Pojednání o elementárních částicích, jejich vlastnostech, detekci a urychlování

Studiem atomu bylo zjištěno, že je tvořen elektrony, protony a neutrony, částicemi, které v době jejich objevu byly považovány za materiální objekty dále nedělitelné. Jsou to tedy první známé základní, tzv. elementární částice. Podle současných představ chápeme elementární částice jako částice, které nemůžeme považovat za soustavy složené z jiných, jednodušších, samostatně existujících částic. Např. neutron považujeme za elementární částici, i když se rozpadá na proton, elektron a antineutrino, protože nemůžeme tvrdit, že by se z těchto částic skládal. Naopak např. deuteron není elementární částicí, poněvadž je to soustava dvou samostatných částic – protonu a neutronu.

V současné době již známe poměrně velký počet elementárních částic. Takové částice jsou charakterizovány určitou hodnotou klidové hmotnosti a mohou být buď neutrální, nebo elektricky nabité (kladně i záporně). Absolutní hodnota elektrického náboje všech nabitých částic je však stejná.

K charakteristice elementárních částic patří vedle elektrického náboje i jiné druhy „nábojů“. Lehkým částicím, mezi něž patří neutrino, elektrony a μ-mezony (miony), přisuzujeme leptonový náboj. Protony, neutrony a ještě těží hyperony jsou charakterizovány baryonovým nábojem. π-mezony (piony), K-mezony (kaony) a jiné těžké částice mají leptonový i baryonový náboj rovný nule.

Mezi typické zvláštnosti elementárních částic patří možnost jejich vzniku, zániku i vzájemných přeměn v důsledku interakcí. Změní-li se například charakter pohybu elektronu v atomu nebo nukleonů v jádře, dochází ke vzniku fotonů. Při srážkách nukleonů o vysoké energii vznikají piony. Zmíněná přeměna neutronu v proton je doprovázena vyzářením elektronu a antineutrina. Naopak může dojít i k přeměně protonu, který je součástí atomového jádra, v neutron za současného vzniku neutrina a pozitronu. Neutrální pion se rozpadá na dva fotony, produktem rozpadu nabitého pionu je neutrino a mion, fotony se mohou v poli jádra přeměnit v elektron a pozitron apod.

Objevení skutečnosti, že může docházet ke vzniku, zániku i vzájemným přeměnám elementárních částic (v souladu se zákony zachování energie, elektrického náboje i některých dalších zákonů zachování), se stalo jedním z nejzásadnějších úspěchů vědy na cestě k poznání objektivních vlastností světa, jenž nás obklopuje, i vzájemných souvislostí mezi různými přírodními jevy. V souvislosti s tím se pojmy „elementárnosti“ a vzájemné „izolovanosti“ různých druhů částic stávají čím dál tím méně určitými. Podle současných představ mohou být částice jednoho typu nositeli interakce mezi částicemi jiného typu. Například jaderné reakce mezi nukleony jsou zprostředkovány nabitými i neutrálními piony. Názorně řečeno jako by protony i neutrony byly obaleny mezonovým oblakem, který zajišťuje přenos interakce mezi nimi. Tento mezonový oblak je neoddělitelnou součástí struktury protonů a neutronů a v mnohém spoluurčuje jejich vlastnosti. Naproti tomu také protony a neutrony svým způsobem určují řadu vlastností pionů. Pojem izolované částice daného typu tak ztrácí smysl a představa volného pohybu částice může být jen hrubou idealizací skutečnosti.

Při procesech, v nichž dochází k interakci mezi částicemi s velkou energií, ztrácí smysl představa o neproměnném počtu částic. Při průchodu rychlých elektronů polem jádra např. dochází k tvoření fotonů, fotony v poli jader vytvářejí elektron-pozitronové páry, které opět mohou vytvářet fotony atd. Takový lavinový vzrůst počtu částic je možné skutečně pozorovat při dopadu primárních částic kosmického záření do zemské atmosféry.

