Proč jsou i ty „zbytečné“ částice klíčové pro pochopení vesmíru?

Mnozí se ptají, zda skutečně potřebujeme všechny částice, které tvoří Standardní model částicové fyziky. Na první pohled by se mohlo zdát, že pro běžnou viditelnou hmotu ve vesmíru postačí elektrony, kvarky up a down.

Mnozí se ptají, zda skutečně potřebujeme všechny částice, které tvoří Standardní model částicové fyziky. Na první pohled by se mohlo zdát, že pro běžnou viditelnou hmotu ve vesmíru postačí elektrony, kvarky up a down. Tento zjednodušený pohled však opomíjí zásadní aspekty fungování hmoty, jako je soudržnost, energetické změny a stabilita částicových identit.

Atomy například při získávání nebo ztrátě energie emitují fotony, částice světla. Kvarky navíc mohou měnit své „příchutě“ – kvark up se může stát kvarkem down a naopak. Tento proces umožňuje slabá jaderná síla prostřednictvím interakcí s bosony W+, W- a Z. Během těchto slabých jaderných interakcí jsou emitovány neutrina, téměř vždy jako elektronová neutrina. Kromě toho jsou tu gluony, které doslova „lepí“ kvarky k sobě a jsou nositeli silné jaderné síly, umožňující existenci protonů a neutronů. Elektromagnetické interakce přenášené fotony také hrají roli v atomové struktuře. Tyto nosiče sil, doplněné o Higgsův boson, který dává částicím hmotnost, se zásadně liší od „hmotných částic“, protože jsou tak krátkodobé, že je nazýváme virtuálními. Existují jen proto, aby vykonaly specifickou práci, a poté zmizí. Bez nich se však neobejdeme.

Existují ale částice, které se na první pohled zdají být nadbytečné. Příkladem jsou dva „sourozenci“ elektronu, které jsou mu téměř identické, ale mnohem hmotnější: mion je více než 200krát hmotnější než elektron, zatímco tauon (nebo tau lepton) je více než 3400krát hmotnější. Kromě kvarků up a down existují další čtyři typy kvarků: strange a charm, a také top a bottom (známé též jako truth a beauty). Ve všech případech jsou méně běžné částice hmotnější než ty běžnější. Obvykle se obtížněji vytvářejí, jsou prchavější, a proto méně pravděpodobně tvoří stabilní formy hmoty. To vysvětluje, proč většina věcí, na které se rádi díváme – ať už je to obraz nebo hvězda – je tvořena stabilními látkami, které se rychle nerozpadají. Většina těchto částic vzniká pouze při velmi vysokoenergetických srážkách. Například miony se tvoří, když kosmické záření zasáhne zemskou atmosféru.

I přes svou vzácnost a krátkou životnost tyto neobvyklé částice umožňují existenci těch běžnějších. Rodina leptonů funguje matematicky pouze tehdy, když zahrnuje elektrony, miony a tauony spolu s jejich třemi neutrinovými partnery. Všech šest kvarků je nezbytných k vysvětlení přítomnosti kvarků up a down; fungují pouze společně. Studium exotičtějších forem hmoty nám navíc pomáhá získat vhled do největších otázek vůbec. Experiment LHCb (Large Hadron Collider beauty) využívá zkoumání kvarků bottom a charm k pochopení, proč ve vesmíru existuje více hmoty než antihmoty – v podstatě proč existuje něco spíše než nic. Vědci z LHCb také vytvářejí nové kombinace hmoty. Letos v březnu oznámili objev něčeho, co by se dalo nazvat okouzleným protonem: namísto obvyklých dvou kvarků up a jednoho down má dva kvarky charm s jedním down. To ukazuje, že se stále učíme o všech různých způsobech, jak se stavební kameny našeho vesmíru skládají dohromady, a to závisí na pochopení hmoty, kterou na první pohled nepotřebujeme. Je to připomínka, že bychom měli počítat s překvapeními, jak kdysi řekla Octavia Butler o předpovídání budoucnosti.