Vedcom z CERNu sa podarilo uskutočniť nové najpresnejšie meranie vrchného kvarku, známeho tiež ako kvark t, alebo top kvark. Na tému upozornil CERN na svojom webe.

Najúspešnejšia teória

Poznať presnú hmotnosť kvarku t je mimoriadne dôležité pre pochopenie nášho sveta v tom najmenšom meradle. Detailne poznať túto najťažšiu elementárnu časticu je pre vedcov kľúčové, pretože umožňuje testovať konzistentnosť matematického popisu všetkých elementárnych častíc – štandardného modelu.

Štandardný model je mnohými fyzikmi považovaný za tú pravdepodobne najúspešnejšiu vedeckú teóriu, akú sme doposiaľ dokázali vytvoriť. Hoci štandardný model od 70. rokov 20. storočia, kedy sa objavil vo svojej súčasnej formulácii, obstál mnoho testov, nie je dokonalý.

Opisuje totiž iba tri základné interakcie (silnú, slabú, a elektromagnetickú). Gravitačné interakcie, temnú hmotu, temnú energiu, ale aj vysvetlenie prečo počas Veľkého tresku prevládla hmota nad antihmotou, by si tu však hľadal márne.

Vrchný kvark

Ako sme spomínali, dotknutá elementárna častica je vôbec tá najhmotnejšia elementárna častica akú poznáme a prispieva k nášmu chápaniu vesmíra. Pre vedcov je však dôležité, že kvark t získava svoju hmotnosť spojením s Higgsovým bozónom. Dokonca je toto spojenie vôbec tým najsilenejším (v tejto mierke), aké v štandardnom modeli poznáme, píše portál ScienceAlert.

Nemenej podstatný je aj fakt, že kvark t dokážeme kolíziou v urýchľovači, akým je Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) „rozbiť“. Kvark t interaguje primárne silnou interakciou, ale rozložiť sa môže iba pomocou slabej interakcie. Takmer výlučne sa rozkladá na bozón W a spodný kvark, známy tiež ako kvark b.

Mimochodom bozón W bol nedávno centrom kontroverzie. Jeho doposiaľ najpresnejšie meranie totiž otriaslo samotnými základmi vedy. Nová štúdia, o ktorej sme ťa informovali aj my v samostatnom článku, totiž ukázala, že hmotnosť bozónu W je v priamom rozpore s predpoveďami štandardného modelu.

Tu do tejto kontroverzie vstupuje hmotnosť kvarku t. Jeho hmotnosť totiž môžeme použiť na predpovede o Higgsovom bozóne, ale i o bozóne W, takže poznať jeho presnú hodnotu je skutočne pre vedu kriticky dôležité.

Ak toto v tvojich očiach nepridalo na význame tohto výskumu, tak vedz, že samotná stabilita nášho vesmíru závisí od presných hodnôt hmotností Higgsovho bozónu a kvarku t. Ak by totiž hmotnosť kvarku t bola čo i len trochu iná, z dlhodobého hľadiska by náš vesmír bol menej stabilný a potencionálne môže skončiť pri podobne chaotickej a násilnej udalosti akou bol Veľký tresk.

Samozrejme, uvedené platí aj opačne, ak poznáme presnú hmotnosť bozónu W a Higgsovho bozónu, vieme predpovedať hmotnosť top kvarku. Pozoruhodné však je, že „teoretická fyzikálna definícia hmotnosti, ktorá súvisí s účinkom kvantových korekcií, je stále ťažko kvantifikovateľná pre top kvark,“ píše CERN na svojom webe.

Váženie častíc

Hoci na prvý pohľad sa to môže zdať jednoduché, zmerať presnú hmotnosť častice je komplikovaná úloha. Aby sme dokázali vytvoriť elementárnu časticu akou je aj kvark t, fyzici musia najskôr rozbiť subatomárne častice (protóny) na urýchľovači častíc. Každá jedna takáto kolízia má za následok vyvrhnutie celého radu ďalších častíc, ktoré odborníci môžu pozorne študovať.

V tak malých škálach pozorované častice vstupujú do kvantového sveta, stanú sa tak trochu nejasnými, nepolapiteľnými a ich hmotnosť je len veľmi ťažké určiť. Našťastie človek je tvor šikovný a dokáže si poradiť aj s takýmito problémami.

Jednou z možností je opakovane vykonávať experimenty a potom štatisticky spracovať výsledky, alebo ako to teraz urobili vedci z CERNu, použiť rôzne metódy merania.

Presnejšie odborníci teraz merali hmotnosť kvarku t pomocou piatich odlišných „kinematických premenných citlivých na hmotnosť top kvarku“. Pre porovnanie, predchádzajúce merania použili iba tri premenné.

Vďaka použitiu týchto dodatočných informácií, ktoré mimochodom výrazne skomplikovali analýzu, boli experti schopní spresniť merania. Okrem toho bola potrebná extrémne presná kalibrácia údajov, ale i pochopenie rôznych teoretických a experimentálnych neistôt – neistoty sa týkali toho, ako presne detektor CMS (Compact Muon Solenoid) určil vlastnosti častíc vytvorených z kvarkov t.

Meranie vychádza z údajov zozbieraných experimentom CMS v LHC v roku 2016. Ako zrejme vieš, LHC bol z dôvodu jeho inovácie od 10. decembra 2018 vypnutý. „Reštartovať“ sa ho podarilo po 3 ročnej prestávke len pred pár dňami.

LHC bol opätovne spustený 22. apríla a aktuálne sa pripravuje na prevádzkovú fázu s názvom „Run 3“. Jej začiatok je naplánovaný na leto 2022.