Celá hmota je veľmi prázdna… Kvantová fyzika je úžasná, ako sa v nej všetko nečakane mení, hovorí jadrový fyzik Branislav Sitár, ktorý sa v roku 1993 zaslúžil o vstup Slovenska do CERN-u – Európskej organizácie pre jadrový výskum v Ženeve, najvýznamnejšieho svetového laboratória v oblasti výskumu elementárnych častíc a štruktúry hmoty.
Prof. RNDr. Branislav Sitár, DrSc., je profesor jadrovej fyziky na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave. Zaoberá sa jadrovou a subjadrovou fyzikou. V rokoch 2007 až 2010 bol viceprezidentom Rady CERN, s ktorým úzko spolupracuje od roku 1993 doteraz. Je spoluautorom množstva zásadných fyzikálnych objavov.
Od 90. rokov minulého storočia ste pracovali aj na experimentoch v CERN-e. Veda kladie veľké otázniky, no tušili ste už vtedy, aké vzrušujúce objavy vás čakajú?
Nie, a práve to je úžasné. Preto ľudia radi experimentujú: vždy objavia niečo, čo nemohli ani tušiť. Keď som študoval jadrovú fyziku, predstava bola taká, že jadro nemá viac protónov ako neutrónov. No my sme potom objavili jadro 8B s tzv. protónovým haló – a boli sme jedni z prvých na svete. Okrem toho, že toto jadro má päť protónov a len tri neutróny, objavili sme aj to, že to jadro je oveľa väčšie, ako by malo byť, lebo jeden protón je veľmi slabo viazaný a lieta ďalej, ako by podľa vtedy platnej teórie lietať mal.
Bol rok 1997 a ja si doteraz živo pamätám naše obrovské nadšenie, akoby to bolo včera. Zaujímavé je, že keď sa teraz rozprávam s kolegami, jadrovými fyzikmi, protónové haló je už pre nich samozrejmá skutočnosť. No pred 20 rokmi to bola senzácia.
Ďalšou skvelou udalosťou bolo, keď sme v roku 2011 objavili sférickú symetriu v exotickom jadre kyslíka 24O, ktoré je až trojnásobne magické, čo je úplný unikát.
V čom?
Stabilný kyslík okolo nás je kyslík 16O, má osem protónov a osem neutrónov. V kvantovej mechanike je osmička tzv. magické číslo. Inertné plyny sú veľmi stabilné, nereagujú, lebo majú uzavreté vrstvy v jadrách atómov. Magické čísla v jadrách – 2, 8, 14, 20, 28, 50, 82 a 126 – sú však iné ako pri elektrónoch. Preto má 16O mimoriadne stabilné jadro s dvomi osmičkami. A my sme našli jadro kyslíka 24O, ktoré má osem protónov, osem neutrónov a osem ďalších neutrónov, čiže tri magické čísla. Toto si takisto pamätám, akí sme boli nadšení a uveličení z toho, že niečo také je vôbec možné.
Presnými meraniami sme tiež objavili, že 16O tvorí kompaktné sférické jadro, akúsi guličku, a tých ďalších osem neutrónov lieta oveľa ďalej a vytvárajú tzv. neutrónovú kožu (neutron skin).
Keby mal protón v atóme vodíka rozmer 1 m a bol by v Bratislave, potom by sa bodový elektrón pohyboval niekde v priestore medzi Trnavou a Viedňou.
Treba povedať, že tá koža existuje len milisekundu, potom sa rýchlo rozpadne. Keď sme prvý raz ukázali, že sme zachytili sférické jadro s neutrónovou kožou, ktorú tvorí až osem neutrónov, a že to celé drží spolu úplne inak, boli sme nadšení, že niečo podobné existuje. Boli to zásadné objavy pre fyziku.
Časopis Quark nesie názov medzinárodného označenia kvarkov – elementárnych častíc, z ktorých pozostáva hmota. Ako si spomínate na nečakané správanie sa kvarkov vo výskumoch v CERN-e, pri ktorých ste boli?
Od roku 2010 sa v CERN-e robí v prvom rade fyzika kvarkov, teda experimenty na kvarkovej úrovni. Keby sme hovorili napríklad o presnostiach v meraní výskumov, CERN sa v rámci protónových zrážok dostáva na úroveň 10-19 až 10-20 m. Protón má rozmer 10-15 m, rozlíšenie na LHC je 100-tisíckrát lepšie, ale aj tak nevidíme na rozmer kvarku. Vieme, že tam je, ako sa správa, vieme ho popisovať rovnicami, vieme všeličo. No nevidíme ho, pretože je ešte menší ako naša rozlišovacia schopnosť.
Tušenie kvarku?
Skôr istota. Fakt, že v protóne sú prítomné tri kvarky, je dokázaný. Keď zrážame protóny s protónmi, vieme, že zaujímavé sú tzv. eventy, keď sa zrazia dva kvarky. Protón je totiž veľmi prázdny. V podstate celá hmota je veľmi prázdna.
Ako sa dá také prázdno predstaviť?
