Na experimente ATLAS v Európskej organizácii pre jadrový výskum (CERN), ktorý objavil Higgsov bozón v roku 2012, sa podarilo zmerať silu silnej interakcie s rekordnou presnosťou. Na tému upozornil v tlačovej správe portál Phys.

Silná jadrová interakcia

Tím z experimentu ATLAS v novej štúdii dostupnej na predtlačovom serveri arXiv opisuje, ako použil Z bozón, elektricky neutrálny nosič slabej interakcie, na určenie sily silnej interakcie s bezprecedentnou presnosťou (neistota v meraní je menej ako 1 %).

Silná jadrová interakcia je najsilnejšia zo základných štyroch interakcií hmotných objektov. Ostatné tri základné interakcie sú elektromagnetizmus, slabá interakcia a gravitácia.

CERN

Mimo to táto sila drží nukleóny a kvarky u seba v jadre atómov, pričom je natoľko silná, že udrží dva protóny v jadre hélia napriek tomu, že sa elektromagneticky odpudzujú.

Jej nosičom sú gluóny. Silná interakcia alebo aj silná jadrová sila je najkomplikovanejšia interakcia, hlavne pre to ako sa jej vplyv mení so vzdialenosťou. Vo vzdialenosti väčšej ako 10 femtometrov je silná sila prakticky nepozorovateľná. Navyše sa nachádza iba vo vnútri jadier atómov.

TriTertButoxy/Wikimedia

Sila silnej jadrovej interakcie je opísaná základným parametrom v  štandardnom modeli časticovej fyziky, ktorý sa nazýva konštanta silnej väzby. Hoci vedomosti o tejto konštante sa v poslednom období značne zlepšili vďaka rôznym meraniam a rozvoju nových teoretických rámcov, neistota pri určení jej presnej hodnoty je rádovo väčšia, ako neistota pri iných väzbových konštantách základných interakcií.

„Sila silnej jadrovej interakcie je kľúčovým parametrom štandardného modelu, ale je známa len s percentuálnou presnosťou. Pre porovnanie, elektromagnetická sila, ktorá je 15-krát slabšia ako silná interakcie pri energii snímanej LHC je známa s presnosťou menšou ako jedna časť z miliardy,“ hovorí fyzik z CERNu Stefano Camarda

Ako prebiehal experiment?

Na zlepšenie presnosti sily silnej interakcie sa vedci z experimentu ATLAS v novej štúdii zamerali na skúmanie Z bozónov vznikajúcich pri zrážkach protón-protón vo Veľkom hadrónovom urýchľovači pri kolíznej energii 8 TeV.

Z (zero) bozón je spolu s W (weak) bozónom elementárna častica, ktorá sprostredkováva slabú interakciu. Slabá interakcia je pritom zodpovedná napríklad aj za jav rádioaktivity, ako aj za podstatnú zložku termonukleárnych procesov prebiehajúcich na Slnku.

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

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.

Najpresnejšia hodnota

Z bozóny sú typicky produkované, keď dva kvarky v kolidujúcich protónoch anihilujú. V tomto procese slabej interakcie vstupuje do hry silná sila prostredníctvom žiarenia gluónov z anihilačných kvarkov.

Nová hodnota silnej väzbovej konštanty v porovnaní s inými meraniami. ATLAS/CERN

Toto žiarenie „postrčí“ Z bozón (dôjde k zmene hybnosti), pričom toto štuchnutie je v smere priečnom k pôvodnej osi kolízie – vedci to označujú pojmom priečna hybnosť.

Veľkosť tohto „postrčenia“ závisí od silnej väzbovej konštanty. Presné meranie distribúcie priečnej hybnosti Z-bozónu a porovnanie s rovnako presnými teoretickými výpočtami tejto distribúcie umožňuje určiť silnú väzbovú konštantu.

Porovnanie meraní s teoretickými predpoveďami umožnilo výskumníkom presne určiť silnú väzbovú konštantu na hmotnostnej škále Z-bozónu na 0,1183 ± 0,0009.

S relatívnou neistotou iba 0,8% predstavuje uvedený výsledok doteraz najpresnejšie určenie sily silnej interakcie uskutočnené jediným experimentom.