. [N1], [F1]

* 5. Proč existuje tolik druhů částic?

Proč ve Standardním modelu existují tři rodiny částic (tři rodiny kvarků a tři rodiny leptonů) a proč se jejich hmotnosti tak výrazně odlišují? Vlastnosti a chování částic těchto rodin naznačují, že existují další principy, které spojují kvarky a leptony Standardního modelu.

* 6. Co je temná hmota? Jak ji lze získat v laboratoři?

Většinu hmoty ve vesmíru tvoří temná hmota, zřejmě těžké částice, které vznikly během velkého třesku. Většina těchto částic anihilovala v čistou energii (fotony), avšak některé částice ve vesmíru zůstaly. Tyto částice by mohly mít dostatečně nízkou hmotnost, aby mohly být vytvořeny a podrobně studovány v urychlovačích.

* 7. O čem vypovídají neutrina?

Neutrina jsou nejzáhadnější částice ze všech známých částic. Neutrina sehrála ve vývoji vesmíru zásadní roli a jejich nepatrná nenulová hmotnost naznačuje existenci nové fyziky při velmi vysokých energiích za hranicemi Standardního modelu.

* 8. Jak vznikl vesmír?

Podle současných kosmologických teorií vesmír vznikl singulární explozí následovanou inflačním rozpínáním. Po inflační fázi vesmír začal chladnout a prošel několika fázovými přechody, během nichž vznikly hmotné částice a silové interakce a následně také atomy, hvězdy, galaxie a život na Zemi. Pochopení inflace však vyžaduje nové průlomové objevy kvantové fyziky a kvantové teorie gravitace.

* 9. Co se stalo s antihmotou?

Velký třesk vytvořil stejné množství hmoty a antihmoty. Přesto ve vesmíru je antihmoty nepatrně. Jak však vznikla tato baryonní asymetrie?

Úsilí fyziků o odpovědi na základní otázky vesmíru dosáhlo singulárního okamžiku. Se začátkem 21. století fyzikové dosáhli hlubokých znalostí částic a silových interakcí, jimiž je tvořena veškerá běžná hmota ve vesmíru. Současně však astrofyzikální a kosmologická pozorování a měření odhalila, že asi 95 procent vesmíru není tvořeno běžnou hmotou, ale záhadnou temnou hmotou a temnou energií. Zjistili jsme, že v podstatě nevíme, z čeho a jak je vesmír složen.

Poznání tohoto dosud neznámého "nového" vesmíru vyžaduje další objevy fyziky částic, která určuje fundamentální podstatu vesmíru. Současná fyzika již má mocné nástroje. Astrofyzikální pozorování vesmírnými dalekohledy, jako je Hubbleův vesmírný dalekohled (the Hubble Space Telescope), a vědeckými sondami umožňují zkoumat různé fyzikální parametry vesmíru. Experimenty v urychlovačích částic pomáhají nalézt kvantová vysvětlení těchto parametrů. Energie urychlovačů částic umožňuje se přiblížit fyzikálním podmínkám, které panovaly ve vesmíru krátce po velkém třesku. Proto jsou fyzikové přesvědčeni, že těmito experimenty se jim podaří odhalit podstatu a vlastnosti temné hmoty a temné energie. Takové objevy by znamenaly revoluci ve fyzice částic a v kosmologii.

Odpovědi na výše uvedené základní otázky o podstatě vesmíru a astrofyzikální pozorování reliktů velkého třesku musí být zcela v souladu s daty získanými v experimentech, které se pokoušejí znovu vytvořit částice a silové interakce mladého vesmíru.

Současné a budoucí experimenty fyziky částic všude ve světě umožňují přispět k řešení přesně definovaných otázek týkajících se základních fyzikálních zákonů, jimiž se vesmír řídí. Tyto otázky zřejmě budou určovat další cestu vývoje fyziky částic v 21. století.

Počínaje Albertem Einsteinem mnoho teoretických fyziků doufá v objevení sjednocené teorie (teorie všeho), která by vysvětlila všechny fundamentální silové interakce a částice ve vesmíru. Cílem je omezit složitost mikroskopické fyziky na soubor dobře pochopitelných fyzikálních principů a zákonů. Bohužel, kvantové představy mikrosvěta selhávají, pokud jsou použity v kosmologii vesmíru. Některé fundamentální části fyziky dosud zcela chybí. Gravitační interakce, temná hmota a temná energie musí mít kvantové vysvětlení. Proto je nutná nová teoretická vize, která svým obsahem přesáhne Standardní model částic a Einsteinovu obecnou teorii relativity. Urychlovače částic nabízejí možnosti, jak dosáhnout sjednocené fyzikální teorie. pomocí experimentů, které jsou vedeny čtyřmi intelektuálními vírami.

* 1. Existují dosud neobjevené fyzikální principy, tedy nové symetrie a nové fyzikální zákony?

Úsilí při objevování základních zákonů vesmíru je vedeno přesvědčením, že fyzikální zákony a částice, které se těmito základními zákony řídí, existují kvůli symetriím vesmíru, z nichž některé se krátce po velkém třesku spontánně narušily. Takovou ztracenou symetrií může být supersymetrie. Jako ke každé částici existuje antičástice, tak supersymetrie předpovídá, že ke každé částici by měla existovat její superpartnerská částice. Část těchto představ o supersymetrii je součástí teorie superstrun. Temná hmota by mohla být tvořena superčásticí k neutrinu, neutralinem.

Objev supersymetrie je tedy bezprostřední výzvou pro fyziku částic. Pokud se podaří supersymetrii objevit, dalším úkolem bude studium její struktury a vlastností superpartnerských částic. Experimenty v urychlovačích částic by mohly pomoci odhalit roli supersymetrie ve sjednocené teorii (GUT, Grand Unification Theory) a prokázat, zda neutralino je skutečně částicí temné hmoty.

* 2. Jak vyřešíme záhadu temné energie ve vesmíru?

Měření vesmírnými dalekohledy a výzkumnými sondami ukázala, že temná energie vyplňuje vakuum a urychluje kosmologické rozpínání vesmíru. Dosud nevíme, co je temná energie, ani proč existuje. Na druhé straně teorie částic dokazuje, že dokonale prázdné vakuum nutně obsahuje kvantové částice, které jsou přirozeným zdrojem temné energie. Současné výpočty množství temné energie vznikající z vakua však vedou k hodnotě asi 10¹²⁰ vyšší, než pozorujeme. Proto musí existovat nějaký fyzikální proces, který většinu energie vakua odstraňuje a ponechává část této energie urychlující rozpínání vesmíru. Pro vysvětlení tohoto fyzikálního procesu bude nutná nová teorie fyziky částic. Je však také možné, že dosavadní výpočty a úvahy jsou chybné.

Experimentální data fyziky částic naznačují existenci další záhadné komponenty vakua, Higgsova pole, které uděluje částicím jejich hmotnost. Bez Higgsova pole by se například elektrony pohybovaly rychlostí světla a nemohly by vzniknout žádné atomy. Souvisí nějak temná energie a Higgsovo pole? Supersymetrie Higgsovu poli dává přirozený kontext a možné vysvětlení malého množství temné energie ve vakuu.

* 3. Existují dodatečné dimenze prostoročasu?