Fyzika elementárních částic se snaží uspořádat částice objevené převážně při složitých experimentech s urychlovači do systému, v němž jsou elementární částice klasifikovány podle určitých hledisek a vzájemných vztahů mezi sebou. Mezi částicemi platí určité symetrie, z nichž nejvíce patrná je symetrie mezi částicemi a antičásticemi. Jde o částice stejného druhu, které se liší opačným nábojem (elektron-pozitron, proton-antiproton, neutrino-antineutrino aj.). Existují také antičástice elektricky neutrálních částic, ty se navzájem liší spinem.

Elementární částice můžeme třídit podle vzájemného působení. Částice, které mezi sebou působí silnými (jadernými) silami nazýváme hadrony. Tato skupina elementárních částic se dále dělí na středně těžké částice mezony a těžké částice zvané baryony. K nim patří především proton a neutron a skupina ještě těžších částic zvaných hyperony. Částice, které se účastní tzv. slabé interakce, jsou leptony (např. elektron, neutrino ad.). Za elementární částice považujeme také fotony γ.

Částice, jejichž spin je vyjádřen násobkem hodnoty 1/2 patří mezi tzv. fermiony, pro které platí Pauliho vylučovací princip. Částice s celočíselným spinem rovným 0, 1, 2 atd. jsou tzv. bosony a nepodřizují se vylučovacímu principu.

Mezi leptony patří vedle neutrina a elektronu také částice zvané miony μ. Jsou to částice s nábojem kladným (μ⁺) nebo záporným (μ^-). Miony byly objeveny již v roce 1937 v kosmickém záření. Jsou nestabilní s velmi krátkou dobou života (2,2.10^-6 s) a rozpadají se na pozitron, popř. na elektron za současného vzniku neutrin.

Další skupinu elementárních částic tvoří mezony. Do této skupiny patří např. piony (π-mezony), které mohou mít náboj kladný (π⁺), záporný (π ^-), nebo mohou být bez náboje (π⁰). Jejich hmotnost se pohybuje mezi hmotností protonu a elektronu a spin je nulový. Piony jsou rovněž nestabilní a při jejich rozpadu vznikají buď miony nebo záření γ. V teorii jaderných sil se jim připisuje důležitá úloha při vzájemné interakci částic v jádře atomu. V kosmickém záření vznikají piony při srážkách jader atomů plynů v atmosféře s rychlými protony a částicemi α.

Fyzika elementárních částic se zaměřuje zejména na studium jejich vnitřní struktury. U leptonů se dosud nepodařilo takovou strukturu objevit. Naopak u hadronů se předpokládá, že jsou složeny z tzv. kvarků, které jsou v částicích v různých kvantových stavech a uplatňuje se zde Pauliho vylučovací princip. Předpokládá se existence šesti různých kvarků, pro jejichž vlastnosti byl zaveden pojem vůně kvarku (dolní (D), horní (U), podivný (S), půvabný (C). krásný (B) a vrchní (T)). Pro označení kvantového stavu kvarku byl zaveden pojem barva kvarku (červená, modrá, žlutá). S ohledem na tuto v podstatě fyzikální recesi se také celá teorie vazeb mezi kvarky nazývá chromodynamika (z řeckého „chromos“ = barva).

Podle kvarkové hypotézy jsou mezony tvořeny dvojicí kvarku a antikvarku a strukturu baryonů tvoří tři kvarky. Silné vzájemné působení mezi hadrony je objasňováno vzájemným působením mezi kvarky, které zprostředkují hypotetické částice zvané gluony. Dodejme ještě, že kvarky jsou nosiči „zlomkového“ elektrického náboje, a to 1/3e a –2/3e.

Základními vlastnostmi základních částic jsou hmotnost, elektrický náboj, spin a magnetický moment, další důležité vlastnosti charakterizujeme tzv. leptonovým a baryonovým kvantovým číslem, podivností, izospinem a paritou.

