Už na základní škole se učí, že hmota se skládá z atomů. Ty se dále dělí na nukleony, tedy protony a neutrony tvořící atomární jádro, a elektrony, které okolo jádra obíhají. Elektrony jsou velmi lehké (hmotnost protonu je asi 1800krát větší než elektronu, neutron je ještě o něco těžší), takže je v dalších úvahách klidně můžeme zanedbat.
Kvarky, gluony a co dál?
Každý proton i neutron je složen ze tří kvarků. Pokud by kvarky existovaly samostatně, což je ovšem za normálních okolností zhola nemožné, příspěvek jejich individuálních hmotností k celkové hmotnosti nukleonu by ale činil asi jen jedno procento. A to je překvapivě málo.
Nabízí se tedy otázka: co tvoří těch zbývajících 99 procent hmotnosti? Nebo jinými slovy: co je podstatou běžné hmoty? Odpověď nejen na tyto otázky hledal mezinárodní výzkumný tým pod vedením Stephana Dürra z Institutu Johna von Neumanna v německém Jülichu. Jeho primárním úkolem ale bylo provést teoretický výpočet hmotnosti protonu.
QCD
Podle teorie kvantové chromodynamiky (QCD) je oněch 99 procent hmotnosti uloženo v energii vazby, která kvarky váže k sobě. Této síle fyzici říkají silná jaderná síla. K tomu aby kvarky v protonu (či neutronu) držely pohromadě, je potřeba lepidlo. To v tomto případě představují gluony, virtuální částice, které silnou interakci zprostředkovávají.
Podobně jako jiné virtuální částice gluony neustále vznikají a zanikají, jakoby z ničeho, a to díky kvantovým fluktuacím. Ale jak vidno, jejich „existenci“ nelze při výpočtech hmotností nukleonů opomenout, neboť tvoří podstatnou součást silné vazby.
Mřížková chromodynamika
Díky QCD mají vědci k dispozici základní rovnice popisující silnou jadernou sílu, jenže zabralo celé dekády, než se jim ve výpočtech podařilo dopracovat se k nějakým smysluplným a reálným číslům. Řešení rovnic je ve většině případů, když ne zcela nemožné, tak aspoň velmi obtížné.
Fyzici se ale nutně potřebovali hnout z místa. Naštěstí to netrvalo tak dlouho a po čase spatřila světlo světa nová výpočetní metoda, tzv. mřížková QCD. Ta hladký časoprostor v nukleonu nahrazuje sítí jednotlivých izolovaných bodů, což umožňuje aspoň přibližnou simulaci problému na počítačích.
Virtuální kvarky nelze zanedbat
S virtuálními gluony vědci sice při kalkulacích hmotností nukleonů běžně počítali, avšak stále opomíjeli jiné důležité složky vakua, a sice virtuální páry kvarků a antikvarků. I ty se, stejně jako gluony a ostatní virtuální částice, ustavičně vynořují z kvantového vakua, aby vzápětí opět mizely v nicotě. Jejich vliv celou věc ještě víc komplikuje, proton (a neutron samozřejmě také) už vůbec není tou jednoduchou částicí složenou ze tří kvarků jako na začátku našich úvah, ale složitý propletenec všech možných stavů, které je nutné do výpočtů zahrnout.
Uvedeným problémem se zabývalo a stále zabývá několik výzkumných skupin po celém světě. Například tým vedený Christinou Daviesovou z univerzity Glasgow před pěti lety dokázal vypočítat hmotnost mezonu Bc, jenže jejich situace byla přece jen o poznání jednodušší, neboť mezony se skládají jen ze dvou kvarků (přesněji z kvarku a antikvarku).
10 tisíc trilionů
Dürrova skupina se potýkala s mnohem složitějším úkolem, neboť výpočty s vitruálními kvarky představují práci s více než 10 000 triliony čísel. „Na Zemi neexistuje počítač, který by byl schopen pojmout do své paměti tak obrovské množství dat,“ poznamenal před časem Stephan Dürr na serveru časopisu New Scientist. Proto vědci museli k výpočtu použít hned celou počítačovou (paralelní) síť o výkonu 200 Teraflopů.
Nakonec bylo jejich úsilí korunováno zaslouženým úspěchem – jimi vypočtená hmotnost protonu se od experimentálně zjištěných hodnot liší o pouhá 2 procenta! To znamená skutečně velký skok kupředu, neboť předchozí pokusy pracovaly s 10procentní chybou.
Teď už stačí jen do výpočtů zahrnout účinky tzv. Higgsovo pole a teoretičtí fyzici budou mít, aspoň pokud jde o hmotnosti nukleonů, vystaráno. Jenže tak snadné to jistě nebude, fyziky čeká ještě spousta tvrdé práce. Cesta k poznání nikdy nekončí.
Dürrův tým ale svým počinem zas jednou potvrdil správnost koncepce založené na starém dobrém standardním modelu, jehož nedílnou součástí kvantová chromodynamika je.
Podstatou hmoty jsou kvantové fluktuace
Jak se ukázalo, do výpočtů hmotností nukleonů je třeba zahrnout i virtuální částice, a to nejen gluony, ale i virtuální kvarky. Andreas Kronfeld z amerického Fermilabu hodnotí přínos práce Dürrova týmu slovy: „Protože jejich přesné výpočty souhlasí s výsledky laboratorních pokusů, nyní už víme, spíš než jen věříme, že původ hmotnosti obyčejné hmoty je v QCD.”
Poukazuje přitom na významný fakt, že „i kdyby hmotnosti kvarků z výpočtů úplně zmizely, hmotnosti nukleonů by se příliš nezměnily.” To je podle něj jasný důkaz toho, že za existenci hmoty vděčíme především kvantovým fluktuacím vakua.
Zdroje: cordis.europa.eu, www.sciencemag.com, www.newscientist.com