Revoluční koncept teorie superstrun je realizací Einsteinova snu o úplném vysvětlení všeho od silových interakcí a částic až po samotný vesmír. Teorie superstrun sjednocuje fyziku tím, že považuje všechny známé částice a silové interakce za různé vibrační stavy superstrun. Teorie superstrun vnáší do fyziky kvantovou konsistenci pomocí elegantního matematického aparátu.

Existují superstruny? Superstruny samotné jsou zřejmě příliš malé na to, abychom je mohli pozorovat, avšak teorie superstrun nabízí řadu testovatelných předpovědí. Předpovídá supersymetrii a také sedm skrytých dimenzí prostoročasu, které by mohly vysvětlit složitost fyziky částic. Testování platnosti teorie superstrun vyžaduje objevení těchto skrytých dimenzí a studium jejich vlastností. Kolik je těchto dodatečných dimenzí? Jaká je jejich topologie, geometrie a jakou mají velikost? Jak a proč jsou skryté? Jaké nové částice jsou s těmito dimenzemi spojeny?

* 4. Mohou se všechny silové interakce sjednotit do jediné?

Na fundamentální úrovni fyzikální reality by všechny částice a všechny silové interakce (elektromagnetická, silná jaderná, slabá jaderná, gravitační) navzájem konvergovat pomocí skrytých principů jako je supergrandunifikační teorie nebo teorie superstrun. Všechny dosud známé silové interakce s výjimkou gravitace, pro níž dosud nemáme konsistentní kvantovou teorii, se řídí podobnými matematickými principy (teorií Lieových grup). Je proto možné, že všechny silové interakce jsou pouze různými projevy jediné sjednocené silové superinterakce, která dává do souvislosti kvarky a leptony a nabízí nové možnosti vzájemné přeměny částic. Může se například ukázat, že proton se rozpadá a běžná hmota není stabilní.

Fyzikové již určili 57 různých druhů elementárních částic a podrobně popsali řadu jejich vlastností. Jaká je jejich role ve vesmíru? Jak se dovíme, že jsme objevili již všechny druhy? Je možné, že všechny druhy částic jsou pouze projevem různých vibračních stavů superstrun. Možná tyto částice souvisejí nějak s teorií velkého sjednocení (GUT, Grand Unification Theory) nebo s jinými skrytými symetriemi, které jsme dosud neobjevili. Sjednocení proto může být klíčem k jednoduchým principům, které objasní složité vlastnosti mnoha druhů částic.

* 5. Proč existuje tolik druhů částic?

V experimentálně potvrzeném Standardním modelu existují tři rodiny částic (tři rodiny kvarků a tři rodiny leptonů), které se výrazně odlišují svými hmotnostmi od několika milióntin hmotnosti elektronu až po neuvěřitelnou hmotnost atomu zlata. Kvantová mechanika svým popisem vlastností elektronových orbitů v atomech vysvětlila uspořádání Mendělejevovy periodické tabulky prvků. Pro vysvětlení uspořádání a vlastností elementárních částic bude zřejmě nutná nějaká další teorie. Proč existují tři rodiny kvarků a tři rodiny leptonů, které se tak výrazně odlišují hmotnostmi?

Současné výzkumy se soustřeďují na vytvoření podrobného přehledu všech elementárních částic. Bylo dosaženo značného pokroku při charakterizaci kvarků. Proč jsou však vlastnosti kvarků a leptonů tak zásadně odlišné? Podrobné studium kvarků a leptonů pomocí urychlovačů částic může přispět k vyřešení těchto zásadních otázek.

* 6. Co je temná hmota? Jak ji lze získat v laboratoři?

Většinu hmoty ve vesmíru tvoří temná hmota. Bez temné hmoty by nevznikly galaxie a hvězdy a zřejmě by ani nevznikl život na Zemi. Temná hmota udržuje vesmír pohromadě. Avšak jaká je její podstata?

Přestože existence temné hmoty ve vesmíru byla předpovězena již ve 30. letech 20. století, teprve od 90. let 20. století se podařilo dosáhnout podstatnějšího pokroku v poznání jejích vlastností, které vyloučily řadu možných kandidátů.

Pozorování účinků temné hmoty na strukturu vesmíru ukázala, že tato hmota se nepodobá žádné formě hmoty dosud studované v laboratoři. Ve stejné době vznikaly různé teorie, které se pokoušejí podstatu temné hmoty vysvětlit. Teorie supersymetrie předpovídá nové rodiny částic, které velmi slabě interagují s běžnou hmotou. Nejlehčí supersymetrická částice by mohla být vhodným kandidátem na částici tvořící temnou hmotu. Proto je nutné studovat temnou hmotu přímo detekcí reliktních částic temné hmoty v podzemních detektorech a následným vytvořením částic temné hmoty v urychlovačích, v nichž budeme schopni měřit jejich vlastnosti a díky tomu budeme schopni pochopit její roli ve vesmíru. [F2]

* 7. O čem vypovídají neutrina?

Neutrina jsou nejzáhadnější částice plné překvapení. Existují ve třech rodinách (elektronové, mionové a tauonové neutrino). Interagují tak slabě, že každou sekundu prochází naším tělem asi 10¹² neutrin, aniž by zanechalo jakoukoliv stopu. Naprostá většina těchto neutrin pochází z termonukleárních reakcí v jádru Slunce. Tyto reakce produkují pouze elektronová neutrina, avšak během letu k Zemi tato neutrina oscilují v mionová a tauonová neutrina. Neutrina mají klidovou hmotnost, která je však nejméně miliónkrát menší než je hmotnost druhé nejlehčí částice.

Existence nenulové klidové hmotností neutrin vede k domněnce, že neutrina získávají hmotnost dosud neznámým procesem, snad souvisejícím se sjednocením silových interakcí a částic. Podrobné studium vlastností neutrin, jejich hmotnosti, jejich vzájemné oscilace a zda neutrina mají odlišné antičástice, by mohlo být klíčem k objevení nových jevů. [F3]

Co způsobilo velký třesk? Jak získaly prostor, čas, hmota a energie formy, které dnes pozorujeme. Můžeme nějak prozkoumat celou historii vzniku a vývoje vesmíru?

Po velkém třesku, při němž vzniklo ohromné množství energie, se vesmír začal rozpínat a chladnout. Dnes je teplota reliktního záření vesmíru asi 2,7 Kelvina. Během vývoje vesmíru se odehrálo vesmírné drama s mnoha dějstvími, dramatickými zvraty a mnoha herci, kteří se objevovali a mizeli. Zpočátku hrály hlavní roli nepředstavitelné teploty a hustoty, při nichž se dnes pokoušíme studovat vlastnosti částic. Tyto procesy přitom byly jemně nastaveny, aby ve vesmíru mohly vzniknout hvězdy, galaxie a planety dnešního vesmíru. Existují nějaké dosud neobjevené fyzikální zákony, které určily podmínky naší existence?

Pro rekonstrukci historie vývoje vesmíru používáme vesmírné a pozemní dalekohledy a kosmické vědecké sondy, které detekují různé relikty mladého vesmíru, jako je kosmické mikrovlnné pozadí. Studium extrémních stavů hmoty v urychlovačích částic, které charakterizují různé fáze vývoje vesmíru a přechody mezi nimi. Jak stále lépe budeme rozumět minulosti vesmíru, budeme schopni předpovědět také jeho a náš budoucí osud.

* 8. Jak vznikl vesmír?