Podle teorie relativity je nutné důsledně rozlišovat klidovou hmotnost a hmotnost za pohybu. U základních částic je tento požadavek zvlášť odůvodněný, protože se mohou pohybovat i rychlostmi blízkými rychlosti světla. Foton a hypotetický graviton (částice zprostředkovávající gravitační interakci) se takto rychle pohybují, proto se jejich klidová hmotnost musí rovnat nule. Na druhou stranu právě tato vlastnost způsobuje, že elektromagnetické a gravitační pole jsou „dalekodosahová“ (rozprostírají se do nekonečna), zatímco silová pole např. v jádrech atomů, která jsou realizována částicemi s poměrně vysokou hmotností (π-mezony), jsou extrémně krátkodosahová (dosah sil je v důsledku Heisenbergových relací neurčitosti nepřímo úměrný hmotnosti částic, které je přenášejí).

Zajímavým a doposud nevyřešeným problémem je hmotnostní spektrum základních částic. Na zdánlivě jednoduchou otázku, proč se v přírodě vyskytují jen částice s přesně určenou hmotností (a ne např. částice se spojitým spektrem hmotností) nemáme zatím uspokojivou odpověď. Určitou naději slibuje již zmíněná představa kvarků. Jestliže se spekulativně navrhne potenciál sil, který působí mezi kvarky a řeší se potom Schrödingerova rovnice, dostaneme řešení s diskrétním hmotnostním spektrem, která dost dobře vyhovují pozorovanému spektru elementárních částic (absolutně přesné výpočty v takto malém prostoru již však nejsou možné z důvodu nelineárních efektů nastávajících v prostorových elementech menších než 10^-22-10^-26m). Zajímavostí je, že tyto síly by měly mít principiálně odlišné vlastnosti od doposud známých sil: měly by být tím větší, čím jsou kvarky od sebe více vzdáleny a nulové, jsou-li v těsné blízkosti. Tím by se současně zdůvodnilo, proč individuální kvarky nebyly doposud pozorovány.

Částice mohou být kladně nabité, záporně nabité a nebo bez elektrického náboje. Pokud jsou nabité, vždy přenášejí elementární kvantum náboje (±e=1,60217733.10^-19 C), resp. zlomkový náboj (+1/3e, -2/3e) – viz. kvarky.

Nesouhlas teoretických výpočtů s experimentálními pozorováními týkajícími se spekter záření vysílaného atomy a změn spekter v magnetickém poli vysvětlili Samuel GOUDSMIT a George UHLENBECK zavedením vlastního mechanického momentu elektronu – spinu. Na základě porovnání teorie s experimentem bylo zjištěno, že spin elektronu má velikost určenou vztahem b_s=[s(s+1)]^1/2.ћ (v.1), kde s je spinové kvantové číslo, a že je kvantován v násobcích ћ (úhlový typ Planckovy konstanty ћ=h/2π). Při působení vnějších sil (např. magnetického pole) může mít spin (podle v.1) jen dvě hodnoty svého průmětu do směru pole (obr. 1) (b_s)_1,2=±½.(h/2π)=±ћ/2 (v.2). Goudsmit a Uhlenbeck spojovali tento moment s vlastní rotací elektronu kolem své osy (analogicky s rotací Země kolem své osy). Použitím známých klasických vztahů však lehce zjistíme, že látka elektronu na jeho rovníku by se musela pohybovat rychleji než světlo, což je samozřejmě v rozporu s teorií relativity. Z těchto příčin považujeme spin elektronu (a ostatních elementárních částice) za jejich primární vlastnost, nazývanou také někdy vlastní moment hybnosti, kterou nemůžeme redukovat na známé mechanické jevy. V Diracově teorii elektronu vyplývá tato vlastnost z relativistické Schrödingerovy rovnice. Spin základních částic je důležitý i z hlediska statistiky, kterou se příslušné částice řídí. U většiny částic má hodnotu 0, 1/2, 1, a jen výjimečně jinou (např. u hyperonu Ω 3/2).

