Subatomárne častice prenikajú našimi telami v každom okamihu po miliardách. Každú sekundu prejde nami asi 100 miliárd neutrín zo Slnka. Kúpeme sa doslova v daždi miónov vytvorených v zemskej atmosfére. Aj bezvýznamné banány emitujú pozitróny, čo sú náprotivky elektrónov ale s pozitívnym nábojom. Pozitrón je antičasticou elektrónu. Existuje obrovské množstvo týchto častíc, no my ich nevnímame, pretože sú pre nás neviditeľné.
Aby sme my ľudia skutočne pochopili hmotu na jej najzákladnejšej úrovni, musíme byť schopní vizualizovať tento skrytý svet. V tom nám pomáhajú detektory častíc. Rozpoznávajú stopy najmenších zložiek vesmíru, vďaka ktorým sú tieto akoby nehmotné zložky skutočné. A čo viac, detektory častíc ich odhaľujú v celej ich kráse. Častice za sebou zanechávajú ladné špirály, ostré čiary či záblesky svetla.
Keď častica prechádza materiálom, interaguje nielen s ním, ale aj s tzv. médiom, ktoré zviditeľňuje jeho pohyb. Toto médium má rôzne formy. Buď je to svetlo, teplo alebo elektrický náboj. V zásade každý detektor častíc, ktorý existuje, funguje na princípe jednej alebo viacerých týchto foriem. Vďaka tomuto médiu nám prevádzajú detektory častíc signály tak, aby ich bolo možné zaznamenávať a analyzovať. A práve obdobné signály pomohli odhaliť fyziku štandardného modelu, vrcholný úspech vedy, ktorá popisuje častice a sily prírody. Tiež budú pravdepodobne kľúčové pri objavovaní fyziky nad rámec štandardného modelu.
Postupom času sa technológie na detekciu častíc výrazne zlepšili. V sérii týchto článkov vám poodhalíme niektoré princípy, na ktorých detektory fungujú a vďaka ktorým sa pre nás neviditeľné stáva viditeľným.
Detekcia častíc prostredníctvom oblaku
Jedným z prvých spôsobov, ako vedci zviditeľnili stopy častíc, boli oblakové komory. Oblaková komora, známa tiež ako Wilsonova oblaková komora, slúži na vizualizáciu prechodu zionizovanej častice. Stopa subatomárnych častíc sa pohybuje smerom hore oblakovou komorou a ohýba sa doľava. Ide o stopu pozitrónu (elektrón by sa otočil doprava).
Oblakové komory, vyvinuté pred viac ako storočím, sú naplnené plynom - často alkoholovou parou na hranici kondenzácie na kvapalinu. Keď nabitá častica prejde komorou, odstráni elektróny zo vzduchu vo vnútri a vytvorí elektrický náboj, ktorý spustí kondenzáciu. Pozdĺž dráhy častice sa potom tvorí jemná čiara ako miniatúrna kondenzácia. Tieto čiary majú charakteristické tvary. Napríklad stopa alfa častíc je hrubá a rovná, zatiaľ čo elektrónová stopa je slabá a poukazuje na väčšie množstvo výchyliek pri samotných zrážkach.
O vynález tohto typu detektora sa zaslúžil Charles Thomson Rees Wilson. Inšpiroval sa prácou Bena Nevisa, ktorý vyvíjal expanzné komory na štúdium tvorby oblakov a optických javov vo vlhkom prostredí. Wilson zistil, že ióny môžu v komorách pôsobiť ako zhluky pre tvorbu kvapiek vody. Pokračoval v uplatňovaní tohto objavu a prvú oblačnú komoru zdokonalil v roku 1911.
Vo Wilsonovej pôvodnej komore bol vzduch vo vnútri utesneného zariadenia nasýtený vodnou parou, potom sa na rozšírenie vzduchu vo vnútri komory používala membrána (adiabatická expanzia), ochladenie vzduchu a kondenzácia vodnej pary. Odtiaľ pochádza aj názov expanzná oblaková komora. Keď ionizujúca častica prechádza komorou, vodná para kondenzuje na výsledných iónoch a stopa častice je viditeľná v oblaku pár. Wilson spolu s Arthurom Comptonom získali za práce s oblakovou komorou Nobelovu cenu za fyziku v roku 1927.
Vedci často obklopujú oblakové komory a iné detektory silným magnetickým poľom, ktoré ohýba dráhy častíc do kriviek alebo špirál. Negatívne nabité častice sa krivia v jednom smere, pozitívne častice idú opačným smerom. Časticu ale charakterizujú aj ďalšie detaily. Napríklad veľkosť zakrivenia poukazuje na hybnosť častice.
Oblakové komory odhalili v 30. rokoch minulého storočia množstvo predtým neznámych častíc vrátane pozitrónu a miónu, ťažkého bratranca elektrónu. Tieto častice boli veľkou neznámou, pretože v tom čase sa fyzici len ťažko zaoberali skutočnosťou, že okrem elektrónov a protónov existujú aj iné častice.
Oblakové komory sú dostatočne jednoduché na to, aby ste si ich mohli vyrobiť doma, s použitím alkoholu a suchého ľadu.
*Bublinové komory boli dôležité v detektoroch častíc v rokoch 1953 používaných až do roku 1970. Princíp ich činnosti spočíval v tom, že nabité častice vystrelené do prehriatej kvapaliny vytvárali pozdĺž trajektórie svojho letu bublinky. Týmto spôsobom bolo možné častice dobre sledovať a bolo možné určiť zaujímavé veci ako napríklad ich elektrický náboj a hmotnosť.
Pokračovanie v článku Ako nám detektory častíc odhalili a stále odhaľujú skryté svety 2/3
Subatomárne častice vidíme v ich interakciách v *bublinových komorách ako vyobrazené oblúčiky či závity. (Obrázok je z roku 1978, zdroj Fermilab.)
Časticová stopa v oblakovej komore na začiatku 30. rokov minulého storočia bola prvým dôkazom pozitrónu, pozitívne nabitej častice s hmotnosťou elektrónu. Dráha je zakrivená v dôsledku magnetického poľa, ktoré obklopuje komoru. (CD Anderson, z archívu Emilio Segre)
Na obrázku z roku 1948 je fyzik Clifford Butler (vpravo). Upravuje prístroje v oblakovej komore určenej na sledovanie častíc kozmického žiarenia. Tieto spŕšky častíc vznikajú, keď častica s vysokou energiou z vesmíru narazí do zemskej atmosféry. (archív Hulton/Getty Images)