Podle současných kosmologických teorií vesmír vznikl singulární explozí následovanou inflačním rozpínáním. Po inflační fázi vesmír začal chladnout a prošel několika fázovými přechody, během nichž vznikly hmotné částice a silové interakce a následně také atomy, hvězdy, galaxie a život na Zemi. Pochopení inflace však vyžaduje nové průlomové objevy kvantové fyziky a kvantové teorie gravitace. Přestože fyzikální podmínky inflace vyžadují příliš mnoho energie, aby je bylo možno vytvořit v laboratoři, můžeme ve vesmíru pozorovat jejich důsledky vtištěné do reliktní hmoty.

Podmínky ve velmi mladém vesmíru byly natolik extrémní, že zřejmě existovaly elementární částice, které tvořily dosud neznámé fáze hmoty. Jak se vesmír rozpínal a chladl, docházelo k jeho fázovým přechodům a hmota se měnila z jedné fáze do druhé, podobně jako se led mění ve vodu a voda v páru. Některé z těchto fázových přechodů byly dramatickými jevy ve vesmíru, které určovaly jeho další vývoj. Fázové přechody vesmíru lze znovu vytvořit v experimentech na urychlovačích částic velmi vysokých energií.

* 9. Co se stalo s antihmotou?

Experimenty prokazují, že ke každému druhu elementárních částic existují také jejich antičástice s opačným elektrickým nábojem. Velký třesk vytvořil stejné množství hmoty a antihmoty. Avšak všechna naše pozorování a měření vzdálených galaxií ukazují, že ve vesmíru převládá hmota a antihmota se téměř nevyskytuje. Co se s antihmotou stalo? V některém období vývoje vesmíru muselo dojít k nepatrné nerovnováze mezi počtem částic a antičástic, protože jinak by všechny částice a antičástice vzájemně anihilovaly a ve vesmíru by se vyskytovaly pouze fotony a neutrina. Příčinou této nerovnováhy mohou být malé asymetrie vlastností částic a antičástic, které pozorujeme v laboratoři. Avšak naše současné znalosti těchto asymetrií jsou nedostatečné k tomu, abychom byly schopni zdůvodnit pozorovaný poměr hmoty a antihmoty ve vesmíru.

Podle teoretických fyziků existuje nějaký dosud neobjevený fyzikální jev, který způsobuje, že se hmota a antihmota chovají odlišně. Tento jev můžeme objevit v kvarcích nebo v neutrinech. Jeho příčinou mohou být vlastnosti Higgsova bosonu [N1], [F1], supersymetrie nebo dodatečné dimenze vesmíru předpovídané teorií superstrun.

Hledání odpovědí na výše uvedené otázky v podstatě definuje cíle současné fyziky elementárních částic a vysokých energií. Tyto cíle v podstatě určují současné i budoucí experimenty a úvahy o nových vědeckých zařízeních.

Vědecká komunita fyziků, kteří se zabývají fyzikou částic a vysokých energií, usiluje o ambiciózní experimentální program, který by posunul vědecké poznání fundamentální podstaty hmoty a energie, prostoru a času. Výzkum se proto soustřeďuje zejména na experimenty na urychlovačích částic vysokých energií, na detekci částic v podzemních experimentech a na pozorování vesmíru v kosmologických měřítcích. Další vědecký pokrok však vyžaduje nejen pokračování, ale také rozšíření tohoto experimentálního programu. Tato kapitola popisuje experimentální program fyziky elementárních částic a vysokých energií jako hledání odpovědí na výše uvedené otázky. Fyzikové ve svém výzkumu používají různých přístupů a různých vědeckých nástrojů, které jsou popsány dále.

Teorie superstrun a teorie velkého sjednocení (GUT, Grand Unification Theory) jsou v současnosti nejslibnějšími myšlenkami pro naplnění Einsteinova snu o sjednocené teorii silových interakcí. Ověření principů teorie superstrun však vyžaduje experimentální testy jejích předpovědí supersymetrických částic a dodatečných sedmi dimenzí prostoročasu. Ověření teorie velkého sjednocení vyžaduje experimenty velmi citlivé na extrémně vzácné rozpady elementárních částic. Řešení rozporů mezi kosmologickými teoriemi a teoriemi mikrosvěta vyžaduje lepší porozumění kvantové fyzice.

* 1. Existují dosud neobjevené fyzikální principy, tedy nové symetrie a nové fyzikální zákony?

Fyzikální zákony jsou odvozeny ze symetrií vesmíru. Již německá matematička Emmy Noether v roce 1918 ukázala, že všechny základní fyzikální principy jsou v podstatě tautologie, které vycházejí z nezávislosti fyzikálních zákonů na volbě soustavy souřadnic. Zákon zachování energie je důsledkem invariance (neměnnosti) vůči posuvu v čase, zákon zachování hybnosti je důsledkem invariance vůči posuvu v prostoru a zákon zachování úhlového momentu je důsledkem invariance vůči rotaci v prostoru. Tyto zachovávající se fyzikální veličiny jsou matematickými generátory odpovídající symetrické transformace popsané tzv. kalibrační grupou.

Během 20. století se principy invariance nebo symetrie staly ve fyzice ústřední myšlenkou. V současných teoriích se uvažují nejen symetrie vůči transformacím prostoročasových souřadnic, ale také symetrie vůči transformacím v abstraktních prostorech, které reprezentují další stupně volnosti fyzikálních systémů. Rotační symetrie byla například použita na stavové vektory v Hilbertových prostorech a jejím důsledkem jsou fyzikální veličiny jako spin, isospin, náboj, baryonové číslo, barevný náboj atd., jejichž vypočtené hodnoty jsou v souladu s pozorováním.

Jednou z těchto invariancí (symetrií) může být supersymetrie, která ke každé částici předpovídá existenci superčástice se stejnou hmotností. Experimenty na urychlovačích částic dosud žádné superčástice neodhalily. Pokud supersymetrie existuje, musí být narušena dosud neznámým fyzikálním mechanismem, který mimo jiné způsobuje, že superčástice mají značnou hmotnost. Hmotnost superčástic může souviset s Higgsovým polem. Supersymetrie také nabízí přirozeného kandidáta na temnou hmotu, neutralino. Experimenty hledající supersymetrii jsou ve Spojených státech amerických prováděny již od konce 90. let 20. století na zařízení Tevatron a nepřímo v experimentech Belle a BaBar v systému "B-factory" pro výzkum mesonů B.

Tevatron má již dostatečnou energii k tomu, aby produkoval detekovatelné signály nejlehčích superčástic. Velký srážkový urychlovač hadronů (LHC, the Large Hadron Collider) by měl mít dostatečnou energii na produkci všech nebo většiny superčástic, jejichž rozpadem na jiné superčástice by bylo možno určit jejich hmotnosti a další vlastnosti.

Lineární srážkový urychlovač (the Linear Collider) by mohl velmi přesně měřit vlastnosti superčástic a prokázat, že skutečně jde o superpartnery známých částic. Mohl by například velmi přesně určit vlastnosti nejlehčí superčástice neutralina. Bude se neutralino chovat jako temná hmota? Studium neutralina pomocí Lineárního srážkového urychlovače kombinované s přesnými měřeními dalších superčástic by mohlo vést k předpovědi hustoty neutralin ve vesmíru a tím rozhodnout, zda neutralino je skutečně částicí temné hmoty.