Z názorné, ale velmi přibližné představy o spinu bychom mohli dedukovat i další důležitou vlastnost elektronu a základních částic: vlastní magnetický moment. Rotující elektron nesoucí na svém povrchu elektrický náboj totiž představuje uzavřený elektrický obvod a ten je ekvivalentní magnetickému momentu. I v tomto případě však vznikají vážné interpretační obtíže. Je např. známo, že neutron nemá elektrický náboj, avšak jeho magnetický moment se nule nerovná. Je sice možné vysvětlit tuto anomálii na základě představy, že neutron obsahuje v sobě dvě částice: kladný proton a záporný elektron a že magnetický moment neutronu je výslednicí magnetických momentů těchto dvou částic. Kdyby tomu však tak skutečně bylo, nepovažovali bychom neutron za elementární částici. I v případě magnetického momentu se nám proto jeví rozumnější považovat ho za primární vlastnost základních částic. Magnetický moment elementárních částic m souvisí se spinem podle vztahu m=e.b_s/m_č (v.3), kde e je elektrický náboj a m_č hmotnost částice. Podobně jako spin i magnetický moment má ve vnějším poli dvě možné orientace se složkami m_1,2=e.(±ћ/2)/m_č=±eћ/2m_č (v.4). Uvedené kvantum magnetického momentu se nazývá Bohrův magneton.

Elementární částice, jak již bylo zmíněno v úvodu, se mohou rozpadat, resp. navzájem interagovat. Ukazuje se přitom, že některé procesy probíhají bez těžkostí, jiné, které by z hlediska našich představ měly být stejně pravděpodobné, se vůbec nevyskytují. To vedlo k zavedení dalších charakteristik základních částic, které mají tu vlastnost, že se jejich hodnoty při určitých reálných procesech zachovávají. Leptonové číslo L (v úvodu jsme o něm mluvili jako o leptonovém náboji) má hodnotu 1 pro elektron a elektronové neutrino, L = -1 pro jejich antičástice, L = 0 pro ostatní částice, leptonové číslo M má hodnotu 1 pro μ-mezon a mionové neutrino, M = -1 pro jejich antičástice a M = 0 pro ostatní částice. Baryonové číslo (baryonový náboj) B = 1 patří všem baryonům, B = -1 antibaryonům a B = 0 ostatním částicím. Zákon zachování těchto čísel vysvětluje např. proč je volný neutron nestabilní (může se přeměňovat na proton, elektron a antineutrino, protože se přitom zachovává leptonové i baryonové číslo) a proč je naopak volný proton stabilní. Neznáme baryon s menší hmotností než proton, proto při rozpadu protonu by se nemohlo zachovat baryonové číslo.

Z podobných příčin se zavádějí ještě další charakteristiky: podivnost S a izospin I. Jejich hodnoty se rovněž musí zachovávat, avšak – a tím se liší od čísel L, M a B – ne při všech procesech. Podivnost S se zachovává jen při tzv. silných interakcích, zatímco při tzv. slabých interakcí se zachovávat nemusí. Slabá interakce se odlišuje od silné tím, že se při ní zúčastňují relativně slabé síly podmíněné hlavně neutriny (např. radioaktivní β-rozpad), zatímco v druhém případě se objevují velké jaderné síly podmíněné mezony. Poměr velikostí těchto sil je přibližně 1:10¹⁵. I to naznačuje, že při silných interakcích dochází k uvolnění podstatně větších energií, než při interakcích slabých.

Další zajímavou vlastností základních částic, kterou ještě uvedeme, je tzv. parita. Stručně řečeno, parita vyjadřuje symetrii přírody vzhledem k záměně prostorových souřadnic x za –x, y za –y a z za –z (pravotočivý souřadnicový systém se mění v levotočivý: prostorová parita P), vzhledem k inverzi času (t za –t: časová parita T) a vzhledem k elektrickému náboji (+e za –e: nábojová parita C). Považovalo se za samozřejmé, že při všech v přírodě probíhajících procesech se tyto parity zachovávají, např. se stejnou pravděpodobností se v přírodě vyskytuje „pravé“ a „levé“, obrácení toku času vede k procesům, které rovněž mohou nastat, a jestliže existuje látka, stejně může existovat i antilátka, ve které jsou částice nahrazeny antičásticemi. Ke všeobecnému překvapení se zjistilo, že uvedené dílčí parity se nemusí vždy zachovávat. Ukázalo se např., že neutrina existují vždy jen jako „pravotočivá“ a antineutrina jako „levotočivá“ s ohledem na svůj spin (obr. 2), proto při procesech, ve kterých vznikají jen neutrina, resp. antineutrina (např. při β-rozpadu), není zachována prostorová parita. Podobně se našly případy na porušení časové parity. Usuzuje se, že „součin“ všech tří parit se vždy zachovává, což značí, že jakmile se poruší prostorová parita, současně je narušena např. i parita časová.