Keď je rozmer protónu 10-15 a kvarkov menej ako 10-20, musíme si uvedomiť, že kvarky sú najmenej stotisíckrát menšie ako protón. Porovnateľne: keby mal kvark 1 m, priemer protónu, v ktorom sa pohybuje, by musel mať vyše 100 km. Znamená to, že by sa pohyboval od Nitry po Bratislavu. Hmota je vlastne nepredstaviteľne prázdny priestor – prázdne atómy a ešte prázdnejšie protóny. No v protóne máme aj gluóny, o ktorých vieme ešte menej. Navyše tri kvarky tvoria len 1 % hmoty, 99 % hmoty protónu sa nachádza práve v gluónoch. Kvantová fyzika je úžasná, ako sa v nej všetko nečakane mení.
Napríklad?
Už len štúdium samotného protónu je osobitná kapitola, o ktorej sa dá dlho hovoriť. Keď je protón v pokoji, v našej známej hmote, potichu si sedí a nerozpadne sa ani za celý vek vesmíru. Robili sa merania, či nájdeme rozpad protónu. Nenašli sme ho. Polčas rozpadu protónu je teraz na úrovni 1035 rokov, ale náš vesmír existuje len 1011 rokov, čiže protón je veľmi stabilný dynamický objekt.
Keď však tento protón začneme urýchľovať, celkom sa zmení. Vytvoria sa v ňom iné častice, vzniknú nové objekty. Po jeho nabití energiou, keď odrazu nie je v pokoji, sa v ňom tvoria nové gluóny. Z nich sa tvoria iné kvarky, nie tie základné u (up) a d (down), ale ťažké kvarky c (charm), s (strange), b (bottom) a t (top).
Platí predstava, že mikrosvet zrkadlí makrosvet?
Určite nie. Keby neexistovala kvantová fyzika, neexistuje ani tento svet. Kvantová fyzika zabezpečuje, že sú možné len určité kvantové stavy. Treba si predstaviť, že elementárne častice, protóny alebo jadrá, sú dynamické útvary. Nie je to kompaktný kus niečoho, nejde o zrnko piesku. Kvarky sa v protóne neustále pohybujú a pohromade ich držia gluóny. Keď však máte 100 miliárd protónov, všetky sú absolútne rovnaké.
Keď to poviem metaforicky, je to, akoby ste chceli postaviť budovu. Musíte mať tehly, každá tehla je rovnaká, ale akú budovu dokážete z tých tehál postaviť? No akú chcete. Môže byť vysoká, široká, môže mať rôzne tvary, ale podstatné je, že vždy je tam tá tehla. Svet je zostavený tak, že tu máme základné tehličky – protón, neutrón, elektrón, ešte fotón a bodka. Samotných tehličiek je pomerne málo.
A keď sa od tých základných tehličiek dostanete na úroveň molekúl, zrazu zistíte, že tých molekúl sú milióny a sú rôzne. Organická chémia je obrovská variabilita miliónov molekúl. Z tehličiek dokážete postaviť celý svet, celú biológiu, všetko. Častice sú rovnaké, a zároveň akoby živé, dynamické. Keby sme nemali kvantovo-mechanické stavy, keď sú všetky častice rovnaké, bol by tu totálny chaos.
Na experimente DELPHI sa vám v CERN-e podarilo dokázať, že existujú tri generácie kvarkov a leptónov. Ide o jednu zo základných zákonitostí, na ktorých je postavený systém popisujúci elementárne častice: štandardný model.
To bol tiež zásadný fyzikálny objav. Keď v súčasnosti hovoríme, že máme šesť kvarkov, je to základ štandardného modelu, lebo k tomu máme aj šesť leptónov: elektrón a pozitrón, ktoré reálne existujú, ale potom sú dokázané mión a tauón a ich neutrína.
Sme niekto, kto sa snaží rozšifrovať, ako vyzerá tento svet, a pochopiť, ako funguje. A ten funguje absolútne nezávisle od nás.
No špičkoví svetoví fyzici, ktorých mám možnosť stretnúť a vypočuť si ich referáty na Vedeckom výbore CERN-u, ktorého som súčasťou od začiatku svojho pôsobenia vo Švajčiarsku, najmenej posledných desať rokov opakovane kladú otázku: Čo je za štandardným modelom? My totiž vieme, čo je štandardný model, ktorý nám popisuje to, čo už vieme. Všetci si však myslíme, že je niečo za ním. Už dlho sa za ním črtá teória strún.
Prečo práve táto teória prevláda?
V súčasnosti sa teóriou strún zaoberá vyše tritisíc teoretikov na svete. Ideou je, že častice štandardného modelu sú nejakou konfiguráciou strún. To znamená, že sme ešte neprišli na úplný základ a každá častica je akousi konfiguráciou struny. Iná konfigurácia je pozitrón, iná elektrón, mión, tauón atď.
Problémom je, že teória strún existuje ako idea už 60 rokov a zatiaľ ani jedna častica nebola popísaná týmto spôsobom. To znamená, že na tom pracuje výber tisícky tých najlepších svetových teoretikov a výsledok je, že nemáme ani jedinú časticu štandardného modelu popísanú ako strunu. Nedokázalo sa to.
Pre Quark sa zhovárala Tina Čorná z CVTI SR
Foto archív Branislava Sitára