Teoretické modely fyzikálního mechanismu, který způsobuje narušení supersymetrie, jsou testovány pomocí dat získaných v experimentech Belle a BaBar. Další přesná měření zařízení Belle a Babar doplněná daty z budoucích urychlovačů systému B-factory BTeV a LHC-b umožní fyzikům studovat strukturu supersymetrie prostřednictvím jemných změn rozpadů mesonů B. Zařízení pro experiment MECO by mělo mít takovou citlivost, že by mělo detekovat přímou přeměnu mionů na elektrony v atomových jádrech. Některé modely supersymetrického velkého sjednocení předpovídají četnosti procesů, které zařízení MECO bude pozorovat.

* 2. Jak vyřešíme záhadu temné energie ve vesmíru?

Dramatický objev temné energie ukázal, že vakuum je vyplněno dosud neznámou energií, která urychluje rozpínání vesmíru. Albert Einstein do svých rovnic pole zahrnul kosmologickou konstantu, která souvisí s kosmologickým rozpínáním vesmíru. Tato konstanta sice může vysvětlit existenci temné energie, avšak těžko může objasnit její hustotu ve vesmíru. Přirozeným zdrojem pole temné energie by mohly být fluktuace vakua, avšak v tomto případě by hustota temné energie musela být asi 10¹²⁰ krát vyšší, než skutečně pozorujeme.

Pro studium temné energie vznikl dlouhodobý program výzkumu. Měření amplitudy a fluktuací kosmického mikrovlnného pozadí kosmickou observatoří WMAP (the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) kombinovaná s daty z dalších astrofyzikálních observatoří ve světě, zejména měření erupcí supernov, naznačují, že temná energie by mohla být konsistentní s kosmologickou konstantou. Budoucí měření erupcí supernov, gravitačních čoček a galaktických kup pomocí dalekohledu LSST (the Large Synoptic Survey Telescope) a pomocí přístrojů JDEM (Joint Dark Energy Mission) by mělo definitivně rozhodnout, zda se temná energie chová v souladu s kosmologickou konstantou nebo zda se chová jako nová substance, jejíž vlastnosti se během vývoje vesmíru mění.

Určení podstaty temné energie a příčin její existence však vyžaduje hlubší pochopení mikroskopické kvantové fyziky. Fyzikové již dlouho vědí, že na mikroskopické úrovni vakuum není prázdné, ale podle Standardního modelu je vyplněno Higgsovým polem, které uděluje kvarkům a leptonům jejich hmotnost. Experimenty na velkém urychlovači hadronů (LHC, the Large Hadron Collider) by měly mít mimo jiné za cíl nalezení Higgsova bosonu, který je kalibrační částicí Higgsova pole. [F1]

Fyzikové elementárních částic a vysokých energií očekávají, že objev Higgsova bosonu povede ke zcela novému oboru fyziky. Higgsova fyzika může studovat zcela nové částice a jejich interakce. Očekává se, že prvotní objevy týkající se Higgsova bosonu se uskuteční na velkém urychlovači hadronů LHC. Lineární srážkový urychlovač následně přispěje k rozvoji Higgsovy fyziky.

Temná energie může souviset jak se supersymetrií tak s Higgsovým bosonem. Proto lze očekávat hlubší výzkum kvantové konsistence Higgsova pole včetně samointerakce Higgsova bosonu. Tato přesná měření povedou k dalším požadavkům na experimentální program Lineárního srážkového urychlovače a stanou se základem dalšího výzkumu temné energie.

* 3. Existují dodatečné dimenze prostoročasu?

Fyzikální projevy dodatečných dimenzí prostoročasu závisejí na jejich velikostech a tvarech a také na tom, jaké druhy hmoty nebo silových interakcí jimi mohou pronikat. Velikost dodatečných dimenzí je dosud neznámá, avšak mohla by souviset se základními mezemi energií ve fyzice elementárních částic: s hustotou energie temné energie, s energií rozpadu elektroslabé interakce na elektromagnetickou a slabou jadernou interakci nebo s energií velkého sjednocení elektroslabé interakce a silné jaderné interakce. Je však také možné, že budou objeveny makroskopické velikosti těchto dimenzí z některých nekonsistencí kosmologických pozorování nebo z přesných testů gravitační interakce krátkého dosahu. Pravděpodobně však dodatečné dimenze mají mikroskopickou velikost a bude je možno odhalit prostřednictvím experimentů v urychlovačích částic s velmi vysokou energií.

Velký srážkový urychlovač hadronů LHC a Lineární urychlovač by mohly přispět k řešení řady otázek týkajících se dodatečných dimenzí prostoročasu. Kolik dodatečných dimenzí existuje a je jejich počet v souladu s teorií superstrun? Jaké jsou jejich tvary a velikosti? Proč jsou skryté? Jaké jsou nové částice spojené s těmito dodatečnými dimenzemi? Pomocí produkce nových částic o velmi vysokých energiích, které se snad mohou pohybovat ve vícerozměrném prostoročasu, by Velký srážkový urychlovač hadronů mohl detekovat objekty o rozměrech až desetmiliardkrát menší než atom. Tímto způsobem by bylo možno studovat vlastnosti dodatečných dimenzí prostoročasu. Lineární urychlovač by mohl být schopen určit počet, rozměry, topologii a geometrii dodatečných dimenzí prostřednictvím jejich nepatrných vlivů na hmotnosti částic a jejich vzájemné silové interakce. Existuje také možnost, že kvůli dodatečným dimenzím existují mikroskopické černé díry, které by bylo možno detekovat Velkým srážkovým urychlovačem hadronů nebo v kosmickém záření o největší energii.

Výzkumníci ve fyzice elementárních částic mimo jiné chtějí zjistit, zda temná energie, temná hmota a inflační fáze vesmíru jsou nějak ovlivněny fyzikou dodatečných dimenzí. Data získaná z experimentů velkých výkonných urychlovačů mohou k řešení této otázky významně přispět.

* 4. Mohou se všechny silové interakce sjednotit do jediné?

Experimenty fyziky elementárních částic s vysokou energií mimo jiné slouží pro studium sjednocení slabé jaderné interakce a elektromagnetické interakce v elektroslabou interakci. Teorie elektroslabé interakce je v současné době jednou z nejpřesnějších fyzikálních teorií vůbec. Bude při ještě vyšších energiích toto sjednocení silových interakcí pokračovat, jak tvrdí teorie velkého sjednocení? Na fundamentální úrovni částice a silové interakce mohou být spojeny pomocí skrytých symetrií (invariancí) velkého sjednocení nebo pomocí principů teorie superstrun. Zásadní poznatky mohou přijít z laboratorních pozorování extrémně vzácných rozpadů částic a dalších řídce se vyskytujících procesů a z velmi přesných měření při nejvyšších energiích. Bohužel nevíme, odkud nakonec získáme rozhodující poznatky.

Modely velkého sjednocení předpovídají, že protony, které jsou podle Standardního modelu stabilní, by se mohly rozpadat. Japonský detektor Super Kamiokande má již takovou citlivost, že by mohl rozpad protonu zaznamenat s četností stanovenou těmito modely. Avšak další generace experimentů studujících rozpad protonu bude vyžadovat větší, účinnější a přesnější detektory v podzemních laboratořích, aby se zcela vyloučil vliv kosmického záření.