Na závěr pojednání o vlastnostech elementárních částic by bylo vhodné zmínit ještě jednu, nesmírně důležitou vlastnost, tzv. „dobu života“. Je to čas, za který se daná částice rozpadne, čili přemění na částice jiné. Praktický význam má ale pouze pojem střední doba života.

Objev fotonu se spojuje se jmény Maxe PLANCKA a Alberta EINSTEINA, objev elektronu můžeme ztotožnit s objevem tzv. katodových paprsků tehdy ještě neznámé povahy HITTFORTEM roku 1869. V roce 1930 vypracoval Paul DIRAC kvantově-mechanickou teorii elektronu, ze které vyplynuly dva důležité poznatky: 1) Při hmotnosti 9,1.10^-31 kg a elektrickém náboji e má mít částice spin určený vztahem (v. 1), resp. (v. 2), a magnetický moment určený vztahem (v. 3). 2) Celková energie elektronu v relativistickém tvaru je určena Einsteinovým vztahem W=±(m_o²c⁴+p²c²)^1/2≤±mc² (v.5) (p značí pohyb částice; obě znaménka jsou rovnocenná). Jak však interpretovat energii se znaménkem (-)? Na obr. 3 je situace znázorněna graficky. Elektron může nabývat všech energií nad hladinou W₁=+m_oc² a pod hladinou W₁’=-m_oc², přičemž energetická mezera ΔW=2m_oc² obsahuje z důvodu teorie relativity zakázané stavy. Fyzikálně nic nebrání tomu, aby elektrony z horních dovolených stavů přecházely po emisi kvanta hf≥2m_oc² do dolních dovolených stavů a postupně zmenšovaly svou energii až do -∞. To by však znamenalo, že všechny elektrony by v krátkém čase přešly do stavů se zápornou energií.

Jelikož tento jev nepozorujeme (resp. kdyby platil, neexistoval by nikdo, kdo by ho mohl pozorovat), vyslovil Dirac hypotézu, že všechny stavy se zápornou energií jsou již obsazeny. Předpokládejme, že v určitém okamžiku je všech N stavů se zápornými energiemi obsazeno elektrony. Jejich elektrický náboj je tedy Q=-Ne. Jestliže jeden z nich po absorpci energie 2m_oc² přeneseme do oblasti kladných energií, zůstane ve stavech se zápornou energií elektrický náboj Q’=-Ne-(-e)=Q+e. Tento výsledek můžeme interpretovat tak, že po úniku elektronu ze záporných stavů do kladných přibude v oblasti záporných stavů částice s kladným nábojem a stejně velkou hmotností. Dirac ji nazval pozitron. Roku 1932 byl pozitron v kosmickém záření Andersonem skutečně objeven. (Ukázalo se však, že Diracova teorie není prosta řady principiálních nedostatků. Ačkoli popisovala vznik částicového páru v termínech přechodu jednoho elektronu z jednoho stavu do jiného, musela současně pro vysvětlení experimentu zavést nekonečný počet částic ve stavech se zápornou energií. Pokus uměle zachovat představu o jediné neměnné částici přecházející z jednoho stavu do druhého byl tedy nevyhnutelně spojen s pojmy, jež nemají fyzikální význam: stavy se zápornou energií a „neměřitelné pozadí“ s nekonečnou hustotou elektronů. Potíže Diracovy jednočásticové teorie překonala současná kvantová teorie pole, která umožňuje zkoumání systémů s proměnným počtem částic metodami druhého kvantování. Tato teorie mnohem dokonaleji postihuje přírodní jevy.)

