V pondělí 2. prosince 2024 tomu bylo přesně 50 let ode dne, kdy se v jednom čísle časopisu Physical Review Letters (Volume 33, Number 23) hned za sebou objevily tři články, které oznamovaly objev, jenž zásadním způsobem ovlivnil další vývoj našeho chápání zákonů mikrosvěta.
Šlo o články:
- Experimental Observation of a Heavy Particle J,
- Discovery of a Narrow Resonance in e+e- Annihilation,
- Preliminary Result of Frascati on the Nature of a New 3.1-GeV Particle Produced in e+e- Annihilation
První došel do redakce 12. listopadu 1974, druhý den nato a třetí 18. listopadu. K té časové posloupnosti se ještě vrátím.
Tím objevem byl experimentální důkaz existence nestabilní částice se spinem 1 a hmotností 3,1 GeV, tedy více než třikrát větší, než je hmotnost protonu, která se dnes nazývá J/psí. Tento neobvyklý název odráží skutečnost, že částice byla objevena současně ve dvou různých experimentech.
V prvním článku je popsán způsob, jak byla tato částice objevena ve srážkách svazku protonů s jádry beryllia na urychlovači AGS v Brookhavenu v USA. Tým vedený Samuelem Tingem částici identifikoval v jejich rozpadech na pár elektronu a pozitronu. V druhém článku tým vedený Burtonem Richterem tuto částici identifikoval naopak ve srážkách elektronů s pozitrony na urychlovači SPEAR v laboratoři SLAC v Kalifornii. V tomto případě se částice projevila jako rezonance v energetické závislosti totálního účinného průřezu. Tingovi se líbilo písmeno J a Richterovi psí, které připomínalo, jak vypadaly srážky v detektoru.
Objev této částice byl překvapením, ale netrvalo dlouho, než se ukázalo, že její vlastnosti velmi dobře odpovídají vlastnostem vázaného stavu čtvrtého kvarku, kterému se začalo říkat „charm“ a jeho antikvarku. Ten sice byl jednou z možností, jak rozšířit tehdy již dobře etablovaný kvarkový model hadronů, ale nikdo neočekával, že bude objeven právě v takových procesech.
Samuel Ting a Burton Richter dostali za objev částice J/psí Nobelovu cenu za fyziku hned v roce 1976.
Cestu k formulaci kvarkového modelu, a od nich ke kvantové chromodynamice, jsem u příležitosti jeho 50letého výročí popsal ve dvou článcích:
- Jak byly objeveny kvarky, Poznámky k 50. výročí formulace kvarkového modelu, 1. část, Čs. čas. fyz. 64 (2014) 185,
- Jak byly objeveny kvarky, Poznámky k 50. výročí formulace kvarkového modelu, 2. část, Čs. čas. fyz. 64 (2014) 240.
V nich lze nalézt informace o tom, co vedlo Gell-Manna a Zweiga k hypotéze existence kvarků a jak zásadně se jejich cesty k tomuto pojmu i jeho interpretace lišily.
Zásadní význam objevu částice J/psí a její interpretace jako vázaného stavu čtvrtého kvarku a jeho antikvarku spočíval v tom, že poskytl přesvědčivý důkaz, že mezi kvarky a leptony existuje symetrie.
Do listopadu 1974 byly známy 4 leptony (elektron a elektronové neutrino a mion a mionové neutrino) a tři kvarky (u, d, s), z nichž každý existoval ve třech mutacích nazývaných „barvy“. Čtvrtý „půvabný“ kvark, označovaný jako kvark c, je v kvarkovém modelu partnerem kvarku s, podobně jako kvark u je partnerem kvarku d. Kvarky (u, d) a elektron a jeho neutrino tvoří jednu tzv. generaci fundamentálních fermionů a kvarky (c, s) a mion a mionové neutrino druhou generaci. Všechny tyto částice mají stejný spin ½. Cesta k hledání experimentální evidence pro symetrii mezi kvarky a leptony nebyla jednoduchá a trvala 10 let.
Symetrie mezi kvarky a leptony existuje i v dnešním standardním modelu, v němž přibyla ještě třetí generace kvarků (t, b) a leptonů (tauon a tauonové neutrino). Symetrie mezi kvarky a leptony vyřešila několik teoretických problémů a je i startovním předpokladem v některých snahách rozšířit standardní model o nové síly a částice.
A nyní k té třetí práci, která přišla do redakce časopisu Physical Review Letters o šest dní později. Mezi skupinami Tinga a Richtera existovala značná rivalita, ač zkoumali zcela jiné procesy, a existuje svědectví o tom, jak se vzájemně sledovaly. Existují i nepotvrzené informace, která z těchto skupin viděla evidenci pro novou částici první, ale skutečnost je taková, že oba články dorazily do redakce v rozmezí několika hodin.
Skupina pracující v laboratoři v italském Frascati na urychlovači ADONE, který byl velmi podobný urychlovači SPEAR v SLAC, měla vysloveně smůlu. Urychlovač ADONE byl projektován na maximální energii srážky 3 GeV a protože částice J/psí je nestabilní a má hmotnost 3,1 GeV s velmi malou neurčitostí, skupina ve Frascati ji nemohla detegovat. Jakmile se ale o jejím objevu doslechla, nepatrně zvýšila energii srážek a částici J/psí okamžitě detegovala také.
Autor: Jiří Chýla
Příspěvky z rubriky Blogy a komentáře nijak nevyjadřují názory a postoje redakce.