Teorie velkého sjednocení (GUT, Grand Unified Theory) mimo jiné obsahuje přirozený mechanismus, který neutrinům zajišťuje Majoranovy hmotnosti. V tomto případě by neutrina byla sama sobě antičásticemi. Tuto možnost bude možno ověřit pozorováním dvojitého beta rozpadu bez neutrin, v experimentech jako EXO nebo Majorana, které budou probíhat v podzemních laboratořích.

Přesná měření intenzity silových interakcí v experimentech na Velkém srážkovém urychlovači elektronů a positronů (LEP, the Large Electron Positron Collider) v CERN nedaleko Ženevy a na urychlovači SLC poskytly podstatné důkazy pro velké sjednocení. Podobně přesná měření hmotností částic a případně superčástic v experimentech na Lineárním srážkovém urychlovači by poskytly kvantitativní testy velkého sjednocení.

Sjednocení všech silových interakcí včetně gravitační interakce bude vyžadovat pochopení kvantové gravitace a s ní souvisejících jevů, jako je vypařování černých děr. Významného pokroku by bylo dosaženo, pokud by se podařilo objevit dodatečné dimenze na Velkém srážkovém urychlovači hadronů LHC nebo by byly objeveny anomální zdroje gravitačních vln v observatoři LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), případně neočekávané jevy v kosmických paprscích o velmi vysoké energii včetně kosmických neutrin.

Fyzika ukazuje, že elementární částice sehrávají ve vesmíru řadu důležitých rolí. Kvarky jsou vázány v protonech a neutronech a společně s elektrony, které patří mezi leptony, tvoří atomy. Kalibrační částice zprostředkovávají silové interakce. Jak již bylo uvedeno výše, elektromagnetická interakce je zprostředkována fotonem, slabá jaderná interakce třemi bosony a silná jaderná interakce osmi gluony. Gluony na rozdíl od fotonů nesou barevný náboj (color) a interagují samy se sebou. V důsledku této nelinearity má vakuum v kvantové chromodynamice, teorii silné jaderné interakce, složitou strukturu. Nedávné objevy však naznačují, že ve vesmíru mohou existovat ještě další elementární částice, které jsou součástí temné hmoty.

Ve fyzice elementárních částic jsou nové částice posly nových fyzikálních jevů, mechanismů a interakcí, včetně nových silových interakcí a nových forem hmoty. Podle kvantové mechaniky dokonce skryté dimenze se musí projevovat prostřednictvím elementárních částic. Měřením vlastností známých a nových částic bychom tedy mohli také získat potřebné informace o skrytých dimenzích.

* 5. Proč existuje tolik druhů částic?

Fyzikové již určili 57 různých druhů elementárních částic a podrobně popsali řadu jejich vlastností. Standardní model obsahuje kvarky a leptony seskupené do tří rodin, které se liší pouze hmotnostmi částic. Proč se stejné druhy částic opakují třikrát s velmi odlišnými hmotnostmi, přestože jejich ostatní vlastnosti jsou zřejmě stejné, zůstává záhadou. Kvantová fyzika ukázala, že tyto tři rodiny částic představují minimum potřebné pro narušení symetrie CP ve Standardním modelu.

Fyzikální zákony jsou invariantní vůči současně provedeným transformacím CPT, kde C (charge conjugation) je záměna částic antičásticemi, P (parity) je zrcadlení v prostoru a T (time reversal) označuje změnu toku času. Za normálních okolností jsou fyzikální zákony invariantní i při samotných transformacích CP.

Kvůli určité fundamentální asymetrii slabá jaderná interakce způsobila nadbytek hmoty nad antihmotou, takže protony existují v atomech dodnes. Standardní model částicové fyziky obvykle tuto asymetrii vyjadřuje ve formě "narušení symetrie CP". Symetrie CP znamená, že fyzikální interakce částic se nezmění, pokud změníme jejich náboj (symetrie C) a u všech souřadnic změníme znaménko (symetrie P). Standardní model úspěšně předpověděl, jak narušení symetrie CP způsobuje rozpad mesonů K a mesonů B, avšak není schopen vysvětlit, odkud pochází nadbytek baryonů (protonů a neutronů) ve vesmíru.

Narušení symetrie CP je sice pro převahu hmoty nad antihmotou ve vesmíru nutné, nikoliv však dostačující. Současný výzkumný program experimentů se proto soustřeďuje na podrobné pochopení známých vlastností částic tří rodin a na hledání příznaků, proč tyto rodiny nejsou identické.

Podle kvantové charakteristiky nazvané "vůně" (flavor) existuje šest kvarků u, d, s, c, b, t. Toto označení kvarků vychází z anglických slov "up" (nahoře), "down" (dole), "strange" (podivný), "charmed" (půvabný), "bottom" (spodní) a "top" (svrchní). Každá "vůně" se přitom vyskytuje ve třech "barvách" (color), což je další kvantová charakteristika. Tyto barvy se označují například jako červená, zelená a modrá.

Pravidlo pro sestavení hadronů říká, že baryon je složen ze tří kvarků, z nichž každý musí mít jinou barvu. Meson se pak skládá z páru kvark a antikvark téže barvy (kvark má barvu, antikvark má antibarvu, proto se celkově meson jeví jako bezbarvý).

Kvarky mají některé podivné vlastnosti. Jejich elektrický náboj představuje buď třetinu nebo dvě třetiny jednotkového náboje. Kvarky "u", "c" a "t" mají náboj +2/3, kvarky "d", "s" a "b" mají náboj -1/3. Antikvarky "u'", "c'" a "t'" mají náboj -2/3 a antikvarky "d'", "s'" a "b'" mají náboj -1/3.

Mesony vznikají složením páru kvark a antikvark. Barva a antibarva se v čase spojitě mění vždy tak, aby byl meson bezbarvý. Baryony jsou složeny ze tří kvarků tak, aby byly opět bezbarvé (tedy vždy kombinace všech tří barev).

Experimenty CDF a D0 na zařízení Tevatron měří vlastnosti kvarku "top", aby se zjistilo, zda jeho obrovská hmotnost má nějakou zvláštní roli ve vesmíru. Experimenty BaBar a Belle ve Stanfordském středisku lineárního urychlovače SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) a v japonské laboratoři KEK používají z těchto urychlovačů rozsáhlé vzorky dat obsahující milióny záznamů kvarků "bottom" a "charm" a leptonů tau. Úkolem těchto experimentů je provádět přesná měření hmotností těchto částic a studovat jejich rozpady, aby se odhalily nepatrné odchylky od předpokládaných rozpadů. Třetí rodina částic, zastoupená kvarky "bottom" a "charm" a leptonem tau, poskytuje největší šanci na nové objevy, protože jejich vysoké hmotnosti mohou být ovlivněny dosud neobjevenými mechanismy.

BaBar a Belle mohou studovat pouze dva typy mesonů B, mezní stavy kvarku "bottom" s kvarkem "up" nebo kvarkem "down". Mnoho teorií předpovídá významné jevy mezního stavu s kvarkem "strange" v mesonu B_s. Proto fyzikové studují vlastnosti mesonu B_s na zařízení Tevatron. Budoucí hadronová zařízení systému B-factory, BTeV a LHC-b, budou schopna zkoumat meson B_s s vyšší přesností.