Podle Diracovy interpretace se musí při interakci elektronu s pozitronem uvolnit energie W≥2m_oc², resp. naopak, absorpcí záření s energií kvanta W≥2m_oc² (tzv. gama kvanta) se může generovat pár elektron-pozitron. Oba uvedené procesy, tzv. anihilace páru elektron-pozitron a „materializace“ fotonu byly skutečně experimentálně pozorovány.

Pozitron tvoří tzv. antičástici elektronu a jelikož analogické úvahy platí pro všechny částice, musí mít každá z nich svou antičástici. To se skutečně potvrdilo. V případě fotonu (resp. i gravitonu) však neexistuje žádná energetická mezera, protože jeho klidová hmotnost je 0, proto je foton (resp. graviton) sám sobě antičásticí.

Kromě elektronu a fotonu jsou nejznámějšími částicemi proton a neutron. Proton se od začátku ztotožňoval s jádrem nejlehčího prvku – vodíku, zatímco neutron byl objeven při ozařování berylia částicemi alfa CHADWICKEM roku 1932. Je to elektricky neutrální částice s hmotností přibližně rovnou hmotnosti protonu, ale na rozdíl od něho je nestabilní – po 917 sekundách se rozpadá na proton, elektron a antineutrino.

V roce 1934 vypracoval FERMI teorii β-rozpadu založenou na hypotéze, že je tento proces doprovázen emisí neutrálních částic s nulovou klidovou hmotností. Ze zákona zachování momentu hybnosti při β-rozpadu vyplynulo, že tyto částice musí mít spin 1/2. Úspěchy teorie β-rozpadu a experimentální poznatky o zpětném rázu jader při něm a o přímém vlivu na nukleony prokázaly reálnou existenci takové částice, která dostala název neutrino. V 90. letech se sice po velkých sporech prokázalo, že tato částice nemá nulovou klidovou hmotnost, ale hmotnost přibližně 2500x menší než je hmotnost elektronu (pro elektronové neutrino), to však nic neubírá na velkých úspěších, kterých teoretická fyzika první poloviny 20. století dosáhla. Neutrino je elementární částice, jejíž experimentální pozorování je obtížné, protože díky své extrémně nízké hmotnosti skoro vůbec neinteraguje s látkou. Většina z nich proletí zeměkoulí bez povšimnutí, ale citlivým detektorům, umístěným velmi hluboko pod povrchem Země, se jich podaří pár objevit. Tyto neutrinové detektory jsou vlastně obrovské nádrže naplněné vodou (nebo i jinou látkou), kde soustava detektorů citlivých na světlo zaznamenává záblesky světla, které vznikají, když neutrino vletí do nádrže a reaguje s protony v molekulách vody.

Významnou skupinou základních částic jsou mezony. Jejich prvý zástupce, π-mezon (pion), byl podobně jako pozitron nejprve teoreticky předpovězen japonským fyzikem YUKAWOU a později experimentálně potvrzen POWELLEM. Může být kladný, záporný i neutrální a tvoří, jak již bylo zmíněno, vlastně „foton“ jaderných sil. Smysl existence π-mezonu je tedy právě tak zřetelný, jako smysl existence elektronů, protonů a neutronů, avšak smysl existence „kolegů“, o něco lehčích μ-mezonů (mionů) je doposud záhadou. Mohou být jen kladné nebo záporné a vzhledem k jejich malé hmotnosti je zařazujeme mezi leptony.

Nejtěžší známé základní částice tvoří skupinu tzv. hyperonů. Zatím jsou známy pouze čtyři druhy těchto rovněž dosti záhadných částic, které mají i některé podivuhodné vlastnosti (např. spin 3/2).

Velkou skupinu elementárních částic, o které nepadlo ještě ani slovo, jsou tzv. rezonance. Tyto částice však existují jen tak krátkou dobu (10^-22 s až 10^-24 s), že je nelze vůbec zachytit a poznatky o nich získáváme jen podle účinků na jiné částice.

