Svět je samá prázdnota, říká jaderný fyzik, který zkoumá složení hmoty

15. 11. 2021

Jak fungují urychlovače částic a k čemu slouží? O tom vypráví první díl 6. série seriálu NEZkreslená věda. Jeho garantem je Vladimír Wagner z Ústavu jaderné fyziky AV ČR. Zabývá se pokročilými jadernými technologiemi a studiem velmi horké a husté jaderné hmoty. „Moc rád bych se dožil vysvětlení podstaty temné hmoty a temné energie,“ říká v našem rozhovoru.

Největším urychlovačem částic je Velký hadronový urychlovač, který provozuje Evropská organizace pro jaderný výzkum – CERN. Jaké výsledky na něm vás zaujaly?

V poslední době je to rostoucí počet tetra a pentakvarků. Na rozdíl od standardních částic, například protonů a neutronů, které mají tři kvarky, disponují tyto exotické částice čtyřmi a pěti kvarky. Konečně se tak zdá být jejich existence bezrozporně potvrzena. Jejich rostoucí počet nám může přinést klíčové poznatky o silné interakci, která ve zmiňovaných částicích drží kvarky pohromadě, stejně jako protony a neutrony v jádrech. Velký hadronový urychlovač začal pracovat po dvouleté pauze, během které se experti věnovali jeho vylepšování, a má teď vyšší energii a intenzitu svazku. Můžeme se tak těšit na řadu zajímavých výsledků.

Která částice hmoty je ta nejmenší, jíž vědci zatím objevili?

Je třeba rozlišit, jestli máte na mysli rozměr, nebo hmotnost. Pokud jde o rozměr, tak v současné době jsou nejmenšími všechny fundamentální částice standardního modelu částic a interakcí. Jedná se o kvarky a leptony (elektrony, miony, tauony a neutrina) a také částice interakcí, kterými jsou fotony, gluony a bosony W⁺, W^- a Z⁰. Dále Higgsův boson. Neznáme jejich skutečný rozměr. Z experimentů na urychlovačích však víme, že jsou menší než 10^-18 metru. Tato horní mez je dána schopnostmi Velkého hadronového urychlovače. Pokud jde o hmotnost, tak fotony mají klidovou hmotnost rovnou nule.

2021_11_12_ Wagner
Vladimír Wagner z Ústavu jaderné fyziky AV ČR (CC)

Dá se předpokládat, že i fundamentální částice se skládají z ještě menších?

Nelze pochopitelně vyloučit, že i ony jsou složené, ale nemusí to tak být. O tom, která z hypotéz popisuje fyziku za standardním modelem správně a jestli jsou v ní fundamentální částice standardního modelu složené, rozhodnou až budoucí experimenty, třeba na větších následovnících Velkého hadronového urychlovače.

Vypadá to, jako by hmotu, jak se nám jeví, tvořil hlavně prostor mezi částicemi. Dá se říci, že její podstatou je prázdno?

To platí už u atomů, protože atomové jádro je stotisíckrát menší než atom. Jádra jsou složena z protonů a neutronů. Ty jsou složeny ze zmíněných kvarků, které jsou více než tisíckrát menší než proton. Takže svět je opravdu samá „prázdnota“, které se říká vakuum. Toto vakuum je však kvantové, a tím i velice složité a naplněné poli a energií. Ovšem to je na dost dlouhou přednášku.

Vědci spočítali, že každým centimetrem čtverečním našeho těla proletí každou vteřinu 60 miliard neutrin. To je fascinující představa. Jak je to možné?

V tomto případě mluvíte o slunečních neutrinech, která vznikají v termojaderných reakcích v nitru našeho Slunce. Takových reakcí v něm probíhá obrovské množství. Vznikající neutrina pak letí téměř rychlostí světla ven. Země je poměrně blízko, a tak čtverečním centimetrem plochy zde prolétá zmíněné vysoké množství slunečních neutrin. Je však vhodné připomenout, že každým centimetrem našeho těla prolétá za sekundu ještě o pár řádů více reliktních neutrin, která pochází z doby jedné sekundy po vzniku našeho vesmíru a vyplňují každé jeho místo. Ale ty mají extrémně nízkou energii.

Může se stát, že se některé neutrino s tělem srazí?

Zatímco reliktní neutrina s naším tělem neinteragují vůbec, šance pro zachycení slunečního neutrina existuje. Je však extrémně malá. Takže průměrně člověk zachytí zhruba jedno za život. V tomto případě se přemění jedno jádro v našem těle na jiné. Na nás nemá taková přeměna žádný vliv. S větší pravděpodobností může dojít k rozptylu neutrina na elektronu v našem těle. Ale vliv takové události je ještě o mnoho řádů menší.