Vlastnosti jednotlivých kvarků lze experimentálně studovat jen velmi obtížně, protože kvarky jsou uvězněny v hadronech s jinými kvarky. Pokud jsou společně uvězněny tři kvarky, hovoříme o baryonech (mezi něž patří také nukleony, tedy proton a neutron), pokud jsou uvězněny dva kvarky, hovoříme o mesonech. Mřížková výpočetní zařízení (Lattice Computational Facilities) nabízejí velké možnosti pro výpočet projevů silné jaderné interakce, která uvězňuje kvarky v hadronech. Mřížková kvantová chromodynamika (Lattice Quantum Chromodynamics) je výpočetní přístup, který umožňuje studovat interakce kvarků.

Můžeme si představit jednotlivé kvarky umístěné ve vrcholech prostorové mřížky podobné krystalu. Interakce kvarků výměnou gluonů si lze představit jako hrany mezi těmito vrcholy. Gluony jsou nositeli silné jaderné interakce a jejich vlastnosti popisuje kvantová chromodynamika. Až do počátku 21. století byly všechny výpočty hmotností kvarků jen hrubou aproximací.

Tyto výpočty nyní například poskytují dostatečnou přesnost pro určení parametrů kvarků, jako jsou parametry popisující smísení barev kvarků, z experimentálních dat. Experimentální studium pomocí zařízení CLEO-c umožní provádět tyto výpočty pro soubory těžkých kvarků.

Neutrina překvapivě otevřela nové okno do fyziky rodin leptonů, protože ve Standardním modelu není vyžadováno, aby neutrina měla nenulovou klidovou hmotnost. Vlastnosti rozpadů lehčích leptonů, jako jsou miony a elektrony, mohou také přinést některá překvapení. Experiment MECO (Muon to Electron Conversion) bude hledat případnou přeměnu mionů na elektrony a proto bude schopno odhalit různé mechanismy a jevy fyziky elementárních částic s velkou hmotností.

* 6. Co je temná hmota? Jak ji lze získat v laboratoři?

Většina hmoty ve vesmíru je temná hmota. Prvotní důkazy existence temné hmoty pocházejí z křivek rotací galaxií, které dokazují, že galaxie obsahují významně více hmoty, než se nachází ve hvězdách, hvězdokupách, mlhovinách a v mezihvězdném prachu a plynu. Počátkem 21. století byl získán přímý důkaz temné hmoty z objevu a charakteru gravitačních čoček, oblastí prostoru, kde dochází k ohybu světelných paprsků v souladu s obecnou teorií relativity. Tyto astrofyzikální souvislosti však nepostačují k přímému rozlišení mezi nebaryonními hypotézami temné hmoty, podle nichž temnou hmotu tvoří slabě interagující těžké částice (WIMP, Weakly Interacting Massive Particles), a jinými možnými hypotézami, podle nichž temnou motu tvoří velmi hmotné objekty v galaktickém halu (MACHO, Massive Compact Halo Objects), jako jsou planety velikosti Jupitera nebo miniaturní černé díry. Avšak experimenty provedené v 90. letech 20. století naznačily, že v naší Galaxii velmi hmotné objekty v galaktickém halu MACHO nehrají významnější roli. [F2]

Nejpřesnější odhady omezení parametrů temné hmoty pocházejí z kosmologických měření. Frekvence a amplituda závislosti fluktuací kosmického mikrovlnného pozadí (CMB, Cosmic Microwave Background), které měří kosmická observatoř WMAP (a v budoucnosti bude měřit sonda Planck), jsou citlivé jak na celkovou hustotu hmoty tak na hustotu baryonní hmoty ve vesmíru. Hustota baryonní hmoty je také omezena modely nukleosyntézy v mladém vesmíru. Všechny tyto metody dokazují, že baryonní hmota představuje pouze malou část, tedy asi 5 procent veškeré hmoty ve vesmíru.

Vědci měří rozložení temné hmoty ve vesmíru různými způsoby. Za prvé, vědci studují velkoprostorové rozložení galaxií, například pomocí systému SDSS (the Sloan Digital Sky Survey). Za druhé, omezení pro hmotnostní spektrum temné hmoty lze určit pomocí slabých projevů gravitačních čoček ve vesmíru, které budou zkoumány budoucím dalekohledem LSST (the Large Synoptic Survey Telescope) a pomocí přístrojů JDEM (Joint Dark Energy Mission). Za třetí, vědci katalogizují velké kupy galaxií jako funkci rudého posuvu použitím Sunjajevova-Zeldovičova jevu jihopolárním dalekohledem (the South Polar Telescope) a kosmologickým dalekohledem v Atacamě (the Atacama Cosmology Telescope).

Co je vlastně temná hmota? Modely fyziky elementárních částic tvrdí, že temná hmota jsou buď axiony, tedy hypotetické částice související s kvantovou chromodynamikou, která je teorií silné jaderné interakce mezi kvarky, nebo slabě interagující hmotné částice (WIMP, Weakly Interacting Massive Particles), které mají hmotnosti řádově několika TeV a jsou přirozenými důsledky teorií supersymetrie nebo dodatečných dimenzí. Pokud jsou částice temné hmoty pozůstatkem z téměř úplné anihilace hmoty a antihmoty v mladém vesmíru, pak by tyto částice měly mít hmotnost několika TeV. Podstatu částic temné hmoty lze ověřit hledáním řídkých jevů pomocí podzemních detektorů temné hmoty, jako je CDMS. Tato zařízení mohou hledat produkty částic temné hmoty v naší Galaxii. Anihilaci velmi hmotných částic temné hmoty lze zkoumat detekcí gama záření o vysoké energii pomocí dalekohledů pro gama záření, jako jsou GLAST a VERITAS, nebo detekcí neutrin pomocí detektorů, jako jsou ICE a CUBE. Antičástice vznikající při anihilaci lze detektovat pomocí AMS. Pokud jsou částice temné hmoty skutečně velmi hmotné, pak by měly vytvářet určité signály v paprscích kosmického záření o velmi vysoké energii.

Abychom plně porozuměli podstatě částic temné hmoty, musíme tyto částice vytvořit v urychlovačích a musíme studovat jejich kvantové vlastnosti. Fyzikové potřebují zjistit, jak tyto částice zapadají do koherentního fyzikálního obrazu vesmíru. Proto již nyní probíhá detekce slabě interagujících hmotných částic (WIMP) v podzemních detektorech. Existují tyto částice? Jsou nejlehčími supersymetrickými částicemi, které se pohybují v dodatečných dimenzích? Nebo jsou něčím úplně jiným?

Hledání možných částic temné hmoty nelze na většině současných urychlovačích částic realizovat. Pokud tyto částice skutečně mají hmotnost řádově několika TeV, pak by mohly být objeveny Velkým srážkovým urychlovačem hadronů (LHC, the Large Hadron Collider). Avšak ověření, že tyto nové částice skutečně souvisejí s temnou hmotou, bude vyžadovat Lineární srážkový urychlovač (the Linear Collider), který bude schopen přesně určit jejich vlastnosti, jako je hmotnost, spin a parita. Tato měření umožní provést teoretické výpočty kosmologického nadbytku temné hmoty ve vesmíru a porovnat je s pozorováním. Pokud bude teorie s pozorováním v souladu, bude to velký společný úspěch fyziky elementárních částic a kosmologie a rozšíří se tím naše poznání vývoje vesmíru až do 10^-10 sekundy po velkém třesku.

* 7. O čem vypovídají neutrina?

