Částicová zoo se rozšiřuje
Na začátku 40. let 20. století se zdálo, že fyzikové začínají rozumět základním částicím a jejich interakcím. Věděli o elektronech, protonech a neutronech, stejně jako o neutrinech a dokonce i o pozitronech, „antičásticích“ elektronů, které ve dvacátých letech předpověděl Paul Dirac. Pochopili, že kromě gravitace a elektromagnetismu existují ještě další síly, silná a slabá jaderná síla, a snažili se je lépe pochopit.
S objevením nečekaných nových částic se však objevily záhady. V roce 1936 objevili fyzikové miony v kosmickém záření pomocí experimentu v mračné komoře. (Název „oblačná komora“ pochází ze skutečnosti, že elektricky nabité částice prolétající vodní párou vytvářejí ve své stopě drobné oblačné stopy). Podobným způsobem objevili v roce 1947 piony.
V témže roce Butler a Rochester oznámili, že objevili částice, které nazvali V+ a V0. Ze souboru „neobvyklých vidlic“ v jejich datech odvodili existenci dvou poměrně hmotných částic, jedné kladně nabité a druhé neutrální, které se rozpadly na jiné částice.
Částice měly řadu zvláštních vlastností. Za prvé byly těžké – asi pětkrát těžší než mion – což vedlo k další záhadě. Obvykle mají těžší částice kratší dobu života, což znamená, že se na Zemi zdrží kratší dobu, než se rozpadnou na jiné, lehčí částice. Ale jak experimenty pokračovaly, vědci zjistili, že navzdory své hmotnosti mají částice relativně dlouhou dobu života.
Další zvláštní vlastnost: Částice bylo snadné vyrobit, ale zdálo se, že fyzikové nikdy nebyli schopni vyrobit jen jednu z nich najednou. Když například srazíte pion a proton k sobě, můžete vytvořit nové částice, ale pouze v párech. Zároveň se mohly rozpadat nezávisle na sobě.
Podivný nový svět
V 50. letech 20. století vymysleli Murray Gell-Mann, Kazuo Nišidžima, Abraham Pais a další způsob, jak vysvětlit některé podivné projevy chování kaonů a dalších nově objevených částic. Myšlenka spočívala v tom, že tyto částice mají vlastnost zvanou „podivnost“. Dnes fyzikové chápou podivnost jako základní kvantové číslo spojené s částicí. Některé částice mají podivnost rovnou nule, ale jiné částice mohou mít podivnost rovnou +1, -1 nebo v podstatě jakékoli jiné celé číslo.
Důležité je, že podivnost musí zůstat konstantní, když částice vznikají působením silných jaderných sil, ale ne když se rozpadají působením slabých jaderných sil.
V uvedeném příkladu, kdy se srazí pion a proton, mají obě tyto částice podivnost rovnou 0. Navíc se tato interakce řídí silnou silou, takže podivnost výsledných částic se také musí rovnat nule. Součástí produktů může být například neutrální kaon, který má podivnost 1, a částice lambda, která má podivnost -1, čímž se podivnost kaonu anuluje.
To vysvětluje, proč se podivné částice vždy objevovaly v párech – podivnost jedné částice se musí anulovat podivností druhé. Skutečnost, že vznikají prostřednictvím silných interakcí, ale rozpadají se prostřednictvím slabých interakcí, které obvykle trvají déle, vysvětlovala relativně dlouhé doby rozpadu.
Tato pozorování vedla k několika dalším zásadním poznatkům, říká Jonathan Rosner, teoretický fyzik z Chicagské univerzity. Když Gell-Mann a jeho kolegové rozvíjeli svou teorii, všimli si, že mohou uspořádat skupiny částic do svazků souvisejících podivností a elektrickým nábojem, což je schéma dnes známé jako Osmičková cesta. Snahy o vysvětlení této organizace vedly k předpovědi základního souboru částic: kvarků.
Dlouhé a krátké
Další důležitý rys teorie podivnosti: Když vědci zjistili, že se podivné kaony mohou rozpadat například na obyčejné piony, předpokládali, že slabá jaderná interakce na rozdíl od silné jaderné interakce nemusí udržovat podivnost konstantní. Toto pozorování odstartovalo řadu teoretických a experimentálních změn, s nimiž se fyzikové potýkají dodnes.
Vycházejíce z teorií, které naznačovaly, že neutrální kaon by měl mít antičástici s opačnou podivností než standardní neutrální kaon, Gell-Mann a Pais usoudili, že neutrální kaon se může prostřednictvím složitých procesů zahrnujících slabé interakce přeměnit na svou vlastní antičástici.
Toto schéma má významný důsledek: Znamená to, že existují dvě nové částice – ve skutečnosti různé kombinace neutrálního kaonu a jeho antičástice – s různými dobami života. K-dlouhý, jak se nyní nazývá, trvá v průměru asi 50 miliardtin sekundy, zatímco K-krátký trvá jen necelou desetinu miliardtiny sekundy, než se rozpadne. Rosner říká, že předpověď těchto částic patřila mezi Gell-Mannovy oblíbené výsledky, protože se snadno vynořily ze základní kvantové fyziky.
Symetrie přírody, svržená z trůnu
Jednou z důležitých věcí u K-dlouhých a K-krátkých částic, alespoň v Gell-Mannově a Paisově teorii, bylo, že dodržovaly něco, čemu se říká CP symetrie. CP symetrie zhruba říká, že kdybychom prohodili každou částici s její antičásticí a převrátili prostor do jakéhosi zrcadlového vesmíru, fyzikální zákony by zůstaly stejné. CP symetrie platí v celé klasické fyzice a byla to právě kvantová varianta CP, která motivovala Gell-Manna a Paise. (Technicky vzato byli Gell-Mann a Pais původně motivováni pouze symetrií C, ale museli svou teorii aktualizovat, jakmile experimenty zjistily, že slabé interakce porušují jak nábojovou, tak paritní symetrii – ale takovým způsobem, že samotná CP se zdála být dobrou symetrií).
Ironií osudu vedl výsledek motivovaný CP symetrií k jejímu pádu: V roce 1964 James Cronin, Val Fitch a jejich spolupracovníci pracující v Brookhavenské národní laboratoři zjistili, že K-dlouhé částice se mohou – velmi vzácně – rozpadnout na dva piony, což je reakce, která porušuje CP symetrii. Rozpady kaonů nakonec skutečně porušovaly CP symetrii.