2021_11_12_urychlovac
Část detekčního systému využívajícího Velký hadronový srážeč

Týkají se průlety neutrin v tomto množství i jakékoli jiné hmoty, třeba olova?

Sluneční i reliktní neutrina prolétají libovolnou hmotou. Pravděpodobnost srážky ovlivňuje hustota jader daného materiálu. Takže olovo má větší pravděpodobnost jejich záchytu. Přesto i olověná deska tloušťky průměru Země intenzitu toku neutrin změní jen zanedbatelně.

Čím se aktuálně v oddělení jaderné spektroskopie v Řeži zabýváte?

S doktorandy dokončujeme a publikujeme studie, které sledují změnu pravděpodobnosti reakcí neutronů s jejich energií. Využíváme zdroj neutronů, který je na našem urychlovači. Umožňuje získávat svazek neutronů s přesně definovanou energií, kterým se ozařují různé vzorky. V reakcích vznikají radioaktivní jádra a měřením záření z jejich rozpadu určíme jejich počet. Tím se zjistí pravděpodobnost dané reakce. Studujeme tak reakce pro různé materiály, které se využívají v pokročilých jaderných technologiích. Jde o reaktory IV. generace, urychlovačem řízené transmutační systémy a fúzní reaktory. V našem oddělení je také řada skupin, které spolupracují na studiu horké a husté hmoty s využitím urychlovačů v laboratořích CERN i GSI Darmstadt. Rovněž spolupracují na měření hmotnosti neutrina a využití aktivační analýzy pro řadu zajímavých aplikací.

Věnujete se mimo jiné možnosti spalovat nukleární odpad. K čemu jste zatím došel?

K tomu by mohly posloužit právě pokročilé jaderné technologie, ve kterých vznikají neutrony i s vysokými energiemi. Ty je možné využít pro spalování transuranů ve vyhořelém palivu. Pracujeme na doplnění znalostí o jejich reakcích s různými materiály.

Na co se chcete zaměřit v budoucnu?

Pokud to půjde, rád bych pokračoval ve výzkumech, které jsem zmiňoval. Jednak na problémech spojených s pokročilými jadernými technologiemi, ale také na výzkumu velmi horké a husté jaderné hmoty při srážkách těžkých jader urychlených na extrémní energii. Chtěl bych se dožít vysvětlení podstaty temné hmoty, temné energie a poznání teorie popisující fyziku za standardním modelem. Také bych byl rád, kdyby se u nás na oddělení opět zkoumaly vzorky z Měsíce a třeba i z Marsu. A pochopitelně se i nadále chci věnovat popularizaci vědy.

Bavila vás práce na NEZkreslené vědě?

Popularizací se zabývám už velmi dlouho. Pokládám to za velmi důležité. Videa NEZkreslené vědy považuji za jednu z nejlepších akcí, kterou Akademie věd realizovala. Jsem moc rád, že jsem se mohl podílet už na třech dílech. Zároveň je každé téma pojato s velkým nadhledem a humorem, takže je práce na něm i fajn zábavou.

Co v rámci popularizace vědy ještě podnikáte?

Před pár měsíci mi vyšlo druhé, doplněné vydání knihy Fukušima I poté, které popisuje příčiny, průběh, a hlavně likvidaci následků havárie v elektrárně Fukušima I. Doplnil jsem vše, co se od prvního vydání do současnosti podařilo při odstraňování dopadů a rekonstrukci zasažených území. Tentokrát je ve formě e-knihy. Zároveň přispívám do internetových médií populárními články, které se zaměřují hlavně na jadernou a částicovou fyziku. Dalšími tématy, které představuji veřejnosti, jsou jaderné technologie na Zemi i ve vesmíru. Rád také přednáším pro studenty i veřejnost.

Na motivy seriálu vznikla také kniha. Psali jsme o ní v článku: NEZkreslená věda vychází v tištěné podobě. Poznání je zábava, říkají autoři

S Vladimírem Wagnerem jsme natáčeli také podcast:

Text: Jan Klika, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Shutterstock; Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR

Text a fotografie označené (CC) jsou uvolněny pod svobodnou licencí Creative Commons.

Svět je samá prázdnota, říká jaderný fyzik, který zkoumá složení hmoty

Přečtěte si také

Newsletter