Objev nenulové klidové hmotnosti neutrin otevřel nové okno za hranice Standardního modelu. Standardní model nemůže zahrnovat hmotnost neutrin bez zavedení nových částic, které však přinášejí další otázky a problémy. Hmotnost neutrin je konsistentní s očekáváním sjednocených teorií, které pro samotné sjednocení vyžadují existenci nových částic.

Tíživou otázkou týkající se neutrin je, kolik různých rodin neutrin a ostatních leptonů existuje. Výsledky experimentu LSND naznačují, že by mohly existovat více než tři kanonické rodiny (neutrino elektronové, mionové, tauonové). Pokud tomu tak skutečně je, pak bude nutné provést rozsáhlou revizi našich současných znalostí fyziky elementárních částic. V polovině roku 2005 probíhal experiment Mini-BooNE v laboratoři Fermilab, který mimo jiné hledal odpověď na tuto obtížnou otázku.

Pokud by existovaly pouze tři rodiny neutrin, přesto by zůstaly některé důležité otázky. Proč neutrina mají nenulové klidové hmotnosti a jakou mají velikost? Jsou neutrina sama sobě antičásticemi? Jak různé druhy neutrin vzájemně oscilují? Odpovědi na tyto otázky vyžadují přesná měření hmotností neutrin a jejich oscilací. Fyzikové studují oscilace neutrin pomocí experimentů na zařízeních SNO, KamLAND, K2K a SuperKamiokande. Od roku 2005 v laboratoři Fermilab probíhá program NuMI/MINOS, jehož cílem je studovat oscilace elektronových a mionových neutrin a oscilace mionových a tauonových neutrin. V roce 2006 bude zahájen výzkumný program sledování neutrin pomocí dlouhé základny mezi CERN a Gran Sasso. V Japonsku se připravuje na zařízení JPARC zdroj paprsku neutrin. Ve vzdálenější budoucnosti tyto a následné experimenty, které budou využívat nesoustředný paprsek neutrin nebo vyhrazený reaktor pro produkci neutrin, naznačí, zda bude možno měřit u neutrin narušení symetrie CP. Výzkumníci mohou také využít budoucí velmi výkonný zdroj neutrin. Detektory neutrin budou schopny také zkoumat možný rozpad protonu, pokud budou umístěny hluboko pod zemí, jako je tomu v americké Národní podzemní laboratoři pro vědu a strojírenství (the National Deep Underground Science and Engineering Laboratory).

Experimenty s oscilacemi neutrin v urychlovačích a reaktorech umožní přesná měření rozdílů hmotností neutrin. Samotné hmotnosti neutrin musí být určeny různými metodami. Pozorování dvojitého beta rozpadu bez neutrin v experimentu jako EXO nebo Majorana by mohla vést k určení hmotnosti elektronového neutrina až do meze 0,01 eV. Pozorování dvojitého beta rozpadu bez neutrin by mohlo mít dalekosáhlé důsledky, protože by mohlo prokázat, že v mladém vesmíru se částice mohly přeměňovat na antičástice a naopak. [F3]

Pochopení historie a budoucnosti vesmíru je těsně spjato s fundamentální podstatou hmoty, energie, prostoru a času. Současně existují silné vazby mezi mikrosvětem a makrosvětem.

* 8. Jak vznikl vesmír?

Podle současných kosmologických teorií vesmír vznikl singulární explozí, kdy všechny známé fyzikální zákony ještě neplatily. Počáteční singularita vytvořila jemně vyvážený vesmír, podobně jako kdyby tužka stála na své špičce po dobu 14 miliard let. Jak vesmír tohoto stavu dosáhl? Jak v tomto stavu dosáhl svého stáří? Proč neprošel dalšími fázovými přechody, proč se rychle nerozpínal nebo naopak se nezhroutil zpět do singularity?

Od 80. let 20. století inflační kosmologická teorie nabídla možné vysvětlení vývoje vesmíru velmi krátce po velkém třesku. Podle této teorie vesmír vznikl ze singularity, exponenciálně se rozpínal nadsvětelnou rychlostí a pak se toto rozpínání zpomalilo na současnou rychlost a vesmír dosáhl rovnovážného stavu svých fyzikálních parametrů. Přestože tato teorie má několik závažných problémů, které vedly k formulaci neoinflačních modelů, je v současné době nejlepší teorií, která je v souladu s naším pozorováním. Teorie inflačního vesmíru je schopna vyřešit některé základní kosmologické problémy standardního modelu, jako je problém horizontu událostí, problém globální homogenity a isotropie, problém rovinnosti (plochosti) vesmíru. Další předností inflačního modelu je možnost vysvětlení zárodečných nehomogenit pro vytváření galaxií.

Představa spontánního kvantového vzniku vesmíru vede k dalším důsledkům. Dostatečně silné kvantové fluktuace mohly vzniknout nezávisle na různých "místech". Vznikla by tak celá řada různých vesmírů s různou globální strukturou prostoročasu a vlastnostmi hmoty.

Koncepce inflačního vesmíru přináší zcela nový metodologický poznatek. Kosmologie dosud ve svých modelech vyžadovala stanovení určitých počátečních nebo okrajových podmínek, které se do modelů dodávaly "uměle". V inflačním vesmíru nemají tyto podmínky žádný význam, protože inflační expanze odstraňuje všechny detaily vesmíru, které byly před inflační fází. Inflační model tedy popisuje strukturu vesmíru na základě základních zákonů fyziky, teorie gravitace a kvantové fyziky bez jakýchkoliv počátečních podmínek. Jejím "vedlejším produktem" je vznik hvězd, galaxií, galaktických kup a jiných velkoobjemových struktur ve vesmíru.

Inflační teorie také souvisí s většinou základních otázek tohoto článku. Jednou z možností příčin kosmické inflace může být některá forma temné energie, podobná temné energii pozorované ve vesmíru nyní. Pokud tomu tak je, s jakou formou hmoty souvisí? Hraje tato forma hmoty nějakou roli při sjednocení silových interakcí? Jak souvisí s dodatečnými dimenzemi vesmíru? Podle jedné z hypotéz se podstata prostoru a času mohla v průběhu velkého třesku změnit. Mohly superstruny vést k zániku počáteční singularity a tím k velkému třesku? Který model vesmíru nejlépe odpovídá reálnému vesmíru?

Počátkem 21. století měření fluktuací kosmického mikrovlnného pozadí, zejména z kosmické observatoře WMAP (the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), poskytla ve prospěch inflační teorie nejlepší důkazy. Meze kosmologických parametrů, jako je křivost prostoročasu nebo podstata kosmické struktury, jsou v dobrém souladu s předpověďmi inflační teorie. Měření polarizace kosmického mikrovlnného pozadí by mohlo přispět k detekci známek silných gravitačních vln, které vznikaly během inflace. Takto bychom mohli získat informace o podstatě skalárního pole, které způsobilo inflační rozpínání vesmíru.

Po velkém třesku se vesmír rozpínal a ochlazoval, až dosáhl současného stavu. Během tohoto vývoje prošel několika fázovými přechody (podobně jako voda se mění z ledu v kapalinu a v páru), při nichž některé elementární částice vznikly nebo zanikly. Tyto fázové přechody vyznačily nejdůležitější události v evoluci vesmíru.