Elementární, ale i jaderné částice (např. částice α) nemůžeme smysly přímo vnímat. Proto bylo nutné nejen pro studium těchto částic, ale i pro systém ochrany před radioaktivním zářením vyvinout vhodné detektory jaderného záření. Většina z nich je založena na jeho ionizujícím účinku.

Geigerův-Műllerův počítač (GM počítač, obr. 4) je trubice naplněná plynem o nízkém tlaku, v níž je válcová katoda a anoda v podobě drátu procházejícího středem trubice. Elektrickým napětím okolo 1kV se mezi elektrodami udržuje elektrické pole o velké intenzitě.

Částice jaderného záření, která trubicí proletí, způsobí ionizaci několika molekul plynu. Tím vznikají v trubici volné elektrony, které jsou urychlovány elektrickým polem. Získávají tak značnou energii a ionizují další molekuly plynu. Vzniká proudový impuls, který projde obvodem počítače a po elektronickém zesílení je registrován akusticky nebo čítačem. Podle četnosti impulsů lze usuzovat na aktivitu zkoumaného vzorku.

Pro určování energie a hybnosti částic jaderného záření je třeba znát trajektorii, po níž se částice v určitém prostředí pohybuje. K záznamu těchto trajektorií se používají jaderné fotografické emulze. Částice s velkou energií při svém pohybu v emulzi působí na atomy emulze v okolí trajektorie a po vyvolání se v emulzi objevuje stopa pohybu částice. Fotografické emulze jsou také součástí tzv. osobních dozimetrů, kterými jsou vybaveni pracovníci přicházející do styku s radioaktivními materiály. Dozimetr obsahuje film, který se po určité době vyvolá a podle zčernání emulze se určuje celková dávka záření, kterou pracovník obdržel.

K nejstarším prostředkům pro sledování trajektorie částic patří mlžná komora. Je to válcová nádoba, v níž se pomocí expanze nebo difúze uvede do nasyceného stavu pára vhodné kapaliny (voda, ethanol, …). Jestliže tímto prostředím prolétne částice, ionizuje molekuly páry a ionty se stávají kondenzačními jádry. Na nich se vytvářejí mikroskopické kapičky, které vyznačují trajektorii částice.

Nověji se konstruují bublinkové komory, v nichž se kapalina (např. kapalný vodík) uvádí do přehřátého stavu. Trajektorii částice v této komoře vyznačují bublinky páry, které vznikají nepatrným snížením tlaku při průchodu částice.

Studium základních částic vyžaduje, abychom měli k dispozici částice s velkou energií. V přírodě představuje proud částic s vysokou energií kosmické záření a jeho zkoumání vedlo k objevu nových částic. V pozemských podmínkách se částice s velkou energií získávají pomocí urychlovačů. Částice jsou urychlovány elektrickým polem a získávají velkou kinetickou energii, která jim umožní překonat odpudivé síly při vzájemné srážce se souhlasně nabitou částicí.

Podle tvaru trajektorie, po níž se urychlená částice pohybuje, rozlišujeme urychlovače lineární a kruhové. Lineární urychlovač (obr. 5) má podobu dlouhé trubice s řadou válcových elektrod připojených ke zdroji napětí o vysoké frekvenci. Ta je volena tak, aby se částice ve štěrbinách mezi elektrodami postupně urychlovaly. Největší urychlovače tohoto typu mohou mít délku až 3 km a částice v nich získají energii až 20 GeV.

Nejznámějším typem kruhového urychlovače je cyklotron, který zkonstruoval již v roce 1931 americký fyzik E. O. LAWRENCE. Cyklotron se skládá ze dvou kovových komor ve tvaru písmena „D“, zvaných duanty (obr. 6). Duanty jsou připojeny ke zdroji vysokofrekvenčního střídavého napětí, takže v mezeře mezi nimi vzniká proměnné elektrické pole. Celé zařízení je uloženo v nádobě s vysokým vakuem a je umístěno v homogenním magnetickém poli. V mezeře se nachází zdroj kladně nabitých částic (např. p, H, He), z něhož částice vyletují do elektrického pole mezi duanty. Částice jsou polem urychlovány a pronikají do jednoho z duantů. Poněvadž na částice působí magnetické pole, pohybují se po kružnicových trajektoriích a znovu dospívají k mezeře. Zde jsou elektrickým polem znovu urychlovány a tento děj se několikrát opakuje. Poněvadž roste rychlost částic, zvětšuje se také poloměr kružnicové trajektorie, až je působením záporně nabité desky částice odchýlena a vystupuje z cyklotronu směrem k terči.

