Experimenty pomocou Veľkého hadrónového urýchľovača LHC odhalili veľmi zriedkavé udalosti. Počas zrážok protónov boli totižto súčasne produkované trojice W a Z bozónov, ktoré sú nositeľmi slabej interakcie.

Ako uvádza inštitút Caltech, jeho vedci a kolegovia z CERNu učinili pozorovania, ktoré pomôžu posunúť +. Moderná fyzika dnes rozumie mnohým udalostiam a spôsobu, akým vesmír funguje. Či už ju aplikujeme v rozsahu obrovských galaxií, až po takmer nekonečne malú veľkosť na úrovni kvarkov a gluónov.

Hoci vie veľa, stále neposkytuje odpovede na otázky o povahe temnej hmoty či pôvodu gravitácie. Fyzici z Caltechu a Ženevského CERNu však za pomoci Veľkého hadronového urýchľovača (LHC) a detektora CMS (Compact Muon Solenoid) učinili experiment, ktorý im umožnil pozorovať veľmi zriedkavé udalosti schopné posunúť chápanie modernej fyziky.

Zobraziť celú galériu (2)

Detektor CMS. Zdroj: CERN

Spomínaný experiment totižto zahŕňal produkciu súčasne až troch W a Z bozónov, ktoré sú známe ako subatomárne „sprostredkovateľské“ častice, nakoľko sprostredkúvajú slabú interakciu – jednu zo štyroch základných interakcií. Slabá interakcia je pritom zodpovedná napríklad aj za jav rádioaktivity, ako aj za podstatnú zložku termonukleárnych procesov prebiehajúcich na Slnku.

Samotné bozóny sú triedou častíc zahŕňajúcich gluóny, ktoré viažu jadrá atómov dohromady, a tiež fotóny, ktoré sú základnou jednotkou svetla. Patrí medzi nich aj známy Higgsov bozón, o ktorom sa predpokladá, že dáva hmote jej hmotnosť. Bozóny W a Z sú si však podobné v tom, že oba sú nositeľmi slabej interakcie, hoci Z bozón nemá žiaden elektrický náboj.

Udalosti, ktoré boli až 50-násobne vzácnejšie ako tie, pri ktorých objavili Higgsov bozón

Existenciu vyššie uvedených bozónov spolu s ďalšími subatomárnymi časticami, ako sú napríklad gluóny a neutrína, vysvetľuje takzvaný Štandardný model fyziky častíc. Vedci ale boli počas experimentov svedkami udalostí, vytvárajúcich trojice bozónov. Tie sa vyskytnú vtedy, keď sa intenzívne zväzky vysokoenergetických protónov, ktoré boli zrýchlené takmer na rýchlosť svetla, čelne zrazia v niekoľkých bodoch pozdĺž kruhovej dráhy urýchľovača LHC.

Keď sa zrazia dva protóny, kvarky a gluóny v nich sú nútené oddeliť sa od seba a v momente, keď k tomu dôjde, môžu sa objaviť bozóny W a Z. Vo veľmi zriedkavých prípadoch sa však objavia ako trojčatá: WWW, WWZ, WZZ a ZZZ. Harvey Newman, vedúci výskumného tímu, hovorí, že takéto trojčatá W a Z bozónov sú produkované iba v jednej z 10 biliónov protónových zrážok.

Zobraziť celú galériu (2)

Obrázok naľavo znázorňuje proces beta mínus rozpadu zahrnujúceho vytvorenie a zánik W- bozónu. Obrázok napravo znázorňuje elektrón-pozitrónový pár podliehajúci anihilácii, ktorá vedie k vytvoreniu bozón Z0. Zdroj: Open.edu

Tieto udalosti sú zaznamenávané pomocou detektora CMS, ktorý obklopuje jeden z kolíznych bodov pozdĺž cesty urýchľovača LHC. Zhicai Zhang, člen výskumného tímu, uvádza, že tieto udalosti sú dokonca 50-krát vzácnejšie ako tie, ktoré viedli k objaveniu Higgsovho bozónu. Dokážeme teda potvrdiť interagovanie W a Z medzi sebou.

nterakcie umožnia W a Z bozónom naviazať ďalší W alebo Z bozón, čo sa prejaví ako udalosť vykazujúca trojicu masívnych W a Z bozónov. Typická produkcia dvoch masívnych bozónov bola už predtým pozorovaná a meraná vysokou presnosťou. Ako uvádza Newman, produkcia trojice bozónov nebola konkrétnym cieľom experimentu.

Pripravené sú nové experimenty, ktoré dokážu kompletne zmeniť štandardný model fyziky častíc

Vedci sa zhromaždením dostatočného množstva údajov, vrátane mnohých udalostí produkujúcich bozóny a iné zriedkavé udalosti, snažia testovať predpovede štandardného modelu fyziky častíc s postupne rastúcou presnosťou a nakoniec tak môžu nájsť a byť schopní študovať nové interakcie, ktoré ležia aktuálne za jeho hranicami.

„Z pozorovania rotácie a distribúcie galaxií vieme, že gravitačný vplyv musí vyvíjať temná hmota, ale temná hmota nezapadá do Štandardného modelu. Nie je v ňom miesto pre tmavé častice ani gravitáciu a jednoducho nefunguje ani na energetických stupniciach typických pre raný vesmír v prvých okamihoch po Veľkom tresku. Vieme, že existuje ešte zásadnejšia teória ako je Štandardný model, ktorá ešte len bude objavená,“ hovorí Newman.

Vedci tak aktuálne pripravujú ďalšie experimenty, ktoré sú naplánované na roky 2021 až 2024. Medzitým budú vylepšené aj nástroje, aby sa zvýšila ich kapacita zberu údajov až 30-násobne.

„Existuje tu mnoho nezrealizovaného potenciálu. Množstvo doteraz zhromaždených údajov stále predstavuje iba niekoľko percent z toho, čo očakávame, že zhromaždíme po veľkých aktualizáciách detektora CMS a LHC urýchľovača pomocou projektu High-Luminosity LHC, ktorého spustenie je naplánované po dobu 10 rokov od roku 2027. Sme len na začiatku 30-ročného fyzikálneho programu, “ uvádza Newman.