Například fázovým přechodem mohla být provázena inflační fáze vesmíru. Fázové přechody také mohly vést ke vzniku "kosmických defektů", jako jsou kosmická vlákna, vzory a další exotické formy hmoty, jimiž by bylo možno vysvětlit kosmické záření o velmi vysoké energii, temnou hmotu a snad také temnou energii.

Velký urychlovač hadronů LHC by mohl objasnit elektroslabý fázový přechod, kdy většina známých částic získala hmotnost. Hlubší pochopení tohoto fázového přechodu by vědcům umožnilo se ještě více přiblížit k velkému třesku. Elektroslabý fázový přechod byl zřejmě zásadní příčinou asymetrie mezi antihmotou a hmotou, kterou dnes ve vesmíru pozorujeme. Objevy nových částic a nových silových interakcí by mohly objasnit, zda tato hypotéza je správná. Navíc při úvahách o kosmologickém vývoji vesmíru budeme nuceni zahrnout také objevy nových symetrií nebo nových dimenzí prostoročasu.

V současnosti největší pozornost je věnována fázovému přechodu, který souvisí s kvantovou chromodynamikou (QCD, Quantum Chromodynamics). Kvantová chromodynamika je teorií silné jaderné interakce. Během kvantově chromodynamického fázového přechodu kondenzovala z kvarkové gluonové plasmy baryonní hmota současného vesmíru. Relativistický srážkový urychlovač těžkých iontů (RHIC, the Relativistic Heavy Ion Collider) provozovaný v americké Národní laboratoři v Brookhavenu (the Brookhaven National Laboratory) využívá srážky urychlených těžkých iontů pro studium kvarkové gluonové plasmy. Laboratoř plánuje toto studium dále rozšířit. Výpočetní zařízení Lattice Computational Facilities umožní výpočty, které přispějí k hlubšímu pochopení významu dat získaných z RHIC pro podmínky během vývoje mladého vesmíru.

Syntéza všech chemických prvků ve vesmíru probíhala řadou termojaderných reakcí. Při teplotách a hustotách hvězdného nitra probíhají především jaderné reakce méně stabilních atomových jader. Urychlovač vzácných isotopů (RIA, the Rare Isotope Accelerator) bude nástrojem pro studium jaderných reakcí, které umožní hlubší pochopení fyzikálních jevů vedoucích ke vzniku chemických prvků ve vesmíru.

* 9. Co se stalo s antihmotou?

Jednou ze základních otázek vývoje vesmíru je, co se stalo s antihmotou. V mladém vesmíru vznikala hmota a antihmota ve stejném poměru. Při dalším ochlazování vesmíru stejné množství hmoty a antihmoty anihilovalo za vzniku záření. Přesto ve vesmíru byl nadbytek hmoty, z něhož později vznikly hvězdy a galaxie. Aby došlo k nadbytku hmoty nad antihmotou, musela být narušena symetrie CP, což způsobilo, že hmota a antihmota se chovají nepatrně odlišně. Experimenty potvrdily narušení symetrie CP u neutrálních mesonů K v roce 1964 a u mesonů B v roce 2001.

Standardní model může využít narušení symetrie CP v kvarcích. Existují nejméně tři rodiny kvarků. Dochází k mísení jejich barev, když vzájemně interagují slabou jadernou interakcí. Měření narušení symetrie CP mesonů B na zařízení BaBar a Belle a další bohaté výsledky studia mísení barev kvarků jsou s kvantovou chromodynamikou v souladu. Avšak naše znalosti narušení symetrie CP zřejmě nejsou úplné, protože pozorované narušení symetrie CP není dostačující pro vznik baryonové asymetrie mezi antihmotou a hmotou. Současné a plánované experimenty si kladou za cíl nalézt další zdroje narušení symetrie CP, které by vysvětlily rozdílné chování hmoty a antihmoty. Tyto zdroje mohou souviset s kvarky, s neutriny, s vlastnostmi Higgsova bosonu, s teorií supersymetrie nebo s dodatečnými dimenzemi teorie superstrun.

Narušení symetrie CP, které mění vůni (flavor) kvarků, se dosud měří pro kvark "strange" (rozpady mesonu K) a pro kvark "bottom" (rozpady mesonu B). Plánují se nebo již probíhají experimenty KOPI0 v Národní laboratoři v Brookhavenu (rozpad mesonu K), BaBar ve Stanfordském středisku lineárního urychlovače SLAC, Belle v KEK (rozpad mesonu B_d), BTeV v laboratoři FermiLab a LHC-b ve středisku CERN (rozpady mesonu B_d a mesonu B_s). Odhalení přesné role narušení symetrie CP u kvarků má značný význam pro řešení záhady baryonové asymetrie antihmoty a hmoty. Experimenty však současně naznačují, že narušení symetrie CP mísením barev kvarků ve Standardním modelu elementárních částic zřejmě nebude jediným mechanismem asymetrie antihmoty a hmoty ve vesmíru. Současné a budoucí experimenty proto budou hledat další zdroje narušení symetrie CP za hranicemi Standardního modelu.

Objev, že neutrina mají nenulovou klidovou hmotnost, otevřel cestu k hledání narušení symetrie CP u leptonů. Hmotnost neutrin může být příčinou vzájemné přeměny hmoty a antihmoty a pro změnu rovnováhy mezi hmotou a antihmotou ve vesmíru. Experiment MINOS v laboratoři Fermilab slouží pro studium oscilací neutrin. Pro přesnější měření parametrů oscilací neutrin však bude nutné vybudovat větší podzemní detektor (the National Deep Underground Science and Engineering Laboratory), který umožní také studium rozpadu protonu.

Fyzika elementárních částic a vysokých energií prochází další velkou revolucí. Nová experimentální data a teoretické představy zpochybnily dlouho trvající přesvědčení o hmotě, energii, prostoru a času. Pozorování potvrdila, že 95 procent hmoty vesmíru je obsaženo v temné hmotě a temné energii, přestože jsme tyto formy hmoty a energie experimentálně neprokázaly. Teoretici teorie superstrun nalezly způsob, jak dát do souladu kvantovou teorii s teorií gravitační interakce, avšak za cenu dodatečných dimenzí prostoročasu.

Výsledky současné revoluce fyziky elementárních částic budou během několika let až desítek let zjevné a stanou se důkazem dalšího pokroku moderní fyziky. Nová experimentální data a teoretické myšlenky nejen zpochybňují naše dosavadní způsoby myšlení, ale také naznačují budoucí kroky vývoje. Podle autora článku [1] máme neobyčejné štěstí, že žijeme v době, kdy nové otázky nás posouvají na zcela novou úroveň poznání.

Odkazy:

[1] Frederick Gilman: Quantum Universe. The Revolution in 21th Century Particle Physics. High Energy Physics Advisory Pannel (HEPAP). Carnegie-Mellon University. 5000 Forbes Avenue, Pittsburg, Pennsylvania, USA.

[I1] Physics News Update. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 731 May 12, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein

[X1]  Victor J. Stenger: Where Did the Laws of Physics Come From? Department of Philosophy, University of Colorado. Department of Astronomy, University of Hawaii. e-Print archive. Los Alamos National Laboratory. US National Science Foundation.

[N1]  Higgsův boson ve standardním modelu. Natura 11/2004.

[F1]  Higgsův boson ve standardním modelu. Natura 11/2004.

[F2]  Temná hmota ve vesmíru. Natura 7/2005.

[F3]  Problém slunečních neutrin. Natura 7/2005.