Cyklotron patří k urychlovačům rezonančního typu, poněvadž frekvence střídavého napětí mezi duanty musí být synchronizována s periodou pohybu částice v magnetické poli. V současných rezonančních kruhových urychlovačích (synchrofazotronech) je třeba přihlížet k relativistickým změnám hmotnosti urychlovaných částic. Speciálně upraveným elektrickým a magnetickým polem lze částice urychlovat až na energie řádově 10 GeV, přičemž trajektorie částic má konstantní poloměr. Experimenty s takto urychlenými částicemi mají základní význam pro výzkum elementárních částic.

Zajímavým výsledkem získaným díky urychlovači částic je experimentální ověření platnosti Einsteinova relativistického vztahu pro dilataci času. Tento vztah říká, že čím rychleji se objekt vzhledem k pozorovateli pohybuje, tím pomaleji na něm vzhledem k pozorovateli plyne čas (a naopak – to ale tedy znamená, že pro pohybující se hmotný objekt, tedy pro každý hmotný objekt se od každého okamžiku odvíjí jiná realita oproti jiným objektům, které vůči němu nejsou v klidu, neustále tedy vzniká obrovské, ale konečné množství paralelních prostorů. Dokonce to splňuje definici dimenze, ovšem těžko tato může být jednorozměrná). Výsledek byl získán měřením závislosti doby života mezonů π⁺ na jejich rychlosti.

Mezony π⁺ vznikají např. v urychlovačích ostřelováním hliníkového terčíku rychle letícími protony. Jsou ale nestabilní, střední doba života částice měřená v klidové soustavě (v laboratoři, vzhledem k níž by se mezon nepohyboval) je τ₀=2,6.10^-8 s. Ze zákonů klasické fyziky vyplývá, že kdyby se mezon pohyboval vzhledem k laboratoři rychlostí v=0,99c, urazil by od okamžiku vzniku do okamžiku rozpadu střední dráhu l_k=vτ₀=0,99.c.2,6.10^-8=7,72m. Experimenty v laboratoři však ukázaly, že střední dráhy, které mezony π⁺ za těchto podmínek do okamžiku svého rozpadu urazí, jsou ve skutečnosti mnohem větší.

Chyba předcházejícího výpočtu spočívá v tom, že při rychlostech blízkých rychlosti světla není již možno použít zákony klasické fyziky. Pozorovatel, který by se pohyboval společně s mezonem, by zjistil, že střední doba jeho rozpadu je opět 2,6.10^-8 s, neboť podle principu relativity se v libovolné klidové soustavě musí mezon π⁺ rozpadnout za stejnou dobu. Z hlediska pozorovatele v laboratoři na Zemi, vzhledem k němuž se mezon pohybuje rychlostí 0,99c, je střední doba života mezonu určena vztahem τ=τ₀/(1-v²/c²)^1/2=2,6.10^-8/(1-0,99²)^1/2 s=18,43.10^-8 s. Tato doba je větší než τ₀=2,6.10^-8 s, a proto mezon v laboratoři urazí větší střední dráhu l_r=vτ=0,99.c.18,43.10^-8=54,7m. Tato dráha se velmi shoduje s experimentálně pozorovanou dráhou.

1. Kvantová mechanika, A. S. DAVYDOV, 1973
2. Přehled středoškolské fyziky, E. SVOBODA A KOL., 1996
3. Fyzikální skripta
4. Speciální teorie relativity, K.BARTUŠKA, 1993
5. Svět vědy a techniky, A DORLING KINDERSLEY LTD., 1991